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提高RS485总线稳定性的方法

目前，国内很多联网系统多采用RS485半双工异步通信总线进行联网，实现系统之间的通信。但在实际使用中，往往由于设备数量多、通信线路远以及现场的各种干扰等，造成通信可靠性、稳定性不高，致使联网系统的质量得不到保证。本文重点介绍了提高RS-85总线稳定性的几种方法和一些相关尝试。

     在MCU之间中长距离通信的诸多方案中，RS485因硬件设计简单、控制方便、成本低廉等优点广泛应用于工厂自动化、工业控制、小区监控、水利自动报测等领域。但RS485总线在抗干扰、自适应、通信效率等方面仍存在缺陷，一些细节的处理不当常会导致通信失败甚至系统瘫痪等故障，因此提高RS485总线的运行可靠性至关重要。经大量试验，发现在使用RS485总线时，如果简单地按常规方式设计电路，那么在实际工程中可能存在以下两个问题：一是通信数据收发不可靠;二是在多机通信方式下，一个节点的故障(如死机)往往会使得整个系统的通信框架崩溃，而且给故障的排查带来困难。针对上述问题，对485总线接口的软硬件设计采取了有效的改进措施，大大提高了联网系统的可靠性和稳定性。
1 RS485接口电路的硬件设计
    1)总线匹配。总线匹配有两种方法，一种是加匹配电阻，如图1a所示。位于总线两端的差分端口VA与VB之间应跨接120Ω匹配电阻，以减少由于不匹配而引起的反射、吸收噪声，有效地抑制了噪声干扰。但匹配电阻要消耗较大电流，不适用于功耗限制严格的系统。

    另外一种比较省电的匹配方案是RC匹配(图2)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问进行折衷。除上述两种外还有一种采用二极管的匹配方案(图3)，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。

    2)R0及DI端配置上拉电阻。异步通信数据以字节的方式传送，在每一个字节传送之前，先要通过一个低电平起始位实现握手。为防止干扰信号误触发RO(接收器输出)产生负跳变，使接收端MCU进入接收状态，建议RO外接10kΩ上拉电阻。
    3)保证系统上电时的RS-485芯片处于接收输入状态。对于收发控制端TC建议采用MCU引脚通过反相器进行控制，不宜采用MCU引脚直接进行控制，以防止MCU上电时对总线的干扰，如图4所示。

