提高RS-485網(wǎng)絡(luò)可靠性的若干措施

提高RS-485網(wǎng)絡(luò)可靠性的若干措施

建議性標(biāo)準(zhǔn)RS-485作為一種多點(diǎn)、差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)?a href="http://www.wenjunhu.com/v/tag/2364/" target="_blank">電氣規(guī)范現(xiàn)已成為業(yè)界應(yīng)用最為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)通信接口之一。這種通信接口允許在簡(jiǎn)單的一對(duì)雙絞線上進(jìn)行多點(diǎn)、雙向通信、它所具有的噪聲抑制能力、數(shù)據(jù)傳輸速率、電纜長(zhǎng)度及可靠性是其他標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法比擬的。正因?yàn)榇?，許多不同領(lǐng)域都采用RS-485作為數(shù)據(jù)傳輸鏈路。例如汽車電子、電信設(shè)備、局域網(wǎng)、蜂窩基站、工業(yè)控制、儀器儀表等等。這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)得到廣泛接受的另外一個(gè)原因是它的通用性。RS-485標(biāo)準(zhǔn)只對(duì)接口的電氣特性做出規(guī)定，而不涉及接插件、電纜或協(xié)議，在此基礎(chǔ)上用戶可以建立自己的高層通信協(xié)議。

---- 盡管RS-485標(biāo)準(zhǔn)已被廣泛接受，但是對(duì)于它在實(shí)際應(yīng)用中的一些具體問(wèn)題并沒(méi)有得到深入廣泛的認(rèn)識(shí)，甚至存在著種種誤區(qū)，以至于影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能。本文在回顧RS-485標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)討論幾個(gè)實(shí)際應(yīng)用中常被忽視的問(wèn)題。

---- RS-485標(biāo)準(zhǔn)回顧
---- RS-485標(biāo)準(zhǔn)最初由電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）于1983年制訂并發(fā)布，后由TIA-通訊工業(yè)協(xié)會(huì)修訂后命名為TIA/EIA-485-A，不過(guò)工程師還是習(xí)慣地稱之為RS-485。RS-485由RS-422發(fā)展而來(lái)，后者是為彌補(bǔ)RS-232之不足而提出的。為改進(jìn)RS-232通信距離短、速率低的缺點(diǎn)，RS-422定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到10Mbps，傳輸距離延長(zhǎng)到4000英尺（速率低于100kbps時(shí)），并允許在一條平衡線上連接最多10個(gè)接收器。RS-422是一種單機(jī)發(fā)送、多機(jī)接收的單向、平衡傳輸規(guī)范，為擴(kuò)展應(yīng)用范圍，隨后又為其增加了多點(diǎn)、雙向通信能力，即允許多個(gè)發(fā)送器連接到同一條總線上，同時(shí)增加了發(fā)送器的驅(qū)動(dòng)能力和沖突保護(hù)特性，擴(kuò)展了總線共模范圍，這就是后來(lái)的EIA RS-485標(biāo)準(zhǔn)。

---- RS-485是一個(gè)電氣接口規(guī)范，它只規(guī)定了平衡驅(qū)動(dòng)器和接收器的電特性，而沒(méi)有規(guī)定接插件、傳輸電纜和通信協(xié)議。RS-485標(biāo)準(zhǔn)定義了一個(gè)基于單對(duì)平衡線的多點(diǎn)、雙向（半雙工）通信鏈路，是一種極為經(jīng)濟(jì)、并具有相當(dāng)高噪聲抑制、傳輸速率、傳輸距離和寬共模范圍的通信平臺(tái)。RS-485接口的主要特點(diǎn)如下：

• 平衡偉輸；
• 多點(diǎn)通信；
• 驅(qū)動(dòng)器輸出電壓（帶載）：≥｜1.5V｜；
• 接收器輸入門限：±200mV；
• -7V至+12V總線共模范圍；
• 最大輸入電流：1.0mA/-0.8mA（12Vin/-7Vin）；
• 最大總線負(fù)載：32個(gè)單位負(fù)載（UL）；
• 最大傳輸速率：10Mbps；
• 最大電纜長(zhǎng)度：4000英尺。

