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提高RS-485网络可靠性的若干措施-1-提高提高提高提高RS-485网络可靠性的若干措施网络可靠性的若干措施网络可靠性的若干措施网络可靠性的若干措施Maxim北京办事处徐继红简介简介简介简介本文在回顾RS-485标准的基础上从几个方面简要讨论了提高RS-485网络可靠性的一些措施关键词关键词关键词关键词RS-485接口网络数据通信建议性标准RS-485作为一种多点差分数据传输的电气规范现已成为业界应用最为广泛的标准通信接口之一这种通信接口允许在简单的一对双绞线上进行多点双向通信它所具有的噪声抑制能力数据传输速率电缆长度及可靠性是其他标准无法比拟的正因为此许多不同领域都采用RS-485作为数据传输链路例如汽车电子电信设备局域网蜂窝基站工业控制仪器仪表等等这项标准得到广泛接受的另外一个原因是它的通用性RS-485标准只对接口的电气特性做出规定而不涉及接插件电缆或协议在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议尽管RS-485标准已被广泛接受但是对于它在实际应用中的一些具体问题并没有得到深入广泛的认识甚至存在着种种误区以至于影响到整个系统的性能本文在回顾RS-485标准的基础上重点讨论几个实际应用中常被忽视的问题RS-485标准回顾标准回顾标准回顾标准回顾RS-485标准最初由电子工业协会EIA于1983年制订并发布后由TIA—通讯工业协会修订后命名为TIA/EIA-485-A不过工程师还是习惯地称之为RS-485RS-485由RS-422发展而来后者是为弥补RS-232之不足而提出的为改进RS-232通信距离短速率低的缺点RS-422定义了一种平衡通信接口将传输速率提高到10Mbps传输距离延长到4000英尺速率低于100kbps时并允许在一条平衡线上连接最多10个接收器RS-422是一种单机发送多机接收的单向平衡传输规范为扩展应用范围随后又为其增加了多点双向通信能力即允许多个发送器连接到同一条总线上同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性扩展了总线共模范围这就是后来的EIARS-485标准RS-485是一个电气接口规范它只规定了平衡驱动器和接收器的电特性而没有规定接插件传输电缆和通信协议RS-485标准定义了一个基于单对平衡线的多点双向半双工通信链路是一种极为经济并具有相当高噪声抑制传输速率传输距离和宽共模范围的通信平台RS-485接口的主要特点如下!平衡传输!多点通信!驱动器输出电压带载|1.5V|!接收器输入门限200mV!-7V至+12V总线共模范围!最大输入电流1.0mA/-0.8mA12Vin/-7Vin!最大总线负载32个单位负载UL!最大传输速率10Mbps!最大电缆长度4000英尺网络配置网络配置网络配置网络配置RS-485支持半双工或全双工模式网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构不支持环形或星型网络最好采用一条总线将各个节点串接起来从总线到每个节点的引出线长度应尽量短以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低图1所示为实际应用中常见和更正的连接方式b,d,f图中a,c,e三种不恰当的网络连接尽管在某些情况下短距离低速率仍然可以正常工作但随着通信距离的延长或通信速率的提高其不良影响会越来越严重主要原因是信号在各支路末端反射后与原信号叠加造成信号质量下降除此之外还应注意总线特性阻抗的连续性在阻抗不连续点也会发生信号的反射例如总线的不同区段采用不同电缆某一段总线上有过多收发器紧靠在一起安装或者是有过长分支线引出总线时都会出现阻抗不连续点总之应该提供一条单一连续的信号通道作为总线有关总线上允许连接的收发器数标准并没有做出规定但规定了最大总线负载为32个单位负载UL每单位负载的最大输入电流为1.0mA/-0.8mA相当于约12k为了扩展总线节点数器件生产厂商增大收发器输入电阻例如MAX487,MAX1487的输入电阻增加至48k以上1/4UL节点数就可增加至128个96k输入电阻的MAX1483允许节点数可到256个总线匹配总线匹配总线匹配总线匹配是否对RS-485总线进行终端匹配取决于数据传输速率电缆长度及信号转换速率UART是在每个数据位的中点采样数据的只要反射信号在开始采样时衰减到足够低就可以不考虑匹配有一条经验性的准则可以用来判断在什么样的数据速率和电缆长度时需要进行匹配当信号的转换时间上升或下降时间超过电信号沿总线单向传输所需时间的3倍以上时就可以不加匹配例如具有限斜率特性的RS-485接口MAX483输出信号的上升或下降时间最小为250ns典型双绞线上的信号传输速率约为0.2m/ns24AWGPVC电缆那么只要数据速率在250kbps以内电缆长度不超过16米采用MAX483作为RS-485接口时就可以不加终端匹配当考虑终端匹配时有多种匹配方案可以选择最简单的就是在总线两端各接一只阻值等于电缆特性阻抗的电阻图2a大多数双绞线特性阻抗大约在100至120之间这种匹配方法简单有效但有一个缺点匹配电阻要消耗较大电流对于功耗限制比较严格的系统不太适合另外一种比较省电的匹配方案是RC匹配图2b利用一只电容C隔断直流成分可以节省大部分功率但电容C的取值是个难点需要在功耗和匹配质量间进行折衷除上述两种外还有一种采用二极管的匹配方案图2c这种方案虽未实现真正的匹配但它利用二极管的钳位作用迅速削弱反射信号达到改善信号质量的目的节能效果显著引出线引出线引出线引出线RS-485总线上的每个收发器通过一段引出线接入总线引出线过长时由于信号在引出线中的反射也会影响总线上的信号质量和前面的讨论一图1.