    4)总线隔离。RS-485总线为并接式二线制接口，一旦有一只芯片故障就可能将总线“拉死”，因此对其二线口VA、VB与总线之间应加以隔离。通常在VA、VB与总线之间各串接一只4-10Ω的PTC电阻，同时与地之间各跨接5V的TVS二极管，以消除线路浪涌干扰。如没有PTC电阻和TVS二极管，可用普通电阻和稳压管代替。
    5)合理选用芯片。例如，对外置设备为防止强电磁(雷电)冲击，建议选用TI的75LBC184等防雷击芯片，对节点数要求较多的可选用SIPEX的SP485R。
2 RS-485网络配置
1)网络节点数。网络节点数与所选RS-485芯片驱动能力和接收器的输入阻抗有关，如75LBC184标称最大值为64点，SP485R标称最大值为400点。实际使用时，因线缆长度、线径、网络分布、传输速率不同，实际节点数均达不到理论值。例如75LBC184运用在500m分布的RS-485网络上节点数超过50或速率大于9.6kb/s时，工作可靠性明显下降。通常推荐节点数按RS-485芯片最大值的70％选取，传输速率在1200-9600b/s之间选取。通信距离lkm以内，从通信效率、节点数、通信距离等综合考虑选用4800b/s最佳。通信距离lkm以上时，应考虑通过增加中继模块或降低速率的方法提高数据传输可靠性。
2)节点与主干距离。理论上讲，RS-485节点与主干之间距离(T头，也称引出线)越短越好。T头小于10m的节点采用T型，连接对网络匹配并无太大影响，可放心使用，但对于节点间距非常小(小于1m，如LED模块组合屏)应采用星型连接，若采用T型或串珠型连接就不能正常工作。RS-485是一种半双工结构通信总线，大多用于一对多点的通信系统，因此主机(PC)应置于一端，不要置于中间而形成主干的T型分布。
3 提高RS-485通信效率
    RS-485通常应用于一对多点的主从应答式通信系统中，相对于RS-232等全双工总线效率低了许多，因此选用合适的通信协议及控制方式非常重要。
    1．总线稳态控制(握手信号)。大多数使用者选择在数据发送前1ms将收发控制端Tc置成高电平，使总线进入稳定的发送状态后才发送数据；数据发送完毕再延迟1ms后置Tc端成低电平，使可靠发送完毕后才转入接收状态。据笔者使用Tc端的延时有4个机器周期已满足要求；
    2．为保证数据传输质量，对每个字节进行校验的同时，应尽量减少特征字和校验字。惯用的数据包格式由引导码、长度码、地址码、命令码、数据、校验码、尾码组成，每个数据包长度达20-30字节。在RS-485系统中这样的协议不太简练。推荐用户使用MODBUS协议，该协议已广泛应用于水利、水文、电力等行业设备及系统的国际标准中。
4 RS-485接口电路的电源、接地
    对于由MCU结合RS-485微系统组建的测控网络，应优先采用各微系统独立供电方案，最好不要采用一台大电源给微系统并联供电，同时电源线(交直流)不能与RS-485信号线共用同一股多芯电缆。RS-485信号线宜选用截面积O.75mm2以上双绞线而不是平直线。对于每个小容量直流电源选用线性电源LM7805比选用开关电源更合适。当然应注意LM7805的保护：
    1．LM7805输入端与地应跨接220-1000uF电解电容；
    2．LM7805输入端与输出端反接1N4007二极管；
    3．LM7805输出端与地应跨接470-1000uF电解电容和104pF独石电容并反接1N4007二极管；
    4．输入电压以8-10V为佳，最大允许范围为6.5-24V。可选用TI的PT5100替代LM7805，以实现9～38V的超宽电压输入。
5 光电隔离
    在某工业控制领域，由于现场情况十分复杂，各个节点之间存在很高的共模电压。虽然RS-485接口采用的是差分传输方式，具有一定的抗共模干扰的能力，但当共模电压超过RS-485接收器的极限接收电压，即大于+12V或小于-7V时，接收器就再也无法正常工作了，严重时甚至会烧毁芯片和仪器设备。

解决此类问题的方法是通过DC-DC将系统电源和RS-485收发器的电源隔离；通过光耦将信号隔离，彻底消除共模电压的影响。实现此方案的途径可分为：
    (1)用光耦、带隔离的DC-DC、RS-485芯片构筑电路；
    (2)使用二次集成芯片，如PS1480、MAX1480等。
6 RS-485系统的常见故障及处理方法
    RS-485是一种低成本、易操作的通信系统，但是稳定性弱同时相互牵制性强，通常有一个节点出现故障会导致系统整体或局部的瘫痪，而且又难以判断。故向读者介绍一些维护RS－485的常用方法。
    1)若出现系统完全瘫痪，大多因为某节点芯片的VA、VB对电源击穿，使用万用表测VA、VB间差模电压为零，而对地的共模电压大于3V，此时可通过测共模电压大小来排查，共模电压越大说明离故障点越近，反之越远；
    2)总线连续几个节点不能正常工作。一般是由其中的一个节点故障导致的。一个节点故障会导致邻近的2～3个节点(一般为后续)无法通信，因此将其逐一与总线脱离，如某节点脱离后总线能恢复正常，说明该节点故障；
    3)集中供电的RS－485系统在上电时常常出现部分节点不正常，但每次又不完全一样。这是由于对RS－485的收发控制端TC设计不合理，造成微系统上电时节点收发状态混乱从而导致总线堵塞。改进的方法是将各微系统加装电源开关然后分别上电；
    4)系统基本正常但偶尔会出现通信失败。一般是由于网络施工不合理导致系统可靠性处于临界状态，最好改变走线或增加中继模块。应急方法之一是将出现失败的节点更换成性能更优异的芯片；
    5)因MCU故障导致TC端处于长发状态而将总线拉死一片。提醒读者不要忘记对TC端的检查。尽管RS－485规定差模电压大于200mv即能正常工作。但实际测量：一个运行良好的系统其差模电压一般在1.2v左右(因网络分布、速率的差异有可能使差模电压在O.8-1.5v范围内)。