RS485基本概念及可靠性設(shè)計(jì)

　　以下是幾個(gè)485通信的實(shí)用電路：

　　以下是485接口的幾個(gè)典型問(wèn)題：

　　1 為何A端加上拉，B端加下拉?

　　由于RS-485芯片的特性，接收器的檢測(cè)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(duì)值小于200mV時(shí)，輸出為不確定。如果在總線上所有發(fā)送器被禁止時(shí)，接收器輸出邏輯0，這會(huì)誤認(rèn)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總線不發(fā)送期間(總線懸浮時(shí))呈現(xiàn)唯一的高電平，單片機(jī)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(1K歐姆)，即可很好地解決這個(gè)問(wèn)題。

　　2 為何串接20歐姆電阻?

　　考慮到線路的特殊情況(如某一臺(tái)分機(jī)的485芯片被擊穿短路)，為防止總線中其它分機(jī)的通信受到影響，在485信號(hào)輸出端串聯(lián)了兩個(gè)20Ω的電阻，使A端和B端與總線之間加以隔離，這樣本機(jī)的硬件故障就不會(huì)使整個(gè)總線的通信受到影響。

　　3 為何A端和B端要串接120歐姆電阻?

　　在應(yīng)用系統(tǒng)工程的現(xiàn)場(chǎng)施工中，由于通信載體是雙絞線，它的特性阻抗為120Ω左右，所以線路設(shè)計(jì)時(shí)，在RS-485網(wǎng)絡(luò)傳輸線的始端和末端各應(yīng)接1只120Ω的匹配電阻，以減少線路上傳輸信號(hào)的反射。

　　注：一般情況下不需要增加終端電阻，只有在485通信距離超過(guò)100米的情況下，要在485通訊的開(kāi)始端和結(jié)束端增加終端電阻。匹配電阻要消耗較大電流，不適用于功耗限制嚴(yán)格的系統(tǒng)。另外一種比較省電的匹配方案是RC 匹配(A端和B端串接一電阻和電容)，利用一只電容C 隔斷直流成分，可以節(jié)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(xiàn)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(hào)達(dá)到改善信號(hào)質(zhì)量的目的，節(jié)能效果顯著。

　　4 總線傳輸端如何保護(hù)?

　　輸出電路的設(shè)計(jì)要充分考慮到線路上的各種干擾及線路特性阻抗的匹配。由于工程環(huán)境比較復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)常有各種形式的干擾源，所以485總線的傳輸端一定要加有保護(hù)措施。在電路設(shè)計(jì)中采用穩(wěn)壓管(P6KE68)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/SN65LBC184等)。

　　5 為何DE控制端要默認(rèn)為0?

　　在RS-485總線構(gòu)筑的半雙工通信系統(tǒng)中，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中任一時(shí)刻只能有一個(gè)節(jié)點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)并向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，其他所有節(jié)點(diǎn)都必須處于接收狀態(tài)。如果有2個(gè)節(jié)點(diǎn)或2個(gè)以上節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，將會(huì)導(dǎo)致所有發(fā)送方的數(shù)據(jù)發(fā)送失敗。因此，在系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)中，應(yīng)首先力求避免因異常情況而引起本節(jié)點(diǎn)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)而導(dǎo)致總線數(shù)據(jù)沖突。以MCS51系列的單片機(jī)為例，因其在系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，I/O口都輸出高電平，如果把I/O口直接與RS-485接口芯片的驅(qū)動(dòng)器使能端DE相連，會(huì)在CPU復(fù)位期間使DE為高，從而使本節(jié)點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)。如果此時(shí)總線上有其他節(jié)點(diǎn)正在發(fā)送數(shù)據(jù)，則此次數(shù)據(jù)傳輸將被打斷而告失敗，甚至引起整個(gè)總線因某一節(jié)點(diǎn)的故障而通信阻塞，繼而影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行?？紤]到通信的穩(wěn)定性和可靠性，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中應(yīng)將控制RS485總線接口芯片的發(fā)送引腳設(shè)計(jì)成DE端的反邏輯，即控制引腳為邏輯“1”時(shí)，DE端為“0”;控制引腳為邏輯“0”時(shí)，DE端為“1”。

　　6 什么叫共模干擾和差模干擾?如何消除通訊線上的干擾?

