在中長距離通信的諸多方案中，RS-485因硬件設計簡單、控制方便、成本低廉等優點廣泛應用于工廠自動化、工業控制、小區監控、水利自動報測等領域。但RS-485總線在抗干擾、自適應、通信效率等方面仍存在缺陷，一些細節的處理不當常會導致通信失敗甚至系統癱瘓等故障，因此提高RS-485總線的運行可靠性至關重要。

 

　　一、RS-485接口電路的硬件設計

 

　　1、總線匹配

 

　　總線匹配有兩種方法，一種是加匹配電阻。總線兩端的差分端口VA與VB之間應跨接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格的系統。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，可以節省大部分功率，但電容C的取值是個難點，需要在功耗和匹配質量間進行折算。除上述兩種外還有一種采用二極管的匹配方案，這種方案雖未實現真正的匹配，但它利用二極管的鉗位作用，迅速削弱反射信號達到改善信號質量的目的，節能效果顯著。

 

　　2、RO及DI端配置上拉電阻

 

　　異步通信數據以字節的方式傳送，在每一個字節傳送之前，先要通過一個低電平起始位實現握手。為防止干擾信號誤觸發RO（接收器輸出）產生負跳變，使接收端MCU進入接收狀態，建議RO外接10kΩ上拉電阻。

 

　　3、保證系統上電時的RS-485芯片處于接收輸入狀態

 

　　對于收發控制端TC建議采用MCU引腳通過反相器進行控制，不宜采用MCU引腳直接進行控制，以防止MCU上電時對總線的干擾。

 

　　4、總線隔離

 

　　RS-485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”，因此對其二線口VA、VB與總線之間應加以隔離。通常在VA、VB與總線之間各串接一只4~10Ω的PTC電阻，同時與地之間各跨接5V的TVS二極管，以消除線路浪涌干擾。如沒有PTC電阻和TVS二極管，可用普通電阻和穩壓管代替。

 

　　5、合理選用芯片

 

　　例如，對外置設備為防止強電磁（雷電）沖擊，建議選用TI的75LBC184等防雷擊芯片，對節點數要求較多的可選用SIPEX的SP485R。

 

　　二、RS-485網絡配置

 

　　1、網絡節點數

 

　　網絡節點數與所選RS-485芯片驅動能力和接收器的輸入阻抗有關，如75LBC184標稱最大值為64點，SP485R標稱最大值為400點。實際使用時，因線纜長度、線徑、網絡分布、傳輸速率不同，實際節點數均達不到理論值。例如75LBC184運用在500m分布的RS-485網絡上節點數超過50或速率大于9.6kb/s時，工作可靠性明顯下降。通常推薦節點數按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以內，從通信效率、節點數、通信距離等綜合考慮選用4800b/s。通信距離1km以上時，應考慮通過增加中繼模塊或降低速率的方法提高數據傳輸可靠性。

 

　　2、節點與主干距離

 

　　理論上講，RS-485節點與主干之間距離（T頭，也稱引出線）越短越好。T頭小于10m的節點采用T型，連接對網絡匹配并無太大影響，可放心使用，但對于節點間距非常小（小于1m，如LED模塊組合屏）應采用星型連接，若采用T型或串珠型連接就不能正常工作。RS-485是一種半雙工結構通信總線，大多用于一對多點的通信系統，因此主機（PC）應置于一端，不要置于中間而形成主干的T型分布。

 

　　三、提高RS-485通信效率

 

　　RS-485通常應用于一對多點的主從應答式通信系統中，相對于RS-232等全雙工總線效率低了許多，因此選用合適的通信協議及控制方式非常重要。

 

　　1、總線穩態控制（握手信號）

 

　　大多數使用者選擇在數據發送前1ms將收發控制端TC置成高電平，使總線進入穩定的發送狀態后才發送數據；數據發送完畢再延遲1ms后置TC端成低電平，使可靠發送完畢后才轉入接收狀態。據筆者使用TC端的延時有4個機器周期已滿足要求；

