RS485串行總線可靠性的研究

在進行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)時，微處理器要與不同的設備實現(xiàn)互連，這就需要建立統(tǒng)一的通信總線標準。通信總線可分為并行總線和串行總線，并行通信速度快、實時性好，但占用的口線多，不宜于小型化產品的開發(fā)；串行通信速率雖低，但在數(shù)據通信吞吐量不是很大的微處理電路中顯得更加簡易、方便、靈活。串行通信總線的種類繁多，文中就當前嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中最常用的RS485總線的通信可靠性做分析，希望對設計者有所幫助。

1 RS485標準

RS485是串行數(shù)據接口標準，由電子工業(yè)協(xié)會(EIA)制訂并發(fā)布的，它是在RS-422基礎上制定的標準，RS一485標準采用平衡式發(fā)送，差分式接收的數(shù)據收發(fā)器來驅動總線，具體規(guī)格要求：接收器的輸入電阻Rin≥12 kΩ；驅動器能輸出±7 V的共模電壓；輸入端的電容≤50 pF；在節(jié)點數(shù)為32個，配置了120 Ω的終端電阻的情況下，驅動器至少還能輸出電壓1．5 V(終端電阻的大小與所用雙絞線的參數(shù)有關)；接收器的輸入靈敏度為200 mV(即(V+)一(V一)≥0．2 V，表示信號“0”；(V+)一(V一)≤一0．2 V，表示信號“l”)因為RS一485的遠距離、多節(jié)點(32個)以及傳輸線成本低的特性，使得EIA RS-485成為工業(yè)應用中數(shù)據傳輸?shù)氖走x標準。

2 RS485數(shù)據傳輸?shù)目煽啃?

RS485總線屬于外部總線，外部總線用于與外部設備進行信息和數(shù)據交換，是設備級的。

RS一485標準所具有的噪聲抑制能力、數(shù)據傳輸速率、電纜長度及可靠性是其他標準無法比擬的。然而在實際應用中，往往分散控制單元數(shù)量較多、分布較遠、現(xiàn)場存在各種干擾，使得通信的可靠性不高。為了提高RS一485總線在實際應用中的可靠性，應注意以下幾個問題。

2．1 阻抗匹配

RS一485的信號線應考慮阻抗匹配問題，所謂阻抗匹配即信號線的負載應與信號線的特性阻抗相等。特性阻抗與信號線的寬度、與地線層的距離以及板材的介電常數(shù)等物理因素有關，是信號線的固有特性。阻抗不匹配將引起傳輸信號的反射，使數(shù)字波形產生振蕩，造成邏輯混亂。由于通信載體是雙絞線，它的特性阻抗為120 Ω左右，所以線路設計時，在RS一485網絡傳輸線的始端和末端各應接1只120 Ω的匹配電阻，如圖1所示，以減少線路上傳輸信號的反射。

2．2 失效保護

RS一485標準規(guī)定接收器門限為±200 mV。這樣規(guī)定能夠提供比較高的噪聲抑制能力，但同時也帶來了一個問題：當總線電壓在±200 mV中間時接收器輸出狀態(tài)不確定。由于UART以一個前導“0”觸發(fā)一次接收動作，所以接收器的不確定狀態(tài)可能會使UART錯誤地接收一些數(shù)據，導致系統(tǒng)誤動作。當總線空閑、開路或短路時都有可能出現(xiàn)兩線電壓差低于200 mV的情況，必須采取一定措施避免接收器處于不確定狀態(tài)。傳統(tǒng)的做法是給總線加偏置，當總線空閑或開路時，利用偏置電阻將總線偏置在一個確定的狀態(tài)(差分電壓≥200 mV)，但這種方法仍然不能解決總線短路時的問題。Maxim公司的MAX3080系列S485接口芯片將接收門限移到一200 mV／一50 mV，巧妙地解決了這個問題。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問題。

2．3 地線與接地

電子系統(tǒng)的接地是一個非常關鍵而又常常被忽視的問題，接地處理不當經常會導致不能穩(wěn)定工作甚至危及系統(tǒng)安全。對于RS一485網絡來講也是一樣，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。一個典型的錯誤觀點就是認為RS一485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：

(1)共模干擾問題。

RS一485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。但應該注意的是，收發(fā)器只有在共模電壓不超出一定范圍(一7~+12 V)的條件下才能正常工作。當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2所示，當發(fā)送器A向接收器B發(fā)送數(shù)據時，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到VCM=VOS+VGPD。RS一485標準規(guī)定VOS≤3 V，但VGPD可能會有很大的幅度(十幾伏甚至數(shù)十伏)，并可能伴有強干擾信號，致使接收器共模輸入VCM超出正常范圍，并在信號線上產生干擾電流，輕則影響正常通信，重則損壞接口。

