RS485总线技术在点钞数据叠加领域应用的利与弊

RS485总线技术在点钞数据叠加领域应用的利与弊一、RS485标准介绍在数据通信、计算机网络以及分布式工业控制系统当中，经常需要使用串行通信来实现数据交换。目前有RS-232、RS-422、RS-485等几种接口标准用于串行通信。电子工业协会（EIA）针对1962年发布的RS-232标准通信距离短、传送速率低的缺点，发展了RS-422通信标准，将传输速率提高到10Mbps，传输距离延长到4000英尺。RS-422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范，被命名为TIA/EIA-422-A标准。为扩展应用范围，EIA又于1983年在RS-422基础上制定了RS-485标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，命名为TIA/EIA-485-A标准。RS-485标准采用平衡发送和差分接收方式实现通信：发送端将串行的TTL电平信号转换成差分信号A、B两路输出，经过线缆传输之后在接收端将差分信号还原成TTL电平信号。由于是双绞差分传输，所以有极强的抗共模干扰的能力。总线收发器灵敏度很高，可以检测到低至200mV电压，故传输信号在千米之外都可以恢复。在100Kb/S的传输速率下，RS-485最大的通信距离约为1219M，最大传输速率为10Mb/S，传输速率与传输距离成反比。二、RS485总线技术优势和缺点RS-485采用半双工工作方式，支持多点数据通信。RS-485总线网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，即采用一条总线将各个通讯节点串接起来，一台主机通过一条通讯总线与多台从机相连，每台从机分配地址，主机依据地址编码轮询、接收处理从机数据。系统不允许从机主动发送命令或数据来占用总线，全由主机控制数据通信。各从机之间不能直接相互通讯，即使有信息交换也必须通过主机参与。RS-485总线一般支持32个节点，如果使用特制的485芯片，可以达到128个或者256个节点，最大的可以支持到400个节点。RS485总线复用技术在保持RS485通讯距离远、抗干扰能力强等优点的基础上，通过布线数量的减少降低了系统综合成本。技术的局限性主要在于：1.多个节点设备共用一条通讯总线，对布线及终端设计要求较高：某个节点发生故障，很容易将总线占用“拉死”；或者总线骨干故障，都容易造成整个系统通讯瘫痪。必须通过优化设计，降低发生的概率。2.通信过程需主机轮询各从机，从机应答后才可建立单路数据传输。单路数据传输速率虽不受影响，但系统从机数量较多时，逐机轮询方式势必会造成整个系统网络的通讯数据吞吐量降低。3.RS485总线复用通信必须要有主机的参与协调通信，从机间的互通能力差，因此不适用于交互通信数据量较大的场合。4.从机处于被动的通信状态，主机不能及时响应每路从机的即时数据变化，实时性差。在预警、消防等领域、行业的设计标准中，明令禁止使用RS485总线复用技术。RS485总线复用技术主要应用于通讯距离较远、通讯设备较多、通信数据量小、实时性要求不高的场合。三、点钞机视频叠加器使用RS-485方式连线结构点钞机是一种自动清点钞票数目的机电一体化装置，一般带有计数、辨伪、清分等功能。由于现金流量大，银行出纳柜台现金处理工作繁重，点钞机已成为不可缺少的金融设备。银行专用点钞机配备有外接显示屏，放置在柜台，便于客户观察点钞数据。银行柜员操作信息视频叠加系统VDM（俗称：点钞机字符叠加器）是近年来兴起的银行柜员制监控应用设备,其主要功能为：从点钞机外显接口采集点钞机的工作信息，将数据通过OSD（字符叠加芯片）将叠加在监控图像上；一些数据视频叠加器也可以从刷卡器读出银行卡号数据，并且一并叠加到监控图像上。这样，通过回看监控录像即能查找业务差错。点钞机数据叠加器产品结构一般为前后端分体设计：前端为点钞机、磁条读写器（刷卡器）信息采集处理器，后端为多路视频叠加主机。