　　485通信線由兩根雙絞的線組成，它是通過(guò)兩根通信線之間的電壓差的方式來(lái)傳遞信號(hào)，因此稱(chēng)之為差分電壓傳輸。差模干擾在兩根信號(hào)線之間傳輸，屬于對(duì)稱(chēng)性干擾。消除差模干擾的方法是在電路中增加一個(gè)偏值電阻,并采用雙絞線;共模干擾是在信號(hào)線與地之間傳輸，屬于非對(duì)稱(chēng)性干擾。消除共模干擾的方

　　法包括：

　　(1)采用屏蔽雙絞線并有效接地

　　(2)強(qiáng)電場(chǎng)的地方還要考慮采用鍍鋅管屏蔽

　　(3)布線時(shí)遠(yuǎn)離高壓線，更不能將高壓電源線和信號(hào)線捆在一起走線

　　(4)不要和電控鎖共用同一個(gè)電源

　　(5)采用線性穩(wěn)壓電源或高品質(zhì)的開(kāi)關(guān)電源(紋波干擾小于50mV)

　　7 485總線應(yīng)采用什么樣的通訊線?

　　必須采用國(guó)際上通行的屏蔽雙絞線。我們推薦用的屏蔽雙絞線的型號(hào)為RVSP2*0.5(二芯屏蔽雙絞線，每芯由16股的0.2mm的導(dǎo)線組成)。采用屏蔽雙絞線有助于減少和消除兩根485通信線之間產(chǎn)生的分布電容以及來(lái)自于通訊線周?chē)a(chǎn)生的共模干擾。工程商大都習(xí)慣采用5類(lèi)網(wǎng)線或超5類(lèi)網(wǎng)線作為485通信線，這是錯(cuò)誤的。這是因?yàn)椋?/p>

　　(1)普通網(wǎng)線沒(méi)有屏蔽層，不能防止共模干擾。

　　(2)網(wǎng)線只有0.2mm平方，線徑太細(xì)，會(huì)導(dǎo)致傳輸距離降低和可掛接的設(shè)備減

　　少。

　　(3)網(wǎng)絡(luò)線為單股的銅線，相比多芯線而言容易斷裂。

　　RS-485總線在實(shí)際工程中總是出現(xiàn)一些接線的問(wèn)題，注意，在接傳輸線時(shí)一定要用同樣的雙絞線或者同樣的電纜，有些人一段使用雙絞線，由于雙絞線長(zhǎng)度不夠或者在中間接上一段電話線或者是其他的線，這樣阻抗就不連續(xù)，產(chǎn)生很大的反射信號(hào)，通信是不能正常進(jìn)行的。

　　8 構(gòu)建RS485網(wǎng)絡(luò)需要注意哪些問(wèn)題?

　　RS-485支持半雙工或全雙工模式，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟话悴捎媒K端匹配的總線型結(jié)構(gòu)而不支持環(huán)形或星形網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建485網(wǎng)絡(luò)需要注意以下幾點(diǎn)：

　　(1) 最好采用一條總線將各個(gè)節(jié)點(diǎn)串接起來(lái)。從總線到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的引出線長(zhǎng)度應(yīng)盡量短，以便使引出線中的反射信號(hào)對(duì)總線信號(hào)的影響最低。有些網(wǎng)絡(luò)連接盡管不正確，在短距離、低速率仍可能正常工作，但隨著通信距離的延長(zhǎng)或通信速率的提高，其不良影響會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重，主要原因是信號(hào)在各支路末端反射后與原信號(hào)疊加，會(huì)造成信號(hào)質(zhì)量下降。