(2)電磁輻射(EMI)問題。

驅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一485網絡來講，一條低阻的信號地還是必不可少的。

2．4 瞬態(tài)保護

前面提到的接地措施只對低頻率的共模干擾有保護作用，對于頻率很高的瞬態(tài)干擾則幾乎無效。因為引線電感的作用，對于高頻瞬態(tài)干擾來講，接地線實際等同于開路。這樣的瞬態(tài)干擾可能會有成百上千伏的電壓，但持續(xù)時間很短。在切換大功率感性負載(電機、變壓器、繼電器等)、閃電等過程中都會產生幅度很高的瞬態(tài)干擾，如果不加以適當防護就會損壞接口。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。

圖3(a)所示為隔離保護方案。這種方案實際上將瞬態(tài)高壓轉移到隔離接口中的電隔離層上，由于隔離層的高絕緣電阻，不會產生損害性的浪涌電流，起到保護接口的作用。通常采用高頻變壓器、光耦等元件實現(xiàn)接口的電氣隔離。這種方案的優(yōu)點是可以承受高電壓、持續(xù)時間較長的瞬態(tài)干擾，實現(xiàn)起來也比較容易，缺點是成本較高。

圖3(b)所示為旁路保護方案。這種方案利用瞬態(tài)抑制元件(如TVS、MOV、氣體放電管等)將危害性的瞬態(tài)能量旁路到大地，優(yōu)點是成本較低，缺點是保護能力有限，只能保護一定能量以內的瞬態(tài)干擾，持續(xù)時間不能很長，而且需要有一條良好的接地通道，實現(xiàn)起來比較困難。實際應用中可以將二者結合起來靈活運用。．隔離接口對大幅度瞬態(tài)干擾進行隔離，而旁路元件保護隔離接口不被過高的瞬態(tài)電壓擊穿。

2．5 通信規(guī)則

由于RS一485通訊是一種半雙工通訊，發(fā)送和接收共用同一物理信道。在任意時刻只允許一臺單機處于發(fā)送狀態(tài)。因此要求應答的單機必須在偵聽到總線上呼叫信號已經發(fā)送完畢，并且沒有其它單機發(fā)出應答信號的情況下，才能應答。半雙工通訊對主機和從機的發(fā)送和接收時序有嚴格的要求。如果在時序上配合不好，就會發(fā)生總線沖突，使整個系統(tǒng)的通訊癱瘓，無法正常工作。要做到總線上的設備在時序上的嚴格配合，必須要遵從以下原則：

(1)復位時，主從機都應該處于接收狀態(tài)。

以Maxim公司的485接口芯片MAX3082為例。MAX3082芯片的發(fā)送和接收功能轉換是由芯片的RE，DE端控制的。RE=l，DE=1時，MAX3082處于發(fā)送狀態(tài)；RE=O，DE=O時，MAX3082處于接收狀態(tài)。由于應用系統(tǒng)中，主機與分機相隔較遠，通信線路的總長度往往超過400 m，而分機系統(tǒng)上電或復位又常常不在同一個時刻完成。一般使用微處理器的一根口線連接RE，DE兩端。在上電復位時，由于硬件電路穩(wěn)定需要一定的時間，并且微處理器各端口復位后處于高電平狀態(tài)，這樣就會使總線上各個分機處于發(fā)送狀態(tài)，再者上電時各電路不穩(wěn)定，可能向總線發(fā)送信息。因此，如果用一根口線作發(fā)送和接收控制信號，應該將口線反向后接入MAX3082的控制端，使上電時MAX3082處于接收狀態(tài)。

另外，在主從機軟件上也應附加若干處理措施，例如，上電時或正式通訊之前，對串行口做幾次空操作，清除端口的非法數(shù)據和命令。

(2)總線上所連接的各單機的發(fā)送控制信號在時序上完全隔開。

為了保證發(fā)送和接收信號的完整和正確，避免總線上信號的碰撞，對總線的使用權必須進行分配才能避免競爭。連接到總線上的單機，其發(fā)送控制信號在時間上要完全隔離。

總之，發(fā)送和接收控制信號應該足夠完寬，以保證完整地接收一幀數(shù)據，任意兩個單機的發(fā)送控制信號在時間上完全分開，避免總線爭端。

3 結束語

近年來，RS485標準在工業(yè)控制自動化、交通控制自動化、樓宇自控系統(tǒng)等多個領域得到廣泛應用，而且不少現(xiàn)場總總線物理層也采取RS485的電氣標準。文中對當前最流行的外部總線RS-485的可靠性問題做了探討。