提高RS485總線運(yùn)行可靠性的設(shè)計(jì)應(yīng)用與維修方案

在MCU之間中長(zhǎng)距離通信的諸多方案中，RS485因硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、控制方便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于工廠自動(dòng)化、工業(yè)控制、小區(qū)監(jiān)控、水利自動(dòng)報(bào)測(cè)等領(lǐng)域。但RS485總線在抗干擾、自適應(yīng)、通信效率等方面仍存在缺陷，一些細(xì)節(jié)的處理不當(dāng)常會(huì)導(dǎo)致通信失敗甚至系統(tǒng)癱瘓等故障，因此提高RS485總線的運(yùn)行可靠性至關(guān)重要。

【RS485接口電路的硬件設(shè)計(jì)】

(1)總線匹配。一種是加匹配電阻，位于總線兩端的差分端口VA與VB之間應(yīng)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(yán)格的系統(tǒng)。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(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。(2)RO及DI端配置上拉電阻。異步通信數(shù)據(jù)以字節(jié)的方式傳送，在每一個(gè)字節(jié)傳送之前，先要通過(guò)一個(gè)低電平起始位實(shí)現(xiàn)握手。為防止干擾信號(hào)誤觸發(fā)RO(接收器輸出)產(chǎn)生負(fù)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(tǒng)上電時(shí)的RS485芯片處于接收輸入狀態(tài)。對(duì)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(duì)總線的干擾。(4)總線隔離。RS485總線為并接式二線制接口，一旦有一只芯片故障就可能將總線“拉死”，因此對(duì)其二線口VA、VB與總線之間應(yīng)加以隔離。通常在VA、VB與總線之間各串接一只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(wěn)壓管代替。(5)合理選用芯片.例如，對(duì)外置設(shè)備為防止強(qiáng)電磁(雷電)沖擊，建議選用TI的75LBC184等防雷擊芯片，對(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)要求較多的可選用SIPEX的SP485R。

【RS485網(wǎng)絡(luò)配置】

(1)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)與所選RS485芯片驅(qū)動(dòng)能力和接收器的輸入阻抗有關(guān)，如75LBC184標(biāo)稱最大值為64點(diǎn)，SP485R標(biāo)稱最大值為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RS485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以內(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。(2)節(jié)點(diǎn)與主干距離。理論上講，RS485節(jié)點(diǎn)與主干之間距離(T頭，也稱引出線)越短越好。T頭小于10m的節(jié)點(diǎn)采用T型，連接對(duì)網(wǎng)絡(luò)匹配并無(wú)太大影響，可放心使用，但對(duì)于節(jié)點(diǎn)間距非常小(小于1m，如LED模塊組合屏)應(yīng)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(jié)構(gòu)通信總線，大多用于一對(duì)多點(diǎn)的通信系統(tǒng)，因此主機(jī)(PC)應(yīng)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(yīng)用于一對(duì)多點(diǎn)的主從應(yīng)答式通信系統(tǒng)中，相對(duì)于RS232等全雙工總線效率低了許多，因此選用合適的通信協(xié)議及控制方式非常重要。(1)總線穩(wěn)態(tài)控制(握手信號(hào))。大多數(shù)使用者選擇在數(shù)據(jù)發(fā)送前1ms將收發(fā)控制端TC置成高電平，使總線進(jìn)入穩(wěn)定的發(fā)送狀態(tài)后才發(fā)送數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)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(zhuǎn)入接收狀態(tài)。據(jù)實(shí)際使用TC端的延時(shí)有4個(gè)機(jī)器周期已滿足要求。(2)為保證數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，對(duì)每個(gè)字節(jié)進(jìn)行校驗(yàn)的同時(shí)，應(yīng)盡量減少特征字和校驗(yàn)字。慣用的數(shù)據(jù)包格式由引導(dǎo)碼、長(zhǎng)度碼、地址碼、命令碼、數(shù)據(jù)、校驗(yàn)碼、尾碼組成，每個(gè)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度達(dá)20~30字節(jié)。在RS485系統(tǒng)中這樣的協(xié)議不太簡(jiǎn)練。推薦用戶使用MODBUS協(xié)議，該協(xié)議已廣泛應(yīng)用于水利、水文、電力等行業(yè)設(shè)備及系統(tǒng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中。

【RS485接口電路的電源、接地】

對(duì)于由MCU結(jié)合RS485微系統(tǒng)組建的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)優(yōu)先采用各微系統(tǒng)獨(dú)立供電方案，最好不要采用一臺(tái)大電源給微系統(tǒng)并聯(lián)供電，同時(shí)電源線(交直流)不能與RS485信號(hào)線共用同一股多芯電纜。RS485信號(hào)線宜選用截面積0.75mm2以上雙絞線而不是平直線。對(duì)于每個(gè)小容量直流電源選用線性電源LM7805比選用開關(guān)電源更合適，當(dāng)然應(yīng)注意LM7805的保護(hù)。(1)LM7805輸入端與地應(yīng)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(yīng)跨接470~1000μF電解電容和104pF獨(dú)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(xiàn)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(xiàn)場(chǎng)情況十分復(fù)雜，各個(gè)節(jié)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(dāng)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(yán)重時(shí)甚至?xí)龤酒蛢x器設(shè)備。解決此類問(wèn)題的方法是通過(guò)DC-DC將系統(tǒng)電源和RS485收發(fā)器的電源隔離；通過(guò)光耦將信號(hào)隔離，徹底消除共模電壓的影響。實(shí)現(xiàn)此方案的途徑可分為：(1)用光耦、帶隔離的DC-DC、RS485芯片構(gòu)筑電路；(2)使用二次集成芯片，如PS1480、MAX1480等。

【RS485系統(tǒng)的常見故障及處理方法】

RS485是一種低成本、易操作的通信系統(tǒng)，但是穩(wěn)定性弱同時(shí)相互牽制性強(qiáng)，通常有一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)整體或局部的癱瘓，而且又難以判斷。因此介紹一些維護(hù)RS485的常用方法。(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被電源擊穿，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RS485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)RS485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RS485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))。