摘 要：電力電子裝置中常需要在惡劣的電氣環(huán)境中進(jìn)行遠(yuǎn)距離通訊，本文就RS-485在實(shí)際系統(tǒng)中的可靠性應(yīng)用進(jìn)行了理論分析。分別從線路網(wǎng)絡(luò)配置、瞬變電壓、反射干擾、共模干擾等方面，針對(duì)不同的情況研究不同的解決方法來(lái)提高RS-485系統(tǒng)的可靠性，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 關(guān)鍵詞：RS-485 抗干擾 信號(hào)反射 可靠性 　　在電力電子裝置中常需要在惡劣的電氣環(huán)境中進(jìn)行遠(yuǎn)距離通訊，采用RS-485總線是一種比較廣泛的做法。該總線接口電路因硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、控制方便、成本低廉、通信速率高等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于工業(yè)監(jiān)測(cè)監(jiān)控等領(lǐng)域。但RS-485總線如果在抗干擾、自適應(yīng)、通信效率等方面處理不當(dāng)常會(huì)導(dǎo)致通信失敗甚至系統(tǒng)癱瘓等故障，因此提高RS-485 總線的可靠性至關(guān)重要。通常導(dǎo)致RS-485 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)故障的因素主要有：線路反射干擾、網(wǎng)絡(luò)配置不合理、雷擊及靜電、共模干擾等，為此針對(duì)不同的故障原因需要研究不同的解決方法來(lái)提高RS-485 系統(tǒng)的可靠性。 1.網(wǎng)絡(luò)配置 　　1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 　　RS-485支持半雙工或全雙工模式。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟话悴捎媒K端匹配的總線型結(jié)構(gòu)，不支持環(huán)型或星型網(wǎng)絡(luò)，最好采用一條總線將各個(gè)節(jié)點(diǎn)串聯(lián)起來(lái)。從總線到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的引出線長(zhǎng)度盡量短，以便使引出線中的反射信號(hào)對(duì)總線信號(hào)的影響最低。圖1所示為實(shí)際應(yīng)用中常見(jiàn)的一些錯(cuò)誤連接方式（1、2、3） 和更正的連接方式（4、5、6）。圖中前3種不恰當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)連接盡管在某些情況下（短距離、低速率） 仍然可以正常工作， 但隨著通信距離的延長(zhǎng)或通信速率的提高，其不良影響會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重。此外，還應(yīng)注意總線特性阻抗的連續(xù)性，在阻抗不連續(xù)點(diǎn)也會(huì)發(fā)生信號(hào)的反射。 [align=center] 圖1 常見(jiàn)正確和錯(cuò)誤連接方式[/align] 　　1.2.網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) 　　有關(guān)總線上允許連接的收發(fā)器數(shù)量，標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有做出規(guī)定，但規(guī)定了最大總線負(fù)載為32個(gè)單位負(fù)載。每單位負(fù)載的最大輸入電流是1.0mA/-0.8mA，相當(dāng)于約12KΩ。為了擴(kuò)展總線節(jié)點(diǎn)數(shù)，器件生產(chǎn)廠商增大收發(fā)器輸入電阻。例如輸入電阻增加至48KΩ以上（1/4 單位負(fù)載），節(jié)點(diǎn)數(shù)就可增加至128個(gè)，96KΩ的輸入電阻允許節(jié)點(diǎn)數(shù)可到256個(gè)。 　　1.3 通信速率 　　信號(hào)頻率越高，越容易產(chǎn)生反射波干擾。通常傳輸速率在（1200～19200） bps之間選取。 理論上，當(dāng)通訊速度達(dá)到100Kbps時(shí)，最大通信距離可以達(dá)到1200m。在實(shí)際使用時(shí)，從通信效率、節(jié)點(diǎn)數(shù)、通信距離、可靠性等方面綜合考慮，在通訊距離為1km時(shí)，可選用4800bps。通信距離1km以上時(shí)，應(yīng)考慮通過(guò)增加中繼模塊或降低速率的方法提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性。 2.過(guò)壓瞬變干擾 　　RS-485 收發(fā)器采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。 但RS-485接收器差分輸入端對(duì)“地”的共模電壓允許范圍為-7V～12V，超過(guò)此范圍的過(guò)壓瞬變可能會(huì)損壞器件。 　　引起過(guò)壓瞬變的來(lái)源通常是雷電、靜電放電、電源系統(tǒng)開(kāi)關(guān)干擾等。靜電放電電壓可以高達(dá)數(shù)千伏，可以使工作中的器件產(chǎn)生閉鎖而不能運(yùn)行或使器件受損;而雷電感應(yīng)在RS-485傳輸線上引起的瞬變干擾，可在瞬間燒毀連接在傳輸線上的全部器件。 　　2.1 共模干擾 　　RS-485接口采用差分方式傳輸信號(hào)方式，并不需要相對(duì)于某個(gè)參照點(diǎn)來(lái)檢測(cè)信號(hào)，系統(tǒng)只需檢測(cè)兩線之間的電位差就可以了。但收發(fā)器的共模電壓有一定范圍，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)線路中共模電壓超出此范圍時(shí)就會(huì)影響通信的穩(wěn)定可靠，甚至損壞接口。以圖2為例，當(dāng)發(fā)送驅(qū)動(dòng)器A向接收器B發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器A的輸出共模電壓為V1，由于兩個(gè)系統(tǒng)具有各自獨(dú)立的接地系統(tