提高RS-485網(wǎng)絡(luò )可靠性的若干措施

引出線(xiàn)

RS-485總線(xiàn)上的每個(gè)收發(fā)器通過(guò)一段引出線(xiàn)接入總線(xiàn)，引出線(xiàn)過(guò)長(cháng)時(shí)，由于信號在引出線(xiàn)中的反射，也會(huì )影響總線(xiàn)上的信號質(zhì)量。和前面的討論一樣，系統所能允許的引出線(xiàn)長(cháng)度也和信號的轉換時(shí)間、數據速率有關(guān)。下面的經(jīng)驗公式可以用來(lái)估算引出線(xiàn)的最大長(cháng)度：

Lmax=（tRISE×0.2m/ns）/10

以MAX483為例，對應于250ns的上升/下降時(shí)間，總線(xiàn)允許的最大引出線(xiàn)長(cháng)度約為5米。

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

失效保護

RS-485標準規定接收器門(mén)限為±200mV。這樣規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：當總線(xiàn)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錯誤地接收一些數據，導致系統誤動(dòng)作。當總線(xiàn)空閑、開(kāi)路或短路時(shí)都有可能出現兩線(xiàn)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)。傳統的做法是給總線(xiàn)加偏置，當總線(xiàn)空閑或開(kāi)路時(shí)，利用偏置電阻將總線(xiàn)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(xiàn)短路時(shí)的問(wèn)題，為此，有些器件制造商將接收門(mén)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(xiàn)短路情況下的失效保護問(wèn)題。

地線(xiàn)與接地

電子系統的接地是一個(gè)非常關(guān)鍵而又常常被忽視的問(wèn)題，接地處理不當經(jīng)常會(huì )導致不能穩定工作甚至危及系統安全。對于RS-485網(wǎng)絡(luò )來(lái)講也是一樣，沒(méi)有一個(gè)合理的接地系統可能會(huì )使系統的可靠性大打折扣，尤其是在工作環(huán)境比較惡劣的情況下，對于接地的要求更為嚴格。有關(guān)RS-485網(wǎng)絡(luò )的接地問(wèn)題很少有資料提及，在設計者中也存在著(zhù)很多誤區，致使通信可靠性降低、接口損壞率較高。一個(gè)典型的錯誤觀(guān)點(diǎn)就是認為RS-485通信鏈路不需要信號地，而只是簡(jiǎn)單地用一對雙絞線(xiàn)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，但給系統埋下了隱患，主要有以下兩方面的問(wèn)題：

圖3:地電位差導致的共模干擾問(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，并不需要相對于某個(gè)參照點(diǎn)來(lái)檢測信號，系統只需檢測兩線(xiàn)之間的電位差就可以了。但應該注意的是，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，當發(fā)送器A向接收器B發(fā)送數據時(shí)，發(fā)送器A的輸出共模電壓為VOS，由于兩個(gè)系統具有各自獨立的接地系統，存在著(zhù)地電位差VGPD。那么，接收器輸入端的共模電壓就會(huì )達到VCM=VOS+VGPD。RS-485標準規定VOS≤3V，但VGPD可能會(huì )有很大幅度（十幾伏甚至數十伏），并可能伴有強干擾信號，致使接收器共模輸入VCM超出正常范圍，并在信號線(xiàn)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。驅動(dòng)器輸出信號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（信號地），就會(huì )以輻射的形式返回源端，整個(gè)總線(xiàn)就會(huì )像一個(gè)巨大的天線(xiàn)向外輻射電磁波。

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

圖4:地線(xiàn)與接地方案

若干擾源內阻不是非常小，可以考慮在接地線(xiàn)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，但只要控制在適當的范圍內就不會(huì )影響正常通信（圖4b）；

采用浮地技術(shù)，隔斷接地環(huán)路。當共模干擾內阻很小時(shí)上述方法已不能奏效，此時(shí)可以考慮將引入干擾的節點(diǎn)（例如處于惡劣的工作環(huán)境的現場(chǎng)儀表）浮置起來(lái)（也就是系統的電路地與機殼或大地隔離），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）；

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，但是仍然應該有一條地線(xiàn)將隔離側的公共端與其它接口的工作地相連（圖4d）。

瞬態(tài)保護

前面提到的接地措施只對低頻率的共模干擾有保護作用，對于頻率很高的瞬態(tài)干擾就無(wú)能為力了。因為引線(xiàn)電感的作用，對于高頻瞬態(tài)干擾來(lái)講，接地線(xiàn)實(shí)際等同于開(kāi)路。這樣的瞬態(tài)干擾可能會(huì )有成百上千伏的電壓，但持續時(shí)間很短。在切換大功率感性負載（電機、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，如果不加以適當防護就會(huì )損壞接口。對于這種瞬態(tài)干擾可以采用隔離或旁路的方法加以防護。

圖5：瞬態(tài)保護方案

圖5a所示為隔離保護方案。這種方案實(shí)際上將瞬態(tài)高壓轉移到隔離接口中的電隔離層上，由于隔離層的高絕緣電阻，不會(huì )產(chǎn)生損害性的浪涌電流，起到保護接口的作用。通常采用高頻變壓器、光耦等元件實(shí)現接口的電氣隔離，已有器件廠(chǎng)商將所有這些元件集成在一片IC中，使用起來(lái)非常簡(jiǎn)便，如Maxim公司的MAX1480/MAX1490，隔離電壓可以到2500V。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是可以承受高電壓、持續時(shí)間較長(cháng)的瞬態(tài)干擾，實(shí)現起來(lái)也比較容易，缺點(diǎn)是成本較高。