　　(2) 應(yīng)注意總線特性阻抗的連續(xù)性，在阻抗不連續(xù)點(diǎn)就會(huì)發(fā)生信號(hào)的反射。

　　下列幾種情況易產(chǎn)生這種不連續(xù)性：總線的不同區(qū)段采用了不同電纜，或某一段總線上有過(guò)多收發(fā)器緊靠在一起安裝，再者是過(guò)長(zhǎng)的分支線引出到總線。

　　(3) 終端負(fù)載電阻問(wèn)題:在設(shè)備少距離短的情況下不加終端負(fù)載電阻整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能很好的工作但隨著距離的增加性能將降低。理論上，在每個(gè)接收數(shù)據(jù)信號(hào)的中點(diǎn)進(jìn)行采樣時(shí)，只要反射信號(hào)在開(kāi)始采樣時(shí)衰減到足夠低就可以不考慮匹配。但這在實(shí)際上難以掌握.一條經(jīng)驗(yàn)性的原則可以用來(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?xún)?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。

　　注：終端匹配的方法可參考問(wèn)題3。

　　9 RS485網(wǎng)絡(luò)的最大傳輸距離和網(wǎng)絡(luò)最大節(jié)點(diǎn)數(shù)由哪些因素決定?

　　在使用RS485接口時(shí)，對(duì)于特定的傳輸線經(jīng)，從發(fā)生器到負(fù)載其數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸所允許的最大電纜長(zhǎng)度是數(shù)據(jù)信號(hào)速率的函數(shù)，這個(gè)長(zhǎng)度數(shù)據(jù)主要是受信號(hào)失真及噪聲等影響所限制。當(dāng)數(shù)據(jù)信號(hào)速率降低到90Kbit/S以下時(shí)，假定最大允許的信號(hào)損失為6dBV時(shí)，則電纜長(zhǎng)度被限制在1200M。盡管理論上RS485的最長(zhǎng)傳輸距離能達(dá)到1200米，但在實(shí)際應(yīng)用中傳輸?shù)木嚯x要比1200米短，具體能傳輸多遠(yuǎn)視周?chē)h(huán)境而定。在傳輸過(guò)程中可以采用增加中繼器或者集線器的方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，最多可以加八個(gè)中繼，也就是說(shuō)理論上RS485的最大傳輸距離可以達(dá)到9.6公理。利用485中繼器或485集線器，可以將一個(gè)大型485網(wǎng)絡(luò)分隔成若干個(gè)網(wǎng)段。485中繼器或485集線器就如同485網(wǎng)段之間連接的"橋梁"。當(dāng)然每個(gè)網(wǎng)段還是遵循上面485集線器是485中繼器概念的拓廣，它不僅解決了多分叉問(wèn)題，同時(shí)也解決了網(wǎng)段之間的485規(guī)范，即1.2公里長(zhǎng)度，32個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)間相互隔離的問(wèn)題，即某

　　一個(gè)網(wǎng)段出現(xiàn)問(wèn)題(例如短路等)，不至于影響到其它網(wǎng)段，從而極大地提高了大型網(wǎng)絡(luò)的安全性和穩(wěn)定性。如果真需要長(zhǎng)距離傳輸，可以采用光纖為傳播介質(zhì)，收發(fā)兩端各加一個(gè)光電轉(zhuǎn)換器，多模光纖的傳輸距離是5~10公里，而采用單模光纖可達(dá)50公里的傳播距離。

　　網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)與所選RS-485芯片驅(qū)動(dòng)能力和接收器的輸入阻抗有關(guān)，如75LBC184標(biāo)稱(chēng)最大值為64點(diǎn)，SP485R標(biāo)稱(chēng)最大值為400點(diǎn)。實(shí)際使用時(shí)，因線纜長(zhǎng)度、線徑、網(wǎng)絡(luò)分布、傳輸速率不同，實(shí)際節(jié)點(diǎn)數(shù)均達(dá)不到理論值。例如75LBC184運(yùn)用在500m分布的RS-485網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)數(shù)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(jié)點(diǎn)數(shù)按RS-485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)?nèi)，從通信效率、節(jié)點(diǎn)數(shù)、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(yīng)考慮通過(guò)增加中繼模塊或降低速率的方法提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性。

　　10 485通信的軟件設(shè)計(jì)要注意哪些?

　　軟件設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的可靠性有很大影響。由于485總線是異步半雙工的通信總線，在某一個(gè)時(shí)刻總線只可能呈現(xiàn)一種狀態(tài)，所以這種方式一般適用于主機(jī)對(duì)分機(jī)的查詢(xún)方式通信，總線上必然有一臺(tái)始終處于主機(jī)地位的設(shè)備在巡檢其他分機(jī)，這就需要制定一套合理的通信協(xié)議來(lái)協(xié)調(diào)總線的分時(shí)共用?？梢圆捎脭?shù)據(jù)包通信方式，通信數(shù)據(jù)是成幀、成包發(fā)送的，每包數(shù)據(jù)都由引導(dǎo)碼、地址碼、長(zhǎng)度碼、命令碼、內(nèi)容和校驗(yàn)碼等部分組成。其中： 引導(dǎo)碼是用于同步每一包數(shù)據(jù)的引導(dǎo)頭(如0x7E);地址碼是分機(jī)的本機(jī)地址號(hào);長(zhǎng)度碼是這一包數(shù)據(jù)的總長(zhǎng)度;命令碼是主機(jī)對(duì)分機(jī)(或分機(jī)應(yīng)答主機(jī))的控制命令;“內(nèi)容”是這一包數(shù)據(jù)里的各種信息;校驗(yàn)碼是這一包數(shù)據(jù)的校驗(yàn)標(biāo)志，可以采用奇偶校驗(yàn)、“和”校驗(yàn)

　　以及CRC校驗(yàn)等不同方式。此外，為了可靠的工作，在485總線狀態(tài)切換時(shí)需要做適當(dāng)延時(shí)，再進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。具體的做法是在數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)下，先將控制端DE置“1”，延時(shí)1ms左右的時(shí)間，再發(fā)送有效的數(shù)據(jù)，一包數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后再延時(shí)1ms后，將控制端置“0”。這樣的處理會(huì)使總線在狀態(tài)切換時(shí)，有一個(gè)穩(wěn)定的工作過(guò)程。11 485接口除了兩根通信線，為什么還要接地?僅僅用一對(duì)雙絞線將各個(gè)接口的A、B端連接起來(lái)，而不對(duì)RS-485通信鏈路的信號(hào)地接地，在某些情況下也可以工作，但給系統(tǒng)埋下了隱患。(1)共模干擾問(wèn)題： RS-485接口采用差分方式傳輸信號(hào)并不需要對(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。如下圖所示，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超出正常圍，在信號(hào)線上產(chǎn)生干擾電流輕則影響正常通信，重則損壞設(shè)備。(2)EMI問(wèn)題：發(fā)送驅(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。

　　12 RS-485與RS-422有何不同?

　　很多人往往都誤認(rèn)為RS-422串行接口是RS-485串行接口的全雙工版本，實(shí)際上，它們?cè)陔娖魈匦陨洗嬖谥簧俨町悾材ｋ妷悍秶徒邮掌鬏斎腚娮璨煌沟迷搩蓚€(gè)標(biāo)準(zhǔn)適用于不同的應(yīng)用領(lǐng)域。RS-485串行接口的驅(qū)動(dòng)器可用于RS-422串行接口的應(yīng)用中，因?yàn)镽S-485串行接口滿足所有的RS-422串行接口性能參數(shù)，反之則不能成立。對(duì)于RS-485串行接口的驅(qū)動(dòng)器，共模電壓的輸出范圍是-7V和+12V之間;對(duì)于RS-422串行接口的驅(qū)動(dòng)器，該項(xiàng)性能指標(biāo)僅有±7V。RS-422串行接口接收器的最小輸入電阻是4KΩ;而RS-485串行接口接收器的最小輸入電阻則是12KΩ。

