RS485網(wǎng)絡故障排除確保數(shù)據(jù)交換的可靠性

在許多情況下，系統(tǒng)組裝人員發(fā)現(xiàn) RS485 網(wǎng)絡不可靠或根本無法工作。在即插即用串行數(shù)字接口的世界中，這些長期存在的數(shù)字串行通信接口和協(xié)議的整體復雜性通常被低估，這有時會導致該領域出現(xiàn)問題，從而導致與設計的系統(tǒng)的質量和可靠性有關的問題。

本文的目的是概述這個流行接口的復雜性，為工程師提供確保其應用程序中數(shù)據(jù)交換可靠性所需的工具。

RS232 可追溯到 1960 年，是一種數(shù)字串行接口，主要用于將調制解調器連接到機電打字機。由于它在 1990 年代后期作為個人計算機中無處不在的標準功能，許多工程師都熟悉這個接口，并正確地認識到它的簡單性和可靠性，使其在嵌入式系統(tǒng)中流行至今。

RS232 是一種點對點連接，一個主系統(tǒng)可以連接到一個從系統(tǒng)。由于所使用的信號電平以及信號以地為參考的事實，傳輸速度受到限制，并且用于連接的電纜長度在技術上被限制為大約 15 m。

RS422 對每個信號和較低的信號電平使用差分對，是旨在克服 RS232 缺點的眾多規(guī)范之一。RS422 有一個可以持續(xù)傳輸?shù)闹鳈C，但可以通過長達 1200 米的連接向多個從機傳輸。RS422 最常見的實現(xiàn)使用四個連接，其中一對執(zhí)行 RS232 的發(fā)送 （Tx） 功能，另一對執(zhí)行接收 （Rx） 功能。RS422 一詞的現(xiàn)代用法通常是指 RS485 的全雙工四線版本，因此本文中的討論也適用于該接口。

RS485 是 RS422 的后續(xù)版本，提供了在單個網(wǎng)絡上使用多個主機和從機的能力。由于主機和從機都要求允許其他單元在網(wǎng)絡上傳輸，RS485 可以支持半雙工雙線連接，其中單個差分連接對提供發(fā)送和接收路徑?，F(xiàn)代用法通常將兩線半雙工配置稱為 RS485。

設備兼容性

網(wǎng)絡上設備之間兼容性的最佳理解方面涉及確保網(wǎng)絡上的所有設備都支持一組通用的配置參數(shù)：波特率、數(shù)據(jù)位、停止位奇偶校驗和雙工，因此不需要更詳細的描述：它將可以說，首先要考慮的是所有設備都正確配置為使用相同的設置。

拓撲

下一個要討論的方面是網(wǎng)絡拓撲：本質上是所有節(jié)點如何連接在一起。建議 RS485 網(wǎng)絡采用菊花鏈式連接，以確?？煽窟\行。兩線 RS485 網(wǎng)絡的最佳實踐通常是將主節(jié)點安裝在網(wǎng)絡中間并安裝偏置電阻器，并將兩端從節(jié)點安裝終端。本文將研究有助于確定終端電阻和偏置電阻的尺寸以及是否需要它們的方法。

在 RS485 網(wǎng)絡上，設備無法通信的一個常見原因是在決定如何標記連接時不明確，從而導致設備之間的錯誤連接。RS485 設備通常使用標簽 A 和 B 進行連接。需要注意的是，這些引腳標簽在制造商之間的使用不一致，并不總是按照規(guī)格中的說明使用，甚至在同一制造商的不同設備之間也可能不一致。

例如，凌力爾特 LTC1535 將同相輸入標記為 A，而凌力爾特 LTC1387 將反相輸入標記為 A。TIA/EIA-422-B 規(guī)范將反相輸入標記為 A，并帶有備用標簽“-” ，以及作為 B 的非反相輸入，具有備用標簽“+”。為了正確操作，將設備連接到網(wǎng)絡時必須小心。

其他常見的終端標簽是 Tx+/Rx+ 和 Tx-/Rx-。由于標簽混亂，這些應用也不一致。只有倒置和非倒置標簽是一致的，但系統(tǒng)和設備制造商很少使用這些標簽。因此，如果無法訪問進入 UART 的 TTL 串行信號，尤其是在偏置電阻安裝不正確的情況下，通常很難在不經(jīng)過反復試驗的情況下正確連接設備。

網(wǎng)絡拓撲的一個重要且經(jīng)常被忽視的方面是有效的最大傳輸長度，它與所選的波特率和所用電纜的特性有關。行業(yè)經(jīng)驗法則通常僅在波特率為 300 kbaud 及以下時引用 1200 m 的最大長度，在 10 Mbaud 時最大長度減少到 12 m。只有使用示波器檢查網(wǎng)絡末端的信號完整性，才能確保行業(yè)經(jīng)驗法則產(chǎn)生的信號符合 RS485 規(guī)范。

