踩坑又給項(xiàng)目埋雷,RS485自動(dòng)收發(fā)電路設(shè)計(jì)

前言

這個(gè)文章的題目有點(diǎn)騙眼球的感覺，其實(shí)是自己踩過大坑，很是痛恨這個(gè)電路，希望大家以后不要踩了。工程師要畫這個(gè)電路時(shí)，網(wǎng)上一搜，不經(jīng)深入分析就拿來用，給項(xiàng)目埋了炸彈。

RS485自動(dòng)收發(fā)電路

因?yàn)?a href="http://wenjunhu.com/tags/rs/" target="_blank">RS485采用叉分信號，只支持半雙工。正常的RS485芯片驅(qū)動(dòng)電路是需要GPIO來切換發(fā)送和接收模式。如下圖所示，一般的RS485電平轉(zhuǎn)換芯片都有RE/DE腳，用來切換收發(fā)模式。

RS485標(biāo)準(zhǔn)電路參考

嵌入式行業(yè)，特別是MCU相關(guān)的都比較愛摳成本，便宜的MCU往往就是GPIO數(shù)量不夠。如果是上Linux系統(tǒng)的方案，一般串口支持RS485就還得改GPIO驅(qū)動(dòng)，會(huì)有軟件工作量。于是有大聰明發(fā)明了自動(dòng)切換的電路，省掉了那個(gè)GPIO。下圖是網(wǎng)上找的一個(gè)自動(dòng)收發(fā)電路圖，收發(fā)原理直接看圖中文字描述。

1. 不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，接收模式，沒問題。

2. 發(fā)送數(shù)據(jù)0時(shí)，發(fā)送模式，輸出0，沒問題。

3. 發(fā)送數(shù)據(jù)1時(shí)，接收模式，外圍A,B由上下拉電路控制，輸出1，問題出在這里。

RS485自動(dòng)收發(fā)電路

由于自己示波器測量的圖片丟失，網(wǎng)上找別的測試圖來說明，引用文章鏈接：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/48018717

三極管的關(guān)斷時(shí)間較長(主要是由于三極管關(guān)斷時(shí)的存儲時(shí)間較長)，因此若TXD發(fā)送低電平，DE&RE引腳較長時(shí)間后才會(huì)升至高電平，才會(huì)切到發(fā)送模式，發(fā)送低電平的延時(shí)時(shí)間較長，如下圖所示為1.204 μs。

關(guān)斷延時(shí)

二是自動(dòng)收發(fā)電路發(fā)送高電平是通過外部上下拉電阻驅(qū)動(dòng)的，上升沿較緩慢，波形如下圖所示，可以看出，發(fā)送高電平的上升沿較為緩慢，限制了高速通信的應(yīng)用。

上下拉驅(qū)動(dòng)上升沿緩慢

RS485自動(dòng)收發(fā)電路風(fēng)險(xiǎn)

如下圖所示，TXD變?yōu)楦唠娖?，DE&RE引腳降為低電平，AB差分電壓緩慢上升，由于此時(shí)RS-485收發(fā)器已經(jīng)處于接收狀態(tài)，在AB差分電壓上升至RS-485收發(fā)器門限電平前RXD引腳會(huì)出現(xiàn)到一段時(shí)間的低電平信號，例如門限電平為-200mV~-50mV的收發(fā)器，AB差分電壓上升至-50mV前RS-485收發(fā)器均可輸出低電平，此低電平信號的時(shí)間與AB差分電壓上升時(shí)間和RS-485收發(fā)器的接收延時(shí)有關(guān)。由于串口一般是將每個(gè)位分成16份，檢測中間的3份的電平信號從而確定此位的信號高低，因此若此低電平信號保持至每個(gè)位的信號檢測時(shí)，則會(huì)使MCU接收到一個(gè)起始位，從而接收到錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，因此這個(gè)問題同樣限制了高速通信的應(yīng)用并且降低了通信的可靠性。

rxd接收到低電平

我們在實(shí)際應(yīng)用中就是遇到這個(gè)問題，概率收到錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，導(dǎo)致丟包（數(shù)據(jù)校驗(yàn)不通過而丟棄）。在研發(fā)的環(huán)境中，連接的終端設(shè)備少，距離近，這個(gè)丟包概率比較低，不容易發(fā)現(xiàn)。在Modbus應(yīng)用中，概率丟包只會(huì)影響數(shù)值更新速度慢，影響不大。但是我們在現(xiàn)場做升級操作時(shí)，幾乎很難成功，因?yàn)樵谘邪l(fā)環(huán)境沒問題，我們優(yōu)先排查現(xiàn)場環(huán)境信號干擾等問題，浪費(fèi)了很多時(shí)間。這個(gè)電路有兩個(gè)缺點(diǎn)：

1. 通信速度慢：

三極管有電容效應(yīng)，導(dǎo)致關(guān)斷時(shí)間較長，導(dǎo)致RE/DE從低到高電平變化出現(xiàn)比較大的斜坡.同時(shí)485輸出高電平，是依靠上下拉來完成的，會(huì)導(dǎo)致上升沿不夠迅速，因此上下拉的阻值選擇也是影響速度的關(guān)鍵。

2. 驅(qū)動(dòng)能力弱：

由于當(dāng)tx為高，485電平是由其上拉電阻完成的，因此弱提高驅(qū)動(dòng)能力，就要減小電阻，由于485芯片驅(qū)動(dòng)能力有限，電阻太小會(huì)導(dǎo)致tx為低的時(shí)候，485芯片無法將485總線拉低，因此總線上所有上拉電阻的并聯(lián)值不應(yīng)該小于375歐。還用當(dāng)接入120歐的終端電阻的時(shí)候，AB兩相的電壓差由終端電阻和上下拉分壓得到，會(huì)導(dǎo)致AB兩相的電壓差變小，因此自動(dòng)收發(fā)串口轉(zhuǎn)RS485設(shè)計(jì)不太適合添加終端電阻。

終端電阻的問題

終端電阻主要是為了匹配通信線的特性阻抗，防止信號反射，提高信號質(zhì)量。在組建RS-485總線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，通常使用特性阻抗為120Ω的屏蔽雙絞線，由于RS-485收發(fā)器輸入阻抗一般較高（例如RSM485ECHT輸入阻抗為96kΩ，最多可連接256個(gè)節(jié)點(diǎn)），在信號傳輸?shù)娇偩€末端時(shí)會(huì)由于受到的瞬時(shí)阻抗發(fā)生突變（以RSM485ECHT為例，阻抗由120Ω變?yōu)?6kΩ），導(dǎo)致信號發(fā)生反射，影響信號的質(zhì)量。

實(shí)際上只有距離+高速率的環(huán)境需要添加終端電阻，例如長度>500米 + 波特率超過500kbps。

總結(jié)和建議

RS485總線和電路看似簡單，但是要看應(yīng)用場景，對穩(wěn)定性有要求的不建議使用自動(dòng)收發(fā)驅(qū)動(dòng)電路。

在沒有遇到信號反射問題時(shí)，盡量不要使用終端電阻；硬件設(shè)計(jì)時(shí)，可以預(yù)留外掛或焊接120Ω電阻的位置。

要查看RS485驅(qū)動(dòng)芯片的輸入阻抗參數(shù)，和支持外掛設(shè)備數(shù)。上、下拉電阻與收發(fā)器輸入阻抗的并聯(lián)值應(yīng)大于375Ω；

如果是現(xiàn)場做工程項(xiàng)目，建議帶上萬用表和示波器，測一下空閑狀態(tài)下的電壓值，收發(fā)的信號質(zhì)量，這樣才安心。