提高RS485總線(xiàn)運行可靠性的設計應用與維修方案

在MCU之間中長(cháng)距離通信的諸多方案中，RS485因硬件設計簡(jiǎn)單、控制方便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)廣泛應用于工廠(chǎng)自動(dòng)化、工業(yè)控制、小區監控、水利自動(dòng)報測等領(lǐng)域。但RS485總線(xiàn)在抗干擾、自適應、通信效率等方面仍存在缺陷，一些細節的處理不當常會(huì )導致通信失敗甚至系統癱瘓等故障，因此提高RS485總線(xiàn)的運行可靠性至關(guān)重要。

【RS485接口電路的硬件設計】

(1)總線(xiàn)匹配。一種是加匹配電阻，位于總線(xiàn)兩端的差分端口VA與VB之間應跨接120Ω匹配電阻，以減少由于不匹配而引起的反射、吸收噪聲，有效地抑制了噪聲干擾。但匹配電阻要消耗較大電流，不適用于功耗限制嚴格的系統。另外一種比較省電的匹配方案是RC匹配，利用一只電容C隔斷直流成分，可以節省大部分功率，但電容C的取值是個(gè)難點(diǎn)，需要在功耗和匹配質(zhì)量間進(jìn)行折衷。除上述兩種外還有一種采用二極管的匹配方案，這種方案雖未實(shí)現真正的匹配，但它利用二極管的鉗位作用，迅速削弱反射信號達到改善信號質(zhì)量的目的，節能效果顯著(zhù)。(2)RO及DI端配置上拉電阻。異步通信數據以字節的方式傳送，在每一個(gè)字節傳送之前，先要通過(guò)一個(gè)低電平起始位實(shí)現握手。為防止干擾信號誤觸發(fā)RO(接收器輸出)產(chǎn)生負跳變，使接收端MCU進(jìn)入接收狀態(tài)，建議RO外接10kΩ上拉電阻。(3)保證系統上電時(shí)的RS485芯片處于接收輸入狀態(tài)。對于收發(fā)控制端TC建議采用MCU引腳通過(guò)反相器進(jìn)行控制，不宜采用MCU引腳直接進(jìn)行控制，以防止MCU上電時(shí)對總線(xiàn)的干擾。(4)總線(xiàn)隔離。RS485總線(xiàn)為并接式二線(xiàn)制接口，一旦有一只芯片故障就可能將總線(xiàn)“拉死”，因此對其二線(xiàn)口VA、VB與總線(xiàn)之間應加以隔離。通常在VA、VB與總線(xiàn)之間各串接一只4~10Ω的PTC電阻，同時(shí)與地之間各跨接5V的TVS二極管，以消除線(xiàn)路浪涌干擾。如沒(méi)有PTC電阻和TVS二極管，可用普通電阻和穩壓管代替。(5)合理選用芯片.例如，對外置設備為防止強電磁(雷電)沖擊，建議選用TI的75LBC184等防雷擊芯片，對節點(diǎn)數要求較多的可選用SIPEX的SP485R。

【RS485網(wǎng)絡(luò )配置】

(1)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)數。網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)數與所選RS485芯片驅動(dòng)能力和接收器的輸入阻抗有關(guān)，如75LBC184標稱(chēng)最大值為64點(diǎn)，SP485R標稱(chēng)最大值為400點(diǎn)。實(shí)際使用時(shí)，因線(xiàn)纜長(cháng)度、線(xiàn)徑、網(wǎng)絡(luò )分布、傳輸速率不同，實(shí)際節點(diǎn)數均達不到理論值。例如75LBC184運用在500m分布的RS485網(wǎng)絡(luò )上節點(diǎn)數超過(guò)50或速率大于9.6kb/s時(shí)，工作可靠性明顯下降。通常推薦節點(diǎn)數按RS485芯片最大值的70%選取，傳輸速率在1200~9600b/s之間選取。通信距離1km以?xún)?，從通信效率、節點(diǎn)數、通信距離等綜合考慮選用4800b/s最佳。通信距離1km以上時(shí)，應考慮通過(guò)增加中繼模塊或降低速率的方法提高數據傳輸可靠性。(2)節點(diǎn)與主干距離。理論上講，RS485節點(diǎn)與主干之間距離(T頭，也稱(chēng)引出線(xiàn))越短越好。T頭小于10m的節點(diǎn)采用T型，連接對網(wǎng)絡(luò )匹配并無(wú)太大影響，可放心使用，但對于節點(diǎn)間距非常小(小于1m，如LED模塊組合屏)應采用星型連接，若采用T型或串珠型連接就不能正常工作。RS485是一種半雙工結構通信總線(xiàn)，大多用于一對多點(diǎn)的通信系統，因此主機(PC)應置于一端，不要置于中間而形成主干的T型分布。

