大坝远程有线通讯网络中等效电路的分析和设计

1/6大坝远程有线通讯网络中等效电路的分析和设计胡代清华中科技大学水电及数字化工程学院，湖北武汉430077摘要以CAN总线大坝安全监控网为例，对大坝远程有线通讯网络中的等效电路进行了分析和设计。关键词大坝；通信网络；等效电路；CAN总线1前言现代大坝安全监控中一般采用有线方式进行通讯如双绞线，并组成符合485或CAN现场总线规范的监控网络。由于坝区的通讯范围一般在几百米到几十公里，通讯的波特率在几K至几百K，这就产生了如何使通讯安全可靠、如何设定适当的通讯波特率的问题。本文试以CAN总线大坝安全监控网络为例，对大坝远程有线通讯网络中的等效电路进行分析和计算。2CAN总线等效电路分析CAN总线示意图见图1。2/6图1CAN总线示意CAN的直线通信距离最远可达10KM速率在5KBPS以下，通信速率最高可达1MBPS此时通信距离最长为40M。所以对于CAN的大型分布式监控网络，可以通过降低传输速率的方法来增加传输距离不加任何中继器。在远距离传输时由于传输线对信号的时延，若终端和始端出现阻抗失配现象，则会出现电磁波的反射，使信号波形严重畸变，并且引起一些有害的干扰脉冲，甚至影响整个总线的工作。因此总线上信号传输问题必须予以考虑。21传输线是一个分布参数系统在集中参数电路中，电磁波传输的持续时间与该电磁波本身变化的时间相比要短得多，电磁波的能量集中消耗和存储在电路的各个储能元件R、L、C上，因此，集中参数电路的压或电流和空间坐标的位置无关，它们只是时间的函数，即在集中参数电路或称短线中，电压或电流是均匀分布的。在分布参数电路中，如在同轴电缆、双绞线远距离传输中，电磁波传输的持续时间与该电磁波本身变化的时间可以相比或长得多，因此在这种电路中，电压或电流不仅是时间的函数，而且还与空间的坐标有关，即在分布参数电路或称长线中，电压或电流的分布是不均匀的，必须考虑信号传输的连接线称之为传输线。由3/6于传输线的一个基本特征是信号在其上的传输需要时间，因而人们也常常将传输线称之为延迟线。作为一个分布参数系统，传输线的基本特征可以归纳为1电参数分布在其占据的所有空间位置上。2信号传输需要时间。传输线的长度直接影响信号的特性，或者说可能使信号在传输过程中产生畸变。3信号不仅仅是时间T的函数，同时也与信号所处位置X有关，即信号同时是时间T和位置X的函数。为了保证信号在传输线中不失真，需要找出信号随时间、位置变化时的变化规律，即电压UX,T、电流IX,T的变化规律。首先要建立传输线的物理模型，列出描述UX,T、IX,T的数学方程，最后解方程，分析其变化规律。如前所述，传输线是一个分布参数系统，它的每一段都具有分布电容、电感和电阻。传输线的分布参数通常用单位长度的电感L和单位长度的电容C以及单位长度上的电阻R、电导G来表示，它们主要由传输线的材质、几何结构和绝缘介质的特性所决定的，它们的数值可以用测量的方法得到，对结构简单的传输线也可计算得到。22传输线的物理模型和电路方程为方便计算起见，下面的讨论均假设传输线是均匀传输线。所谓均匀就是指1导体的几何形状和所用材料在线路全长保持不4/6变；2导体之间的间隔和导体周围介质在线路全长维持均匀不变。双绞线中两条线分布参数完全相同，并且相互对称，两条线分布参数可以等效地对一条线的分布参数。选取传输线上一小段进行研究。设小段长度为X如图2所示，X越小，就越接近传输线的实际情况。当X0时，该模型就逼近真实的分布参数系统。均匀传输线的等效电路见图3，可以看成由多个这样电缆段串联而成。图2长度为X的等效电路图3均匀传输线等效电路选取传输线起点为坐标原点即X0，考虑距原点为X到XX处的情况，设L为单位长度上的分布电感，R为单位长度上的分布电阻，C为单位长度上的分布电容，G为单位长度上的分布电导介质漏电引起，在X处的电压为UT,X，电流为IT,X,而XX处的电压则为UT,XX,电流则为IT,XX注此处电压U及电流I是时间T和位置X的二元函数，根据克希霍夫定律，从传输线的X到XX段，应有5/6因为ZCS的大小只与传输线特性有关，所以称为传输线特性阻抗。由式5、6可以看出，传输线上任一点的电压UX,S和电流IX,S都包含两项，前一项代表向X方向前进的波，称为入射波，后一项代表向X方向前进的波，称为反射波。消除反射波对于系统来说非常重要，如果终端阻抗不匹配将会引起电波多次反射，那么在线路上各点的电压电流波形都会发生畸变，可能导致数据传输错误。当终端匹配电阻与传输线特性阻抗匹配时，反射波最小。把S换成J，就可以得到传输线方程的正弦稳态解。选取电缆参数R10/KML103CAN总线协议中定义，在1M波特率下，终端匹配电阻一般为120，时延为5NS/M。匹配电阻的最小值为108，最大值为132。总线两端应当分别用120联接。3总结按照以上的分析，在实验室搭建了长度为10KM的通讯网络对分析结果进行验证，