几种错误的网络连接方式及更正方式图2.几种终端匹配方案=(tRISE0.2m/ns)/10以MAX483为例对应于250ns的上升/下降时间总线允许的最大引出线长度约为5米从以上的分析可以看出减缓信号的前后沿斜率有利于降低对于总线匹配引出线长度的要求改善信号质量同时还使信号中的高频成分降低减少电磁辐射因此有些器件生产厂商在RS-485接口器件中增加了摆率限制电路来减缓信号前后沿但这种做法也限制了数据传输速率由此看来在选择接口器件时并不是速率越高越好应该根据系统要求选择最低速率的器件失效保护失效保护失效保护失效保护RS-485标准规定接收器门限为200mV这样规定能够提供比较高的噪声抑制能力但同时也带来了一个问题当总线电压在200mV中间时接收器输出状态不确定由于UART以一个前导0触发一次接收动作所以接收器的不定态可能会使UART错误地接收一些数据导致系统误动作当总线空闲开路或短路时都有可能出现两线电压差低于200mV的情况必须采取一定措施避免接收器处于不定态传统的做法是给总线加偏置当总线空闲或开路时利用偏置电阻将总线偏置在一个确定的状态差分电压200mV但这种方法仍然不能解决总线短路时的问题为此有些器件制造商将接收门限移到-200mV/-50mV巧妙地解决了这个问题例如Maxim公司的MAX3080系列RS-485接口不但省去了外部偏置电阻而且解决了总线短路情况下的失效保护问题地线与接地地线与接地地线与接地地线与接地电子系统的接地是一个非常关键而又常常被忽视的问题接地处理不当经常会导致不能稳定工作甚至危及系统安全对于RS-485网络来讲也是一样没有一个合理的接地系统可能会使系统的可靠性大打折扣尤其是在工作环境比较恶劣的情况下对于接地的要求更为严格有关RS-485网络的接地问题很少有资料提及在设计者中也存在着很多误区致使通信的可靠性降低接口损坏率较高一个典型的错误观点就是认为RS-485通信链路不需要信号地而只是简单地用一对双绞线将各个接口的AB端连接起来这种处理方法在某些情况下也可以工作但给系统埋下了隐患主要有以下两方面的问题!共模干扰问题的确RS-485接口采用差分方式传输信号并不需要相对于某个参照点来检测信号系统只需检测两线之间的电位差就可以了但应该注意的是收发器只有在共模电压不超出一定范围-7V至+12V的条件下才能正常工作当共模电压超出此范围就会影响通信的可靠直至损坏接口如图3所示当发送器A向接收器B发送数据时发送器A的输出共模电压为VOS由于两个系统具有各自独立的接地系统存在着地电位差VGPD那么接收器输入端的共模电压就会达到VCM=VOS+VGPDRS-485标准规定VOS3V但VGPD可能会有很大幅度十几伏甚至数十伏并可能伴有强干扰信号致使接收器共模输入VCM超出正常范围并在信号线上产生干扰电流轻则影响正常通信重则损坏图3.地电位差导致的共模干扰问题地线与接地方案接口!电磁辐射EMI问题驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路如果没有一个低阻的返回通道信号地就会以辐射的形式返回源端整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波因此尽管是差分传输对于RS-485网络来讲一条低阻的信号地还是必不可少的如图4a所示一条低阻的信号地将两个接口的工作地连接起来使共模干扰电压VGPD被短路这条信号地可以是额外的一对线非屏蔽双绞线或者是屏蔽双绞线的屏蔽层值得注意的是这种做法仅对高阻型共模干扰有效由于干扰源内阻大短接后不会形成很大的接地环路电流对于通信不会有很大影响当共模干扰源内阻较低时会在接地线上形成较大的环路电流影响正常通信笔者认为可以采取以下三种措施1.若干扰源内阻不是非常小可以考虑在接地线上加限流电阻限制干扰电流接地电阻的增加可能会使共模电压升高但只要控制在适当的范围内就不会影响正常通信图4b2.采用浮地技术隔断接地环路当共模干扰内阻很小时上述方法已不能奏效此时可以考虑将引入干扰的节点例如处于恶劣的工业环境的现场仪表浮置起来也就是系统的电路地与机壳或大地隔离这样就隔断了接地环路不会形成很大的环路电流图4c3.采用隔离接口有些情况下出于安全或其他方面的考虑电路地必须与机壳或大地相连不能悬浮这时可以采用隔离接口来隔断接地回路但是仍然应该有一条地线将隔离侧的公共端与其它接口的工作地相连图4d瞬态保护瞬态保护瞬态保护瞬态保护前面提到的接地措施只对低频率的共模干扰有保护作用对于频率很高的瞬态干扰就无能为力了因为引线电感的作用对于高频瞬态干扰来讲接地线实际等同于开路这样的瞬态干扰可能会有成百上千伏的电压但持续时间很短在切换大功率感性负载电机变压器继电器等闪电等过程中都会产生幅度很高的瞬态干扰如果不加以适当防护就会损坏接口对于这种瞬态干扰可以采用隔离或旁路的方法加以防护图5a所示为隔离保护方案这种方案实际上将瞬态高压转移到隔离接口中的电隔离层上由于隔离层的高绝缘电阻不会产生损害性的浪涌电流起到保护接口的作用通常采用高频变压器光耦等元件实现接口的电气隔离已有器件厂商将所有这些元件集成在一片IC中使用起来非常简便如Maxim公司的MAX1480/MAX1490隔离电压可以到2500V这种方案的优点是可以承受高电压持续时间较长的瞬态干扰实现起来也比较容易缺点是成本较高毛楠孙瑛.电子电路抗干扰实用技术.国防工