---- 網(wǎng)絡(luò)配置

圖1:幾種錯(cuò)誤的網(wǎng)絡(luò)連接方式及 正確的方式

---- 有關(guān)總線上允許連接的收發(fā)器數(shù)標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有做出規(guī)定，但規(guī)定了最大總線負(fù)載為32個(gè)單位負(fù)載（UL）。每單位負(fù)載的最大輸入電流為1.0mA/-0.8mA，相當(dāng)于約12kΩ。為了擴(kuò)展總線節(jié)點(diǎn)數(shù)，器件生產(chǎn)廠商增大收發(fā)器輸入電阻。例如MAX487，MAX1487的輸入電阻增加至48kΩ以上（1/4UL），節(jié)點(diǎn)數(shù)就可增加至128個(gè)，96kΩ輸入電阻的MAX1483允許節(jié)點(diǎn)數(shù)可到256個(gè)。

---- 總線匹配
---- 是否對(duì)RS-485總線進(jìn)行終端匹配取決于數(shù)據(jù)傳輸速率、電纜長(zhǎng)度及信號(hào)轉(zhuǎn)換速率。UART是在每個(gè)數(shù)據(jù)位的中點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)的，只要反射信號(hào)在開始采樣時(shí)衰減到足夠低就可以不考慮匹配。有一條經(jīng)驗(yàn)性的準(zhǔn)則可以用來(lái)判斷在什么樣的數(shù)據(jù)速率和電纜長(zhǎng)度時(shí)需要進(jìn)行匹配：當(dāng)信號(hào)的轉(zhuǎn)換時(shí)間（上升或下降時(shí)間）超過(guò)電信號(hào)沿總線單向傳輸所需時(shí)間的3倍以上時(shí)就可以不加匹配。例如具有限斜率特性的RS-485接口MAX483輸出信號(hào)的上升或下降時(shí)間最小為250ns，典型雙絞線上的信號(hào)傳輸速率約為0.2m/ns（24AWG PVC電纜），那么只要數(shù)據(jù)速率在250kbps以內(nèi)、電纜長(zhǎng)度不超過(guò)16米，采用MAX483作為RS-485接口時(shí)就可以不加終端匹配。

---- 引出線
---- RS-485總線上的每個(gè)收發(fā)器通過(guò)一段引出線接入總線，引出線過(guò)長(zhǎng)時(shí)，由于信號(hào)在引出線中的反射，也會(huì)影響總線上的信號(hào)質(zhì)量。和前面的討論一樣，系統(tǒng)所能允許的引出線長(zhǎng)度也和信號(hào)的轉(zhuǎn)換時(shí)間、數(shù)據(jù)速率有關(guān)。下面的經(jīng)驗(yàn)公式可以用來(lái)估算引出線的最大長(zhǎng)度：
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---- 以MAX483為例，對(duì)應(yīng)于250ns的上升/下降時(shí)間，總線允許的最大引出線長(zhǎng)度約為5米。

---- 從以上的分析可以看出，減緩信號(hào)的前后沿斜率有利于降低對(duì)于總線匹配、引出線長(zhǎng)度的要求，改善信號(hào)質(zhì)量，同時(shí)，還使信號(hào)中的高頻成分降低，減少電磁輻射，因此，有些器件生產(chǎn)廠商在RS-485接口器件中增加了擺率限制電路來(lái)減緩信號(hào)前后沿，但這種做法也限制了數(shù)據(jù)傳輸速率。由此看來(lái)，在選擇接口器件時(shí)，并不是速率越高越好，應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)要求，選擇最低速率的器件。