終止

終端用于將發(fā)送或接收節(jié)點的阻抗與所使用的傳輸線的阻抗相匹配。如果阻抗不匹配，則傳輸?shù)男盘柌荒鼙回撦d完全吸收，部分信號將被反射回傳輸線上。該反射信號將在電纜上上下傳播，幅度隨著時間的推移而減小。

終止的缺點是：

? 驅動程序負載增加。

? 偏差要求發(fā)生了變化。

在網(wǎng)絡上是否需要端接，應基于總電纜長度和采用的數(shù)據(jù)速率。如果所有信號反射都將在數(shù)據(jù)位中心之前被衰減，此時接收器將進行采樣，則不需要終止。

例如，任何電纜的傳播延遲都可以根據(jù)其長度和傳播速度（通常為光速 （c） 的 66-75%）計算得出。如果 100m 的電纜有 200m 的往返行程和 c 的 66% 的傳播速度，則在大約 1 μs 內(nèi)完成一次往返行程。假設反射在 5 次往返后完全衰減，則信號將在 5 μs 后穩(wěn)定下來。

在 9600 波特率下，每個位的寬度為 104 μs。由于信號在位終止中心之前很穩(wěn)定，因此不需要。在 115.2 k 波特下，每個位的寬度為 8.7 μs。由于在位中心之前信號不穩(wěn)定，因此需要終止。該計算表明，在需要以 115.2 k 波特率終止之前，我們應該能夠擁有大約 80 m 的網(wǎng)絡長度。

終端電阻只能放置在網(wǎng)絡的最末端，每個網(wǎng)絡最多只能使用兩個終端電阻。這就解釋了為什么最好使用菊花鏈網(wǎng)絡：短截線會增加阻抗不匹配和額外的反射點。對于兩線網(wǎng)絡，終端電阻器通常安裝在網(wǎng)絡末端的從節(jié)點上。對于四線網(wǎng)絡，終端電阻器通常安裝在網(wǎng)絡末端的從節(jié)點上的接收對上。

偏向

配置 RS485 網(wǎng)絡最復雜和最容易被誤解的方面是偏差。當 RS485 網(wǎng)絡空閑時，所有節(jié)點都設置為接收數(shù)據(jù)，因此所有驅動程序都處于三態(tài)。沒有任何東西驅動網(wǎng)絡，線路的狀態(tài)是未知的。

如果接收器輸入端的電壓低于 ±200 mV，則接收器輸出邏輯電平將無法確定，并且通?？赡苁墙邮盏降淖詈笠晃坏倪壿嬰娖健Ｈ绻麤]有這個，您可能會錯過每個通信的起始位，從而妨礙對傳輸?shù)恼_解釋。

為了保持正確的空閑狀態(tài)偏置，可以在傳輸線上添加電阻器。一個上拉電阻（通常為 +5V）被添加到非反相輸入 RX+，而一個下拉到地的電阻被添加到反相輸入 RX-。

偏置電阻值由網(wǎng)絡負載決定，包括終端（如果安裝）：安裝終端電阻時，這些電阻的負載效應大于節(jié)點的負載效應，每個節(jié)點的典型負載為 12kΩ。這意味著無論節(jié)點數(shù)量如何，偏置電阻值約為 685Ω。當未安裝終端時，偏置電阻可以從兩個節(jié)點的 122kΩ 變化到 32 個節(jié)點的 4.5kΩ，以達到所需的電壓水平。

偏置電阻可以添加到網(wǎng)絡上的任何點，也可以在多個節(jié)點之間拆分。網(wǎng)絡上所有偏置電阻的并聯(lián)組合應等于或小于偏置要求。它們通常被添加到主節(jié)點。許多現(xiàn)代 RS485 收發(fā)器已被設計為無需偏置電阻即可正確識別空閑狀態(tài)。如果所有 RS485 收發(fā)器都沒有此功能，并且設備制造商沒有披露所應用的收發(fā)器類型，那么在創(chuàng)建 RS485 網(wǎng)絡時仍必須考慮偏置。

結論

系統(tǒng)和設備制造商經(jīng)常被問到的一個問題是，為什么他們的系統(tǒng)默認不安裝終端電阻和偏置電阻。從上面的討論中可以看出，如果不知道網(wǎng)絡的整個拓撲和長度，這是不可能的，并且每個網(wǎng)絡都是不同的。

RS485 網(wǎng)絡遠非即插即用，在實現(xiàn)可靠網(wǎng)絡之前，必須了解和考慮應用程序的許多特性。

審核編輯：郭婷