提高RS-485总线可靠性的几种方法及常见故障处理

　　在MCU之间中长距离通信的诸多方案中，RS-485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RS-485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RS-485总线的运行可靠性至关重要。
　　
　　一、RS-485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、RO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。
　　
　　二、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1km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1km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。[page]
　　
　　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。

　　三、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。
　　
　　四、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0.75mm2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220~1000μF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470~1000μF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。
　　
　　五、光电隔离
　　
　　在某些工业控制领域，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。
　　
　　六、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0.8~1.5V范围内）。