---- 失效保護(hù)
---- RS-485標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定接收器門限為±200mV。這樣規(guī)定能夠提供比較高的噪聲抑制能力，但同時(shí)也帶來(lái)了一個(gè)問(wèn)題：當(dāng)總線電壓在±200mV中間時(shí)接收器輸出狀態(tài)不確定。由于UART以一個(gè)前導(dǎo)"0"觸發(fā)一次接收動(dòng)作，所以接收器的不定態(tài)可能會(huì)使UART錯(cuò)誤地接收一些數(shù)據(jù)，導(dǎo)致系統(tǒng)誤動(dòng)作。當(dāng)總線空閑、開路或短路時(shí)都有可能出現(xiàn)兩線電壓差低于200mV的情況，必須采取一定措施避免接收器處于不定態(tài)。傳統(tǒng)的做法是給總線加偏置，當(dāng)總線空閑或開路時(shí)，利用偏置電阻將總線偏置在一個(gè)確定的狀態(tài)（差分電壓≥200mV）。但這種方法仍然不能解決總線短路時(shí)的問(wèn)題，為此，有些器件制造商將接收門限移到-200mV/-50mV，巧妙地解決了這個(gè)問(wèn)題。例如Maxim公司為MAX3080系列RS-485接口，不但省去了外部偏置電阻，而且解決了總線短路情況下的失效保護(hù)問(wèn)題。

---- 地線與接地
---- 電子系統(tǒng)的接地是一個(gè)非常關(guān)鍵而又常常被忽視的問(wèn)題，接地處理不當(dāng)經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致不能穩(wěn)定工作甚至危及系統(tǒng)安全。對(duì)于RS-485網(wǎng)絡(luò)來(lái)講也是一樣，沒(méi)有一個(gè)合理的接地系統(tǒng)可能會(huì)使系統(tǒng)的可靠性大打折扣，尤其是在工作環(huán)境比較惡劣的情況下，對(duì)于接地的要求更為嚴(yán)格。有關(guān)RS-485網(wǎng)絡(luò)的接地問(wèn)題很少有資料提及，在設(shè)計(jì)者中也存在著很多誤區(qū)，致使通信可靠性降低、接口損壞率較高。一個(gè)典型的錯(cuò)誤觀點(diǎn)就是認(rèn)為RS-485通信鏈路不需要信號(hào)地，而只是簡(jiǎn)單地用一對(duì)雙絞線將各個(gè)接口的"A"、"B"端連接起來(lái)。這種處理方法在某些情況下也可以工作，但給系統(tǒng)埋下了隱患，主要有以下兩方面的問(wèn)題：

圖3:地電位差導(dǎo)致的共模干擾問(wèn)題

• 共模干擾問(wèn)題。的確，RS-485接口采用差分方式傳輸信號(hào)，并不需要相對(duì)于某個(gè)參照點(diǎn)來(lái)檢測(cè)信號(hào)，系統(tǒng)只需檢測(cè)兩線之間的電位差就可以了。但應(yīng)該注意的是，收發(fā)器只有在共模電壓不超出一定范圍（-7V至+12V）的條件下才能正常工作。當(dāng)共模電壓超出此范圍就會(huì)影響通信的可靠，直至損壞接口。如圖3所示，當(dāng)發(fā)送器A向接收器B發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送器A的輸出共模電壓為VOS，由于兩個(gè)系統(tǒng)具有各自獨(dú)立的接地系統(tǒng)，存在著地電位差VGPD。那么，接收器輸入端的共模電壓就會(huì)達(dá)到VCM=VOS+VGPD。RS-485標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定VOS≤3V，但VGPD可能會(huì)有很大幅度（十幾伏甚至數(shù)十伏），并可能伴有強(qiáng)干擾信號(hào)，致使接收器共模輸入VCM超出正常范圍，并在信號(hào)線上產(chǎn)生干擾電流，輕則影響正常通信，重則損壞接口。
• 電磁輻射（EMI）問(wèn)題。驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào)中的共模部分需要一個(gè)返回通路，如果沒(méi)有一個(gè)低阻的返回通道（信號(hào)地），就會(huì)以輻射的形式返回源端，整個(gè)總線就會(huì)像一個(gè)巨大的天線向外輻射電磁波。

