RS-485總線電平異常解決方案解析

各位工程師是否會遇到這樣的情況，測試單個RS-485設(shè)備數(shù)據(jù)無異常，但設(shè)備組網(wǎng)后，就出現(xiàn)通訊數(shù)據(jù)異常或連接失敗等情況。出錯的原因是什么？本文將從門限電平為你揭秘RS-485組網(wǎng)異常。

RS-485總線是具有結(jié)構(gòu)簡單、通信距離遠、通信速度高、成本低等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于工業(yè)通訊、電力監(jiān)控以及儀器儀表等行業(yè)。若總線上接有終端電阻，則在總線空閑狀態(tài)時，RS-485總線AB差分電壓可能處于門限電平（±200mV）之內(nèi)，這時可能會導致通信出錯，那么，出錯的原因是什么？MCU接收到的數(shù)據(jù)會發(fā)生什么樣的變化？

1、 數(shù)據(jù)出錯的原因

如圖 1所示為8位數(shù)據(jù)位無校驗位的UART時序圖，當使用UART進行通信時，MCU在檢測到起始位后開始接收其后的數(shù)據(jù)。

圖 1  無校驗位，8位數(shù)據(jù)位，串口時序圖

如圖 2所示為STM32串口外設(shè)檢測到起始位的條件，當檢測到下降沿（3個高電平+1個低電平）并且采樣序列1和采樣序列2均為0時，STM32檢測到一個起始位。

每個位采樣16次，采樣點的間隔時間為tbit/16，tbit為每個位的時間，例如通信波特率為115.2kbps，則tbit=1/115.2k=8.68us，則采樣點的間隔時間為8.68us/16=0.5425us。

圖 2  STM32串口外設(shè)檢測到起始位的條件

下面以RSM485PCHT的門限電平為例進行說明，當AB差分電壓處于±200mV之內(nèi)時，模塊RXD引腳輸出狀態(tài)不確定。

當總線變?yōu)榭臻e時，若RXD引腳輸出低電平，則可能導致MCU接收到錯誤數(shù)據(jù)或MCU在正常數(shù)據(jù)后誤接收1個0x00。

圖 3  RSM485PCHT門限電平

2、 數(shù)據(jù)發(fā)生了什么變化?

如圖 4所示，收發(fā)器1在AB差分電壓處于±200mV門限電平之內(nèi)時輸出高電平，收發(fā)器2在AB差分電壓處于±200mV門限電平之內(nèi)時輸出低電平，可以看出，收發(fā)器2可能導致MCU接收到錯誤的數(shù)據(jù)，并且在數(shù)據(jù)后誤接收到1個0x00數(shù)據(jù)。

圖 4  數(shù)據(jù)后多0x00

如圖 5所示，若總線上持續(xù)存在數(shù)據(jù)信號或連續(xù)發(fā)送多個字節(jié)數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)之間存在的空閑狀態(tài)可能會被收發(fā)器2識別為1個起始位，從而導致數(shù)據(jù)連續(xù)錯誤。

圖 5  數(shù)據(jù)連續(xù)錯誤

3、 解決方案

總線空閑時若AB差分電壓處于門限電平之內(nèi)，則可能導致數(shù)據(jù)出錯，可以使用如下方法避免總線空閑時AB差分電壓處于門限電平之內(nèi)。

方案一：在總線組網(wǎng)距離偏長時，為避免因為總線信號反射而導致通訊異常的情況，都會增加終端電阻來解決總線反射問題，但此時總線電平會被拉低，從而增大總線空閑時AB差分電壓處于門限電平之內(nèi)的風險，具體入下圖6所示。面對此類應(yīng)用可使用致遠電子RSM(3)485PCHT模塊，RS-485接口設(shè)計時可通過外置一個較小值的上下拉電阻調(diào)節(jié)空閑狀態(tài)時的電壓值，使電平處于門限電平外，具體的幅值變化如下圖7所示。

圖6  終端電阻對總線電平影響

圖7  RSM(3)485PCHT實物及應(yīng)用連接圖

方案二：組網(wǎng)中增加終端電阻后，同樣可使用致遠電子RSM(3)485ECHT模塊，RSM(3)485ECHT具備極高的總線兼容性門限電平為-40mV~-20mV，具體如下圖8所示，在總線電平被終端電阻拉低時（最壞情況總線高電平幅值為0V）仍可識別總線電平，保證通訊的穩(wěn)定性。

圖8  RSM(3)485ECHT實物圖及門限電平參數(shù)