提高RS-485網絡可靠性的若干措施

建議性標準RS-485作為一種多點、差分數據傳輸的電氣規范現已成為業界應用最為廣泛的標準通信接口之一。這種通信接口允許在簡單的一對雙絞線上進行多點、雙向通信、它所具有的噪聲抑制能力、數據傳輸速率、電纜長度及可靠性是其他標準無法比擬的。正因為此，許多不同領域都采用RS-485作為數據傳輸鏈路。例如汽車電子、電信設備、局域網、蜂窩基站、工業控制、儀器儀表等等。這項標準得到廣泛接受的另外一個原因是它的通用性。RS-485標準只對接口的電氣特性做出規定，而不涉及接插件、電纜或協議，在此基礎上用戶可以建立自己的高層通信協議。

---- 盡管RS-485標準已被廣泛接受，但是對于它在實際應用中的一些具體問題并沒有得到深入廣泛的認識，甚至存在著種種誤區，以至于影響到整個系統的性能。本文在回顧RS-485標準的基礎上，重點討論幾個實際應用中常被忽視的問題。

---- RS-485標準回顧
---- RS-485標準最初由電子工業協會（EIA）于1983年制訂并發布，后由TIA-通訊工業協會修訂后命名為TIA/EIA-485-A，不過工程師還是習慣地稱之為RS-485。RS-485由RS-422發展而來，后者是為彌補RS-232之不足而提出的。為改進RS-232通信距離短、速率低的缺點，RS-422定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到10Mbps，傳輸距離延長到4000英尺（速率低于100kbps時），并允許在一條平衡線上連接最多10個接收器。RS-422是一種單機發送、多機接收的單向、平衡傳輸規范，為擴展應用范圍，隨后又為其增加了多點、雙向通信能力，即允許多個發送器連接到同一條總線上，同時增加了發送器的驅動能力和沖突保護特性，擴展了總線共模范圍，這就是后來的EIA RS-485標準。

---- RS-485是一個電氣接口規范，它只規定了平衡驅動器和接收器的電特性，而沒有規定接插件、傳輸電纜和通信協議。RS-485標準定義了一個基于單對平衡線的多點、雙向（半雙工）通信鏈路，是一種極為經濟、并具有相當高噪聲抑制、傳輸速率、傳輸距離和寬共模范圍的通信平臺。RS-485接口的主要特點如下：

• 平衡偉輸；
• 多點通信；
• 驅動器輸出電壓（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）；
• 最大總線負載：32個單位負載（UL）；
• 最大傳輸速率：10Mbps；
• 最大電纜長度：4000英尺。

---- 網絡配置

圖1:幾種錯誤的網絡連接方式及 正確的方式

---- 有關總線上允許連接的收發器數標準并沒有做出規定，但規定了最大總線負載為32個單位負載（UL）。每單位負載的最大輸入電流為1.0mA/-0.8mA，相當于約12kΩ。為了擴展總線節點數，器件生產廠商增大收發器輸入電阻。例如MAX487，MAX1487的輸入電阻增加至48kΩ以上（1/4UL），節點數就可增加至128個，96kΩ輸入電阻的MAX1483允許節點數可到256個。

---- 總線匹配
---- 是否對RS-485總線進行終端匹配取決于數據傳輸速率、電纜長度及信號轉換速率。UART是在每個數據位的中點采樣數據的，只要反射信號在開始采樣時衰減到足夠低就可以不考慮匹配。有一條經驗性的準則可以用來判斷在什么樣的數據速率和電纜長度時需要進行匹配：當信號的轉換時間（上升或下降時間）超過電信號沿總線單向傳輸所需時間的3倍以上時就可以不加匹配。例如具有限斜率特性的RS-485接口MAX483輸出信號的上升或下降時間最小為250ns，典型雙絞線上的信號傳輸速率約為0.2m/ns（24AWG PVC電纜），那么只要數據速率在250kbps以內、電纜長度不超過16米，采用MAX483作為RS-485接口時就可以不加終端匹配。

---- 引出線
---- RS-485總線上的每個收發器通過一段引出線接入總線，引出線過長時，由于信號在引出線中的反射，也會影響總線上的信號質量。和前面的討論一樣，系統所能允許的引出線長度也和信號的轉換時間、數據速率有關。下面的經驗公式可以用來估算引出線的最大長度：
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---- 以MAX483為例，對應于250ns的上升/下降時間，總線允許的最大引出線長度約為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匹配、引出線長度的要求，改善信號質量，同時，還使信號中的高頻成分降低，減少電磁輻射，因此，有些器件生產廠商在RS-485接口器件中增加了擺率限制電路來減緩信號前后沿，但這種做法也限制了數據傳輸速率。由此看來，在選擇接口器件時，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標準規定接收器門限為±200mV。這樣規定能夠提供比較高的噪聲抑制能力，但同時也帶來了一個問題：當總線電壓在±200mV中間時接收器輸出狀態不確定。由于UART以一個前導"0"觸發一次接收動作，所以接收器的不定態可能會使UART錯誤地接收一些數據，導致系統誤動作。當總線空閑、開路或短路時都有可能出現兩線電壓差低于200mV的情況，必須采取一定措施避免接收器處于不定態。傳統的做法是給總線加偏置，當總線空閑或開路時，利用偏置電阻將總線偏置在一個確定的狀態（差分電壓≥200mV）。但這種方法仍然不能解決總線短路時的問題，為此，有些器件制造商將接收門限移到-200mV/-50mV，巧妙地解決了這個問題。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問題。