---- 因此，盡管是差分傳輸，對(duì)于RS-485網(wǎng)絡(luò)來(lái)講，一條低阻的信號(hào)地還是必不可少的。如圖4a所示，一條低阻的信號(hào)地將兩個(gè)接口的工作地連接起來(lái)，使共模干擾電壓VGPD被短路。這條信號(hào)地可以是額外的一對(duì)線（非屏蔽雙絞線）、或者是屏蔽雙絞線的屏蔽層。值得注意的是，這種做法僅對(duì)高阻型共模干擾有效，由于干擾源內(nèi)阻大，短接后不會(huì)形成很大的接地環(huán)路電流，對(duì)于通信不會(huì)有很大影響。當(dāng)共模干擾源內(nèi)阻較低時(shí)，會(huì)在接地線上形成較大的環(huán)路電流，影響正常通信。筆者認(rèn)為，可以采取以下三種措施：

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圖4:地線與接地方案

1. 若干擾源內(nèi)阻不是非常小，可以考慮在接地線上加限流電阻限制干擾電流。接地電阻的增加可能會(huì)使共模電壓升高，但只要控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)就不會(huì)影響正常通信（圖4b）；
2. 采用浮地技術(shù)，隔斷接地環(huán)路。當(dāng)共模干擾內(nèi)阻很小時(shí)上述方法已不能奏效，此時(shí)可以考慮將引入干擾的節(jié)點(diǎn)（例如處于惡劣的工作環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)儀表）浮置起來(lái)（也就是系統(tǒng)的電路地與機(jī)殼或大地隔離），這樣就隔斷了接地環(huán)路，不會(huì)形成很大的環(huán)路電流（圖4c）；
3. 采用隔離接口。有些情況下，出于安全或其他方面的考慮，電路地必須與機(jī)殼或大地相連，不能懸浮，這時(shí)可以采用隔離接口來(lái)隔斷接地回路，但是仍然應(yīng)該有一條地線將隔離側(cè)的公共端與其它接口的工作地相連（圖4d）。

---- 瞬態(tài)保護(hù)
---- 前面提到的接地措施只對(duì)低頻率的共模干擾有保護(hù)作用，對(duì)于頻率很高的瞬態(tài)干擾就無(wú)能為力了。因?yàn)橐€電感的作用，對(duì)于高頻瞬態(tài)干擾來(lái)講，接地線實(shí)際等同于開路。這樣的瞬態(tài)干擾可能會(huì)有成百上千伏的電壓，但持續(xù)時(shí)間很短。在切換大功率感性負(fù)載（電機(jī)、變壓器、繼電器等）、閃電等過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生幅度很高的瞬態(tài)干擾，如果不加以適當(dāng)防護(hù)就會(huì)損壞接口。對(duì)于這種瞬態(tài)干擾可以采用隔離或旁路的方法加以防護(hù)。

圖5：瞬態(tài)保護(hù)方案

---- 圖5b所示為旁路保護(hù)方案。這種方案利用瞬態(tài)抑制元件（如TVS、MOV、氣體放電管等）將危害性的瞬態(tài)能量旁路到大地，優(yōu)點(diǎn)是成本較低，缺點(diǎn)是保護(hù)能力有限，只能保護(hù)一定能量以內(nèi)的瞬態(tài)干擾，持續(xù)時(shí)間不能很長(zhǎng)，而且需要有一條良好的連接大地的通道，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難。

---- 實(shí)際應(yīng)用中可以將二者結(jié)合起來(lái)靈活運(yùn)用（圖5c）。隔離接口對(duì)大幅度瞬態(tài)干擾進(jìn)行隔離，而旁路元件保護(hù)隔離接口不被過(guò)高的瞬態(tài)電壓擊穿。

---- 結(jié)論
---- RS-485標(biāo)準(zhǔn)定義了一個(gè)極為堅(jiān)固和可靠的通信鏈路，具有高噪聲抑制、寬共模范圍、長(zhǎng)傳輸距離、沖突保護(hù)等特性，但一個(gè)真正可靠的RS-485網(wǎng)絡(luò)還有賴于合理的應(yīng)用。合理的網(wǎng)絡(luò)布局、信號(hào)通道的連續(xù)性、周全的保護(hù)措施等，在設(shè)計(jì)之初就應(yīng)該有一個(gè)總體規(guī)劃。