RS485串行总线可靠性的研究

    在进行嵌入式系统开发时，微处理器要与不同的设备实现互连，这就需要建立统一的通信总线标准。通信总线可分为并行总线和串行总线，并行通信速度快、实时性好，但占用的口线多，不宜于小型化产品的开发；串行通信速率虽低，但在数据通信吞吐量不是很大的微处理电路中显得更加简易、方便、灵活。串行通信总线的种类繁多，文中就当前嵌入式系统开发中最常用的RS485总线的通信可靠性做分析，希望对设计者有所帮助。

1 RS485标准

    RS485是串行数据接口标准，由电子工业协会(EIA)制订并发布的，它是在RS-422基础上制定的标准，RS一485标准采用平衡式发送，差分式接收的数据收发器来驱动总线，具体规格要求：接收器的输入电阻Rin≥12 kΩ；驱动器能输出±7 V的共模电压；输入端的电容≤50 pF；在节点数为32个，配置了120 Ω的终端电阻的情况下，驱动器至少还能输出电压1．5 V(终端电阻的大小与所用双绞线的参数有关)；接收器的输入灵敏度为200 mV(即(V+)-(V-)≥0．2 V，表示信号“0”；(V+)-(V-)≤-0．2 V，表示信号“l”)因为RS-485的远距离、多节点(32个)以及传输线成本低的特性，使得EIA RS-485成为工业应用中数据传输的首选标准。

2 RS485数据传输的可靠性

    RS485总线属于外部总线，外部总线用于与外部设备进行信息和数据交换，是设备级的。

    RS-485标准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。然而在实际应用中，往往分散控制单元数量较多、分布较远、现场存在各种干扰，使得通信的可靠性不高。为了提高RS-485总线在实际应用中的可靠性，应注意以下几个问题。

    2．1 阻抗匹配

    RS-485的信号线应考虑阻抗匹配问题，所谓阻抗匹配即信号线的负载应与信号线的特性阻抗相等。特性阻抗与信号线的宽度、与地线层的距离以及板材的介电常数等物理因素有关，是信号线的固有特性。阻抗不匹配将引起传输信号的反射，使数字波形产生振荡，造成逻辑混乱。由于通信载体是双绞线，它的特性阻抗为120 Ω左右，所以线路设计时，在RS-485网络传输线的始端和末端各应接1只120 Ω的匹配电阻，如图1所示，以减少线路上传输信号的反射。

图1 RS485通信方式

    2．2 失效保护

    RS-485标准规定接收器门限为±200 mV。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±200 mV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，所以接收器的不确定状态可能会使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200 mV的情况，必须采取一定措施避免接收器处于不确定状态。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≥200 mV)，但这种方法仍然不能解决总线短路时的问题。Maxim公司的MAX3080系列S485接口芯片将接收门限移到-200 mV／-50 mV，巧妙地解决了这个问题。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。

    2．3 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。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“A”、“B”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：

    (1)共模干扰问题。

    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(-7~+12 V)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2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+VGPD。RS-485标准规定VOS≤3 V，但VGPD可能会有很大的幅度(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，重则损坏接口。[page]

图2 地电位差异导致共模干扰

    (2)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。

    2．4 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则几乎无效。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3 瞬态保护方案

    图3(a)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。这种方案的优点是可以承受高电压、持续时间较长的瞬态干扰，实现起来也比较容易，缺点是成本较高。

    图3(b)所示为旁路保护方案。这种方案利用瞬态抑制元件(如TVS、MOV、气体放电管等)将危害性的瞬态能量旁路到大地，优点是成本较低，缺点是保护能力有限，只能保护一定能量以内的瞬态干扰，持续时间不能很长，而且需要有一条良好的接地通道，实现起来比较困难。实际应用中可以将二者结合起来灵活运用。隔离接口对大幅度瞬态干扰进行隔离，而旁路元件保护隔离接口不被过高的瞬态电压击穿。

    2．5 通信规则

    由于RS一485通讯是一种半双工通讯，发送和接收共用同一物理信道。在任意时刻只允许一台单机处于发送状态。因此要求应答的单机必须在侦听到总线上呼叫信号已经发送完毕，并且没有其它单机发出应答信号的情况下，才能应答。半双工通讯对主机和从机的发送和接收时序有严格的要求。如果在时序上配合不好，就会发生总线冲突，使整个系统的通讯瘫痪，无法正常工作。要做到总线上的设备在时序上的严格配合，必须要遵从以下原则：

    (1)复位时，主从机都应该处于接收状态。

    以Maxim公司的485接口芯片MAX3082为例。MAX3082芯片的发送和接收功能转换是由芯片的RE，DE端控制的。RE=1，DE=1时，MAX3082处于发送状态；RE=O，DE=O时，MAX3082处于接收状态。由于应用系统中，主机与分机相隔较远，通信线路的总长度往往超过400 m，而分机系统上电或复位又常常不在同一个时刻完成。一般使用微处理器的一根口线连接RE，DE两端。在上电复位时，由于硬件电路稳定需要一定的时间，并且微处理器各端口复位后处于高电平状态，这样就会使总线上各个分机处于发送状态，再者上电时各电路不稳定，可能向总线发送信息。因此，如果用一根口线作发送和接收控制信号，应该将口线反向后接入MAX3082的控制端，使上电时MAX3082处于接收状态。

    另外，在主从机软件上也应附加若干处理措施，例如，上电时或正式通讯之前，对串行口做几次空操作，清除端口的非法数据和命令。

    (2)总线上所连接的各单机的发送控制信号在时序上完全隔开。

    为了保证发送和接收信号的完整和正确，避免总线上信号的碰撞，对总线的使用权必须进行分配才能避免竞争。连接到总线上的单机，其发送控制信号在时间上要完全隔离。

    总之，发送和接收控制信号应该足够完宽，以保证完整地接收一帧数据，任意两个单机的发送控制信号在时间上完全分开，避免总线争端。

3 结束语

    近年来，RS485标准在工业控制自动化、交通控制自动化、楼宇自控系统等多个领域得到广泛应用，而且不少现场总总线物理层也采取RS485的电气标准。文中对当前最流行的外部总线RS-485的可靠性问题做了探讨。