前后端之间使用RS485通讯方式是优选的数据通讯方案。银行柜员操作信息视频叠加系统（银行专用点钞机字符叠加器）拓扑图为：点钞机字符叠加器受样本、系统原理等情况制约，均是从点钞机外接显示屏接口采集点钞数据。卡号叠加器直接读取读卡器数据，数据量较小。点钞机外显接口输出的数据具有以下特点：1.点钞机外接显示屏与点钞机內显的内容变化是实时同步的，而点钞机的工作状态具有不确定性，因此，点钞数据变化具有突发性的特点。2.点钞机显示的数据是点钞的数量。点钞机目前的点钞速度为1200张/分钟～2000张/分钟，个别高速点钞机能达到2200张/分钟～2500张/分钟，100张钞票3～4秒钟即可清点完毕，每30～40毫秒即产生一个点钞数量的变化。因此，点钞数据具有短时、连续、数据变化量大的特点。3.有的点钞机持续有点钞数据输出（动态），有的仅在工作时产生数据输出（静态）。点钞机生产厂家不同，可以自行定义外接显示屏的工作方式，电气特征差异很大。因此点钞机数据具备多样性的特点。4.银行网点极少是单柜台办理业务，一般是多名柜员同时受理客户业务，存在多台点钞机同时点钞工作的情况，因此多路点钞机专用叠加器系统中的点钞数据存在集中、多发的特点。四、实际应用优劣分析与其他串行数据传输方式相比，RS485有线传输具备无可比拟的优势，因此在点钞机字符叠加器的前后端数据传输中多见采用。相比与基金总线（FF）、LonWorks总线、ProfiBus总线、HART总线及CAN总线等总线技术，RS485总线也存在成本、性能等优势。使用RS485有线传输技术方式基本可以形成定论，而在银行实际应用多路点钞数据叠加系统中是否适宜采用RS485总线通信技术呢？我们试从以下几个层面阐述分析：1、施工布线层面RS-485通信采用平衡发送和差分接收方式实现，对同时出现在两条信号线（DATA+和DATA-）的干扰有较强的抑制能力：当两条线绞在一起时，对各种分布耦合过来的干扰信号则可平均分配到这两条线上，因此RS485线路实际施工中多采用双绞线。两芯双绞线的成本较高，并且结构单薄，容易破损，众多工程商通常选择性价比较突出的超五类八芯双绞线（网线）来实施。安防工程中也往往使用超五类八芯双绞线（网线）作为预留通讯线。银行的营业网点，绝大多数的情况是2～4个柜员工作位办理现金业务。视频监控机柜往往布置在营业室附近。点钞机数码叠加器的前端（点钞机信息采集处理器）连接柜员点钞机；后端为多路视频叠加主机，布置在视频监控机柜中，前后端之间RS485通讯距离大约10～30米。以4个柜员工作位为例，，使用网线架设RS485连接，采用RS485点对点的通讯方式需要使用网线中的全部4对双绞线。采用RS485总线技术可以只使用网线中的2根线，其余6根空闲，但显然并不能节省网线采购成本。RS485总线通信技术最大的优势在于：可以减少布线的数量，以此减少系统建设成本。与工厂温湿度、压力数据采集动辄几十上百个节点、几百米的通讯距离相比较，多路点钞数据叠加系统存在节点少（几个）、距离短（十几米）的特点。实际施工过程中还需要增加RS485总线的节点连接装置，因此RS485总线技术并不能显著降低多路点钞数据叠加系统的布线成本。2、制造成本层面同样以4个柜员工作位为例，点钞机数据叠加器采用RS485点对点通讯方式，4台前端点钞机信息采集处理器各自使用1枚，合计4枚RS485芯片向后端视频叠加主机发送数据，4路视频叠加主机需要使用4枚RS485芯片和4只单片机接收处理数据，分别控制4枚OSD芯片在4路图像中叠加数据。如果采用RS485总线技术，4台前端处理器需增加地址设定功能或元件，但并不能节省RS485芯片，4路视频叠加主机可以通过1枚RS485芯片和1只单片机接收处理数据，并且命令4枚OSD芯片在4路图像中叠加数据。通过采用RS485总线技术，最多可以节省3枚RS485芯片和3只单片机。单片机数量上虽然得到节省，但需更换性能更高、针脚数量众多的单片机，并且程序也变得复杂，以满足控制多路叠加性能。