RS485應用電路圖

1 問(wèn)題的提出

在應用系統中，RS-485半雙工異步通信總線(xiàn)是被各個(gè)研發(fā)機構廣泛使用的數據通信總線(xiàn)，它往往應用在集中控制樞紐與分散控制單元之間。系統簡(jiǎn)圖如圖1所示。


圖1. RS-485系統示意圖

由于實(shí)際應用系統中，往往分散控制單元數量較多，分布較遠，現場(chǎng)存在各種干擾，所 以通信的可靠性不高，再加上軟硬件設計的不完善，使得實(shí)際工程應用中如何保障RS-485總線(xiàn)的通信的可靠性成為各研發(fā)機構的一塊心病。

在使用RS-485總線(xiàn)時(shí),如果簡(jiǎn)單地按常規方式設計電路，在實(shí)際工程中可能有以下兩個(gè)問(wèn)題出現。一是通信數據收發(fā)的可靠性問(wèn)題；二是在多機通信方式下，一個(gè)節點(diǎn)的故障（如死機），往往會(huì )使得整個(gè)系統的通信框架崩潰，而且給故障的排查帶來(lái)困難。

針對上述問(wèn)題，我們對485總線(xiàn)的軟硬件采取了具體的改進(jìn)措施

2 硬件電路的設計

現以8031單片機自帶的異步通信口，外接75176芯片轉換成485總線(xiàn)為例。其中為了實(shí)現
總線(xiàn)與單片機系統的隔離，在8031的異步通信口與75176之間采用光耦隔離。電路原理圖如
圖2所示。

圖 2 改進(jìn)后的485通信口原理圖

充分考慮現場(chǎng)的復雜環(huán)境，在電路設計中注意了以下三個(gè)問(wèn)題。

2.1 SN75176 485芯片DE控制端的設計

由于應用系統中，主機與分機相隔較遠，通信線(xiàn)路的總長(cháng)度往往超過(guò)400米，而分機系統上電或復位又常常不在同一個(gè)時(shí)刻完成。如果在此時(shí)某個(gè)75176的DE端電位為“１”，那么它的485總線(xiàn)輸出將會(huì )處于發(fā)送狀態(tài)，也就是占用了通信總線(xiàn)，這樣其它的分機就無(wú)法與 主機進(jìn)行通信。這種情況尤其表現在某個(gè)分機出現異常情況下（死機），會(huì )使整個(gè)系統通信崩潰。因此在電路設計時(shí)，應保證系統上電復位時(shí)75176的DE端電位為“0”。由于8031在復位期間，I/O口輸出高電平，故圖2電路的接法有效地解決復位期間分機“咬”總線(xiàn)的問(wèn)題。

2.2 隔離光耦電路的參數選取

在應用系統中，由于要對現場(chǎng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監控及響應，通信數據的波特率往往做得較高（通常都在4800波特以上）。限制通信波特率提高的“瓶頸”，并不是現場(chǎng)的導線(xiàn)（現場(chǎng)施工一般使用5類(lèi)非屏蔽的雙絞線(xiàn)），而是在與單片機系統進(jìn)行信號隔離的光耦電路上。此處采用TIL117。電路設計中可以考慮采用高速光耦，如6N137、6N136等芯片，也可以?xún)?yōu)化普通光耦電路參數的設計，使之能工作在最佳狀態(tài)。例如：電阻R2、R3如果選取得較大，將會(huì )使光耦的發(fā)光管由截止進(jìn)入飽和變得較慢；如果選取得過(guò)小，退出飽和也會(huì )很慢，所以這兩只電阻的數值要精心選取，不同型號的光耦及驅動(dòng)電路使得這兩個(gè)電阻的數值略有差異，這一點(diǎn)在電路設計中要特別慎重，不能隨意，通?？梢杂蓪?shí)驗來(lái)定。

2.3 485總線(xiàn)輸出電路部分的設計

輸出電路的設計要充分考慮到線(xiàn)路上的各種干擾及線(xiàn)路特性阻抗的匹配。由于工程環(huán)境比較復雜，現場(chǎng)常有各種形式的干擾源，所以485總線(xiàn)的傳輸端一定要加有保護措施。在電路設計中采用穩壓管D1、D2組成的吸收回路，也可以選用能夠抗浪涌的TVS瞬態(tài)雜波抑制器件，或者直接選用能抗雷擊的485芯片（如SN75LBC184等）。