【提高RS485通信效率】

RS485通常應用于一對多點(diǎn)的主從應答式通信系統中，相對于RS232等全雙工總線(xiàn)效率低了許多，因此選用合適的通信協(xié)議及控制方式非常重要。(1)總線(xiàn)穩態(tài)控制(握手信號)。大多數使用者選擇在數據發(fā)送前1ms將收發(fā)控制端TC置成高電平，使總線(xiàn)進(jìn)入穩定的發(fā)送狀態(tài)后才發(fā)送數據;數據發(fā)送完畢再延遲1ms后置TC端成低電平，使可靠發(fā)送完畢后才轉入接收狀態(tài)。據實(shí)際使用TC端的延時(shí)有4個(gè)機器周期已滿(mǎn)足要求。(2)為保證數據傳輸質(zhì)量，對每個(gè)字節進(jìn)行校驗的同時(shí)，應盡量減少特征字和校驗字。慣用的數據包格式由引導碼、長(cháng)度碼、地址碼、命令碼、數據、校驗碼、尾碼組成，每個(gè)數據包長(cháng)度達20~30字節。在RS485系統中這樣的協(xié)議不太簡(jiǎn)練。推薦用戶(hù)使用MODBUS協(xié)議，該協(xié)議已廣泛應用于水利、水文、電力等行業(yè)設備及系統的國際標準中。

【RS485接口電路的電源、接地】

對于由MCU結合RS485微系統組建的測控網(wǎng)絡(luò )，應優(yōu)先采用各微系統獨立供電方案，最好不要采用一臺大電源給微系統并聯(lián)供電，同時(shí)電源線(xiàn)(交直流)不能與RS485信號線(xiàn)共用同一股多芯電纜。RS485信號線(xiàn)宜選用截面積0.75mm2以上雙絞線(xiàn)而不是平直線(xiàn)。對于每個(gè)小容量直流電源選用線(xiàn)性電源LM7805比選用開(kāi)關(guān)電源更合適，當然應注意LM7805的保護。(1)LM7805輸入端與地應跨接220~1000μF電解電容；(2)LM7805輸入端與輸出端反接1N4007二極管；(3)LM7805輸出端與地應跨接470~1000μF電解電容和104pF獨石電容并反接1N4007二極管；(4)輸入電壓以8~10V為佳，最大允許范圍為6.5~24V?？蛇x用TI的PT5100替代LM7805，以實(shí)現9～38V的超寬電壓輸入。

【光電隔離】

在某些工業(yè)控制領(lǐng)域，由于現場(chǎng)情況十分復雜，各個(gè)節點(diǎn)之間存在很高的共模電壓。雖然RS485接口采用的是差分傳輸方式，具有一定的抗共模干擾的能力，但當共模電壓超過(guò)RS485接收器的極限接收電壓，即大于+12V或小于-7V時(shí)，接收器就再也無(wú)法正常工作了，嚴重時(shí)甚至會(huì )燒毀芯片和儀器設備。解決此類(lèi)問(wèn)題的方法是通過(guò)DC-DC將系統電源和RS485收發(fā)器的電源隔離；通過(guò)光耦將信號隔離，徹底消除共模電壓的影響。實(shí)現此方案的途徑可分為：(1)用光耦、帶隔離的DC-DC、RS485芯片構筑電路；(2)使用二次集成芯片，如PS1480、MAX1480等。

【RS485系統的常見(jiàn)故障及處理方法】

RS485是一種低成本、易操作的通信系統，但是穩定性弱同時(shí)相互牽制性強，通常有一個(gè)節點(diǎn)出現故障會(huì )導致系統整體或局部的癱瘓，而且又難以判斷。因此介紹一些維護RS485的常用方法。(1)若出現系統完全癱瘓，大多因為某節點(diǎn)芯片的VA、VB被電源擊穿，使用萬(wàn)用表測VA、VB間差模電壓為零，而對地的共模電壓大于3V，此時(shí)可通過(guò)測共模電壓大小來(lái)排查，共模電壓越大說(shuō)明離故障點(diǎn)越近，反之越遠。(2)總線(xiàn)連續幾個(gè)節點(diǎn)不能正常工作。一般是由其中的一個(gè)節點(diǎn)故障導致的。一個(gè)節點(diǎn)故障會(huì )導致鄰近的2～3個(gè)節點(diǎn)(一般為后續)無(wú)法通信，因此將其逐一與總線(xiàn)脫離，如某節點(diǎn)脫離后總線(xiàn)能恢復正常，說(shuō)明該節點(diǎn)故障。(3)集中供電的RS485系統在上電時(shí)常常出現部分節點(diǎn)不正常，但每次又不完全一樣。這是由于對RS485的收發(fā)控制端TC設計不合理，造成微系統上電時(shí)節點(diǎn)收發(fā)狀態(tài)混亂從而導致總線(xiàn)堵塞。改進(jìn)的方法是將各微系統加裝電源開(kāi)關(guān)然后分別上電。(4)系統基本正常但偶爾會(huì )出現通信失敗。一般是由于網(wǎng)絡(luò )施工不合理導致系統可靠性處于臨界狀態(tài)，最好改變走線(xiàn)或增加中繼模塊。應急方法之一是將出現失敗的節點(diǎn)更換成性能更優(yōu)異的芯片。(5)因MCU故障導致TC端處于長(cháng)發(fā)狀態(tài)而將總線(xiàn)拉死一片。提醒讀者不要忘記對TC端的檢查，盡管RS485規定差模電壓大于200mV即能正常工作。但實(shí)際測量：一個(gè)運行良好的系統其差模電壓一般在1.2V左右(因網(wǎng)絡(luò )分布、速率的差異有可能使差模電壓在0.8~1.5V范圍內)。