　　13 RS-485有何規(guī)格要求?

　　RS-485標(biāo)準(zhǔn)采用平衡式發(fā)送，差分式接收的數(shù)據(jù)收發(fā)器來(lái)驅(qū)動(dòng)總線，支持多點(diǎn)通信，具體規(guī)格要求：

　　· 接收器的輸入電阻RIN≥12kΩ

　　· 驅(qū)動(dòng)器能輸出±7V的共模電壓

　　· 輸入端的電容≤50pF

　　· 在節(jié)點(diǎn)數(shù)為32個(gè)，配置了120Ω的終端電阻的情況下，驅(qū)動(dòng)器至少還能輸出電壓1.5V(終端電阻的大小與所用雙絞線的參數(shù)有關(guān))

　　· 接收器的輸入靈敏度為200mV(即(V+)-(V-)≥0.2V，表示信號(hào)"0";

　　(V+)-(V-)≤-0.2V，表示信號(hào)"1")

　　· 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。

　　14 PC機(jī)如何使用485通信?

　　由于PC機(jī)默認(rèn)的只帶有RS232接口，有兩種方法可以得到PC上位機(jī)的RS485電路：(1)通過(guò)RS232/RS485轉(zhuǎn)換電路將PC機(jī)串口RS232信號(hào)轉(zhuǎn)換成RS485信號(hào)，對(duì)

　　于情況比較復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境最好是選用防浪涌帶隔離珊的產(chǎn)品。(2)通過(guò)PCI多串口卡，可以直接選用輸出信號(hào)為RS485類(lèi)型的擴(kuò)展卡。

　　15 RS-485系統(tǒng)的出現(xiàn)故障該如何分析診斷、處理?

　　(1)若出現(xiàn)系統(tǒng)完全癱瘓，大多因?yàn)槟彻?jié)點(diǎn)芯片的VA、VB對(duì)電源擊穿，使用萬(wàn)用表測(cè)VA、VB間差模電壓為零，而對(duì)地的共模電壓大于3V，此時(shí)可通過(guò)測(cè)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(yuǎn);

　　(2)總線連續(xù)幾個(gè)節(jié)點(diǎn)不能正常工作。一般是由其中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)故障導(dǎo)致的。一個(gè)節(jié)點(diǎn)故障會(huì)導(dǎo)致鄰近的2～3個(gè)節(jié)點(diǎn)(一般為后續(xù))無(wú)法通信，因此將其逐一與總線脫離，如某節(jié)點(diǎn)脫離后總線能恢復(fù)正常，說(shuō)明該節(jié)點(diǎn)故障;

　　(3)集中供電的RS-485系統(tǒng)在上電時(shí)常常出現(xiàn)部分節(jié)點(diǎn)不正常，但每次又不完全一樣。這是由于對(duì)RS-485的收發(fā)控制端TC設(shè)計(jì)不合理，造成微系統(tǒng)上電時(shí)節(jié)點(diǎn)收發(fā)狀態(tài)混亂從而導(dǎo)致總線堵塞。改進(jìn)的方法是將各微系統(tǒng)加裝電源開(kāi)關(guān)然后分別上電;

　　(4)系統(tǒng)基本正常但偶爾會(huì)出現(xiàn)通信失敗。一般是由于網(wǎng)絡(luò)施工不合理導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性處于臨界狀態(tài)，最好改變走線或增加中繼模塊。應(yīng)急方法之一是將出現(xiàn)失敗的節(jié)點(diǎn)更換成性能更優(yōu)異的芯片;

　　(5)因MCU 故障導(dǎo)致TC 端處于長(zhǎng)發(fā)狀態(tài)而將總線拉死一片。提醒讀者不要忘記對(duì)TC 端的檢查。盡管RS-485 規(guī)定差模電壓大于200mV 即能正常工作。但實(shí)際測(cè)量：一個(gè)運(yùn)行良好的系統(tǒng)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(nèi))。