此消彼长，4路叠加系统中，生产成本下降不明显。RS485总线技术可以帮助降低系统生产成本，尤其是节点较多的情况下，节省明显；但对于点钞数据叠加系统来讲，节点数量较少，因此意义不大。相信不会有厂家因个位数的生产成本差异作为重点考虑因素来采用RS485总线技术设计多路点钞数据叠加系统的数据传输。3、使用维护层面在使用RS485总线技术时,如果简单地按常规方式设计电路，在实际工程中可能面临以下问题。一是通信数据收发的可靠性问题；二是在多机通信方式下，一个节点（从机）的故障（如死机、RS485芯片击穿短路），往往会使得整个系统的通信框架崩溃，而且给故障的排查带来困难。尤其是，由于RS485总线上通常只有一台主机，所以这种总线方式是典型的集中－分散型控制系统。一旦主机出现故障，会使整个系统的通信陷于瘫痪状态。上述问题可以通过优化电路设计、器件选型等措施加以减少和避免。这点对视质量为生命并拥有雄厚开发实力的企业来讲，不是难题。但在多路点钞机专用叠加器系统中，因路数较少，在技术、元器件等条件相同的情况下，仅从问题发生的概率来讲，RS485总线技术远不如点对点通讯来的实在：单个前端或者主机的某一路发生问题，不至于影响其他设备的正常数据处理工作。4、应用性质层面前端采集处理器采到点钞数据，分析解译送往后端叠加主机进行显示叠加，客观实时的反应每个柜员的点钞实情，这是点钞机数码叠加器的工作应用意义。RS485总线技术不能够同时发送数据以避免总线竞争。点钞机数据处理有需要主动通信的特性，因此点钞数据叠加系统并不适合于采用主机进行轮询的RS485总线形式进行数据传输。5、数据实时性层面采用RS485总线技术，如果想保证每路的数据不丢失，就需要在每个点钞数量变化的间隔时间内完成对各个节点的轮询、接收和处理。以4路点钞数据叠加为例，考虑传送距离的因素，设定RS485数据传送速率为9600bp/s。传送一个字节的数据包括：1个起始位、8个数据位、1个停止位。按照9600bp/s波特率计算，传送每个字节需要1.041ms。典型的数据包包括：起始码、地址码、标志码、数据码、结束码、校验码，每个数据包长度为20～30个字节。4路RS485数据轮询就需要：20～30个字节×1.041ms×4路=83.28～124.92ms，平均100ms。不包括：主机发起轮询后每个从机应答、建立通讯的时间，也不包括数据接收、解译传送至OSD芯片的时间。如果计算在内，总体需时将翻番式增长。上文提到了点钞机每30～40ms即产生一个点钞数量的变化。对比可知，在30～40ms时间内完成多个节点的轮询、接收和处理是实现不了的。点钞机数据叠加器节点越多，轮询时间越长，数据丢失越多。多名银行柜员同时点钞操作时，采用RS485总线轮询方式，想得到不丢数、叠加连贯的结果，其难度不低。假使通过损失传输距离的代价，提高数据传输波特率能够达成数据不丢失的情况，但还是很难为点钞机点钞速度逐渐提高的发展趋势预留足够的包容空间。6、法律层面在百度搜索银行取款差错，可以得到43万多个结果。假设取款100张钞票时发生差错，需回看监控录像来解决纠纷，而此时的监控画面显示的点钞数字是33、34、77、78、100，甚至从0直接变化成100，非实时连贯叠加的结果仿佛很难让一般百姓信服。法律规定：有效的图像证据必须同时具备三个条件：第一，当事人出示的证据未被剪接、剪辑或者伪造，前后连接紧密，内容未被篡改，具有客观真实性和连贯性。第二，证据的取得必须符合法律规定。第三，对方未提出反驳或反驳理由不成立。假设矛盾难以解决提交法庭处理，这样的视频证据能否被对方律师接纳、法庭采信就需要看控辩双方律师的功底了。五、结论由于RS-485总线的线路设计简单、价格低廉、控制方便，只要合理的使用在水文、水利、温度、湿度、压力等场所仍然能发挥良好的作用。但是RS-485总线仍然只是一种常规的通信总线，它不能够同时发送数据以避免总线竞争，所以整个系统的通信效率必然较低，数据的冗余量较大，对于速度要求高的应用场所不适宜用RS-485总线。市面上所