提高rs485通讯稳定措施.pdf

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-485 RS-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 EIA RS-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提高 RS-485 网络可靠性的若干措施 - 2 - 的一些错误连接方式a, c, e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/ns24AWG PVC 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 提高 RS-485 网络可靠性的若干措施 - 3 - 样系统所能允许的引出线长度也和信号的转换时间数据速率有关下面的经验公式可以 用来估算引出线的最大长度 Lmax=(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 VOS 3V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 提高 RS-485 网络可靠性的若干措施 - 4 - 图 4. 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 4b 2. 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 4c 3. 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 。