---- 地線與接地
---- 電子系統的接地是一個非常關鍵而又常常被忽視的問題，接地處理不當經常會導致不能穩定工作甚至危及系統安全。對于RS-485網絡來講也是一樣，沒有一個合理的接地系統可能會使系統的可靠性大打折扣，尤其是在工作環境比較惡劣的情況下，對于接地的要求更為嚴格。有關RS-485網絡的接地問題很少有資料提及，在設計者中也存在著很多誤區，致使通信可靠性降低、接口損壞率較高。一個典型的錯誤觀點就是認為RS-485通信鏈路不需要信號地，而只是簡單地用一對雙絞線將各個接口的"A"、"B"端連接起來。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題：

圖3:地電位差導致的共模干擾問題

• 共模干擾問題。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參照點來檢測信號，系統只需檢測兩線之間的電位差就可以了。但應該注意的是，收發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影響通信的可靠，直至損壞接口。如圖3所示，當發送器A向接收器B發送數據時，發送器A的輸出共模電壓為VOS，由于兩個系統具有各自獨立的接地系統，存在著地電位差VGPD。那么，接收器輸入端的共模電壓就會達到VCM=VOS+VGPD。RS-485標準規定VOS≤3V，但VGPD可能會有很大幅度（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，并在信號線上產生干擾電流，輕則影響正常通信，重則損壞接口。
• 電磁輻射（EMI）問題。驅動器輸出信號中的共模部分需要一個返回通路，如果沒有一個低阻的返回通道（信號地），就會以輻射的形式返回源端，整個總線就會像一個巨大的天線向外輻射電磁波。

---- 因此，盡管是差分傳輸，對于RS-485網絡來講，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接口的工作地連接起來，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（非屏蔽雙絞線）、或者是屏蔽雙絞線的屏蔽層。值得注意的是，這種做法僅對高阻型共模干擾有效，由于干擾源內阻大，短接后不會形成很大的接地環路電流，對于通信不會有很大影響。當共模干擾源內阻較低時，會在接地線上形成較大的環路電流，影響正常通信。筆者認為，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使共模電壓升高，但只要控制在適當的范圍內就不會影響正常通信（圖4b）；
2. 采用浮地技術，隔斷接地環路。當共模干擾內阻很小時上述方法已不能奏效，此時可以考慮將引入干擾的節點（例如處于惡劣的工作環境的現場儀表）浮置起來（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路，不會形成很大的環路電流（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，電路地必須與機殼或大地相連，不能懸浮，這時可以采用隔離接口來隔斷接地回路，但是仍然應該有一條地線將隔離側的公共端與其它接口的工作地相連（圖4d）。

---- 瞬態保護
---- 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干擾就無能為力了。因為引線電感的作用，對于高頻瞬態干擾來講，接地線實際等同于開路。這樣的瞬態干擾可能會有成百上千伏的電壓，但持續時間很短。在切換大功率感性負載（電機、變壓器、繼電器等）、閃電等過程中都會產生幅度很高的瞬態干擾，如果不加以適當防護就會損壞接口。對于這種瞬態干擾可以采用隔離或旁路的方法加以防護。

圖5：瞬態保護方案

---- 圖5b所示為旁路保護方案。這種方案利用瞬態抑制元件（如TVS、MOV、氣體放電管等）將危害性的瞬態能量旁路到大地，優點是成本較低，缺點是保護能力有限，只能保護一定能量以內的瞬態干擾，持續時間不能很長，而且需要有一條良好的連接大地的通道，實現起來比較困難。

---- 實際應用中可以將二者結合起來靈活運用（圖5c）。隔離接口對大幅度瞬態干擾進行隔離，而旁路元件保護隔離接口不被過高的瞬態電壓擊穿。

---- 結論
---- RS-485標準定義了一個極為堅固和可靠的通信鏈路，具有高噪聲抑制、寬共模范圍、長傳輸距離、沖突保護等特性，但一個真正可靠的RS-485網絡還有賴于合理的應用。合理的網絡布局、信號通道的連續性、周全的保護措施等，在設計之初就應該有一個總體規劃。