提高RS-485網(wǎng)絡(luò)可靠性的若干措施

引出線

RS-485總線上的每個收發(fā)器通過一段引出線接入總線，引出線過長時(shí)，由于信號在引出線中的反射，也會影響總線上的信號質(zhì)量。和前面的討論一樣，系統(tǒng)所能允許的引出線長度也和信號的轉(zhuǎn)換時(shí)間、數(shù)據(jù)速率有關(guān)。下面的經(jīng)驗(yàn)公式可以用來估算引出線的最大長度：

Lmax=（tRISE×0.2m/ns）/10

以MAX483為例，對應(yīng)于250ns的上升/下降時(shí)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(zhì)量，同時(shí)，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(chǎn)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(shù)據(jù)傳輸速率。由此看來，在選擇接口器件時(shí)，并不是速率越高越好，應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)要求，選擇最低速率的器件。

失效保護(hù)

RS-485標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定接收器門限為±200mV。這樣規(guī)定能夠提供比較高的噪聲抑制能力，但同時(shí)也帶來了一個問題：當(dāng)總線電壓在±200mV中間時(shí)接收器輸出狀態(tài)不確定。由于UART以一個前導(dǎo)0觸發(fā)一次接收動作，所以接收器的不定態(tài)可能會使UART錯誤地接收一些數(shù)據(jù)，導(dǎo)致系統(tǒng)誤動作。當(dāng)總線空閑、開路或短路時(shí)都有可能出現(xiàn)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(tài)。傳統(tǒng)的做法是給總線加偏置，當(dāng)總線空閑或開路時(shí)，利用偏置電阻將總線偏置在一個確定的狀態(tài)（差分電壓≥200mV）。但這種方法仍然不能解決總線短路時(shí)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(hù)問題。

地線與接地

電子系統(tǒng)的接地是一個非常關(guān)鍵而又常常被忽視的問題，接地處理不當(dāng)經(jīng)常會導(dǎo)致不能穩(wěn)定工作甚至危及系統(tǒng)安全。對于RS-485網(wǎng)絡(luò)來講也是一樣，沒有一個合理的接地系統(tǒng)可能會使系統(tǒng)的可靠性大打折扣，尤其是在工作環(huán)境比較惡劣的情況下，對于接地的要求更為嚴(yán)格。有關(guān)RS-485網(wǎng)絡(luò)的接地問題很少有資料提及，在設(shè)計(jì)者中也存在著很多誤區(qū)，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(diǎn)就是認(rèn)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(tǒng)埋下了隱患，主要有以下兩方面的問題：

圖3:地電位差導(dǎo)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(diǎn)來檢測信號，系統(tǒng)只需檢測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影響通信的可靠，直至損壞接口。如圖3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達(dá)到VCM=VOS+VGPD。RS-485標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定VOS≤3V，但VGPD可能會有很大幅度（十幾伏甚至數(shù)十伏），并可能伴有強(qiáng)干擾信號，致使接收器共模輸入VCM超出正常范圍，并在信號線上產(chǎn)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(qū)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(wǎng)絡(luò)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(nèi)阻大，短接后不會形成很大的接地環(huán)路電流，對于通信不會有很大影響。當(dāng)共模干擾源內(nèi)阻較低時(shí)，會在接地線上形成較大的環(huán)路電流，影響正常通信。筆者認(rèn)為，可以采取以下三種措施：

圖4:地線與接地方案

若干擾源內(nèi)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(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)就不會影響正常通信（圖4b）；

采用浮地技術(shù)，隔斷接地環(huán)路。當(dāng)共模干擾內(nèi)阻很小時(shí)上述方法已不能奏效，此時(shí)可以考慮將引入干擾的節(jié)點(diǎn)（例如處于惡劣的工作環(huán)境的現(xiàn)場儀表）浮置起來（也就是系統(tǒng)的電路地與機(jī)殼或大地隔離），這樣就隔斷了接地環(huán)路，不會形成很大的環(huán)路電流（圖4c）；

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(jī)殼或大地相連，不能懸浮，這時(shí)可以采用隔離接口來隔斷接地回路，但是仍然應(yīng)該有一條地線將隔離側(cè)的公共端與其它接口的工作地相連（圖4d）。

瞬態(tài)保護(hù)

前面提到的接地措施只對低頻率的共模干擾有保護(hù)作用，對于頻率很高的瞬態(tài)干擾就無能為力了。因?yàn)橐€電感的作用，對于高頻瞬態(tài)干擾來講，接地線實(shí)際等同于開路。這樣的瞬態(tài)干擾可能會有成百上千伏的電壓，但持續(xù)時(shí)間很短。在切換大功率感性負(fù)載（電機(jī)、變壓器、繼電器等）、閃電等過程中都會產(chǎn)生幅度很高的瞬態(tài)干擾，如果不加以適當(dāng)防護(hù)就會損壞接口。對于這種瞬態(tài)干擾可以采用隔離或旁路的方法加以防護(hù)。

圖5：瞬態(tài)保護(hù)方案

圖5a所示為隔離保護(hù)方案。這種方案實(shí)際上將瞬態(tài)高壓轉(zhuǎn)移到隔離接口中的電隔離層上，由于隔離層的高絕緣電阻，不會產(chǎn)生損害性的浪涌電流，起到保護(hù)接口的作用。通常采用高頻變壓器、光耦等元件實(shí)現(xiàn)接口的電氣隔離，已有器件廠商將所有這些元件集成在一片IC中，使用起來非常簡便，如Maxim公司的MAX1480/MAX1490，隔離電壓可以到2500V。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是可以承受高電壓、持續(xù)時(shí)間較長的瞬態(tài)干擾，實(shí)現(xiàn)起來也比較容易，缺點(diǎn)是成本較高。