 

　　2、為保證數據傳輸質量，對每個字節進行校驗的同時，應盡量減少特征字和校驗字

 

　　慣用的數據包格式由引導碼、長度碼、地址碼、命令碼、數據、校驗碼、尾碼組成，每個數據包長度達20~30字節。在RS-485系統中這樣的協議不太簡練。推薦用戶使用MODBUS協議，該協議已廣泛應用于水利、水文、電力等行業設備及系統的國際標準中。

 

　　四、RS-485接口電路的電源、接地

 

　　對于由MCU結合RS-485微系統組建的測控網絡，應優先采用各微系統獨立供電方案，不要采用一臺大電源給微系統并聯供電，同時電源線（交直流）不能與RS-485信號線共用同一股多芯電纜。RS-485信號線宜選用截面積0.75mm2以上雙絞線而不是平直線。對于每個小容量直流電源選用線性電源LM7805比選用開關電源更合適。當然應注意LM7805的保護：

 

　　1、LM7805輸入端與地應跨接220~1000μF電解電容；

 

　　2、LM7805輸入端與輸出端反接1N4007二極管；

 

　　3、LM7805輸出端與地應跨接470~1000μF電解電容和104pF獨石電容并反接1N4007二極管；

 

　　4、輸入電壓以8~10V為佳，允許范圍為6.5~24V。可選用TI的PT5100替代LM7805，以實現9～38V的超寬電壓輸入。

 

　　五、光電隔離

 

　　在某些工業控制領域，由于現場情況十分復雜，各個節點之間存在很高的共模電壓。雖然RS-485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，但當共模電壓超過RS-485接收器的極限接收電壓，即大于+12V或小于－7V時，接收器就再也無法正常工作了，嚴重時甚至會燒毀芯片和儀器設備。

 

　　解決此類問題的方法是通過DC-DC將系統電源和RS-485收發器的電源隔離；通過光耦將信號隔離，徹底消除共模電壓的影響。實現此方案的途徑可分為：

 

　　1、用光耦、帶隔離的DC-DC、RS-485芯片構筑電路；

 

　　2、使用二次集成芯片，如PS1480、MAX1480等。

 

　　六、RS-485系統的常見故障及處理方法

 

　　RS-485是一種低成本、易操作的通信系統，但是穩定性弱同時相互牽制性強，通常有一個節點出現故障會導致系統整體或局部的癱瘓，而且又難以判斷。故向讀者介紹一些維護RS-485的常用方法。

 

　　1、若出現系統完全癱瘓，大多因為某節點芯片的VA、VB對電源擊穿，使用萬用表測VA、VB間差模電壓為零，而對地的共模電壓大于3V，此時可通過測共模電壓大小來排查，共模電壓越大說明離故障點越近，反之越遠；

 

　　2、總線連續幾個節點不能正常工作。一般是由其中的一個節點故障導致的。一個節點故障會導致鄰近的2～3個節點（一般為后續）無法通信，因此將其逐一與總線脫離，如某節點脫離后總線能恢復正常，說明該節點故障；

 

　　3、集中供電的RS-485系統在上電時常常出現部分節點不正常，但每次又不完全一樣。這是由于對RS-485的收發控制端TC設計不合理，造成微系統上電時節點收發狀態混亂從而導致總線堵塞。改進的方法是將各微系統加裝電源開關然后分別上電；

 

　　4、系統基本正常但偶爾會出現通信失敗。一般是由于網絡施工不合理導致系統可靠性處于臨界狀態，改變走線或增加中繼模塊。應急方法之一是將出現失敗的節點更換成性能更優異的芯片；

 

　　5、因MCU故障導致TC端處于長發狀態而將總線拉死一片。提醒讀者不要忘記對TC端的檢查。盡管RS-485規定差模電壓大于200mV即能正常工作。但實際測量：一個運行良好的系統其差模電壓一般在1.2V左右（因網絡分布、速率的差異有可能使差模電壓在0.8~1.5V范圍內。

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