考慮到線(xiàn)路的特殊情況（如某一臺分機的485芯片被擊穿短路），為防止總線(xiàn)中其它分機的通信受到影響，在75176的485信號輸出端串聯(lián)了兩個(gè)20Ω的電阻R10、R11。這樣本機的硬件故障就不會(huì )使整個(gè)總線(xiàn)的通信受到影響。

在應用系統工程的現場(chǎng)施工中，由于通信載體是雙絞線(xiàn)，它的特性阻抗為120Ω左右，所以線(xiàn)路設計時(shí)，在RS-485網(wǎng)絡(luò )傳輸線(xiàn)的始端和末端各應接1只120Ω的匹配電阻（如圖2中R8），以減少線(xiàn)路上傳輸信號的反射。

由于RS-485芯片的特性，接收器的檢測靈敏度為± 200mV，即差分輸入端VA－VB ≥ +200mV，輸出邏輯1，VA－VB ≤－200mV，輸出邏輯0；而A、B端電位差的絕對值小于200mV 時(shí)，輸出為不確定。如果在總線(xiàn)上所有發(fā)送器被禁止時(shí)，接收器輸出邏輯0，這會(huì )誤認為通信幀的起始引起工作不正常。解決這個(gè)問(wèn)題的辦法是人為地使A端電位高于B兩端電位，這樣RXD的電平在485總線(xiàn)不發(fā)送期間（總線(xiàn)懸浮時(shí)）呈現唯一的高電平，8031單片機就不會(huì )被誤中斷而收到亂字符。通過(guò)在485電路的A、B輸出端加接上拉、下拉電阻R7、R9，即可很好地解決這個(gè)問(wèn)題。

3 軟件的編程

485芯片的軟件編程對產(chǎn)品的可靠性也有很大影響。由于485總線(xiàn)是異步半雙工的通信總線(xiàn)，在某一個(gè)時(shí)刻，總線(xiàn)只可能呈現一種狀態(tài)，所以這種方式一般適用于主機對分機的查詢(xún)方式通信，總線(xiàn)上必然有一臺始終處于主機地位的設備在巡檢其它的分機，所以需要制定一套合理的通信協(xié)議來(lái)協(xié)調總線(xiàn)的分時(shí)共用。這里采用的是數據包通信方式。通信數據是成幀成包發(fā)送的，每包數據都有引導碼、長(cháng)度碼、地址碼、命令碼、內容、校驗碼等部分組成。其中引導碼是用于同步每一包數據的引導頭；長(cháng)度碼是這一包數據的總長(cháng)度；命令碼是主機對分機（或分機應答主機）的控制命令；地址碼是分機的本機地址號；“內容”是這一包數據里的各種信息；校驗碼是這一包數據的校驗標志，可以采用奇偶校驗、和校驗等不同的方式。

在485芯片的通信中，尤其要注意對485控制端DE的軟件編程。為了可靠的工作，在485總線(xiàn)狀態(tài)切換時(shí)需要做適當延時(shí)，再進(jìn)行數據的收發(fā)。具體的做法是在數據發(fā)送狀態(tài)下，先將控制端置“1”，延時(shí)1ms左右的時(shí)間，再發(fā)送有效的數據，一包數據發(fā)送結束后再延時(shí)1ms后，將控制端置“0”。這樣的處理會(huì )使總線(xiàn)在狀態(tài)切換時(shí)，有一個(gè)穩定的工作過(guò)程。

4 結論

經(jīng)過(guò)以上的軟硬件共同處理，RS-485總線(xiàn)在應用系統工程中的可靠性大大提高，在通常的環(huán)境條件下，24小時(shí)連續開(kāi)機，系統的通信始終處于正常狀態(tài)，整機性能滿(mǎn)足了現場(chǎng)工程的需要。

但是RS-485總線(xiàn)仍然只是一種常規的通信總線(xiàn)，它不能夠做總線(xiàn)的自動(dòng)仲裁，也就是不能夠同時(shí)發(fā)送數據以避免總線(xiàn)競爭，所以整個(gè)系統的通信效率必然較低，數據的冗余量較大，對于速度要求高的應用場(chǎng)所不適宜用RS-485總線(xiàn)。同時(shí)由于RS-485總線(xiàn)上通常只有一臺主機，所以這種總線(xiàn)方式是典型的集中－分散型控制系統。一旦主機出現故障，會(huì )使整個(gè)系統的通信陷于癱瘓狀態(tài)，因此做好主機的在線(xiàn)熱備份是一個(gè)重要措施。

盡管RS-485總線(xiàn)存在這樣那樣的問(wèn)題，但由于它的線(xiàn)路設計簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、控制方便，只要合理的使用在某些場(chǎng)所仍然能發(fā)揮良好的作用。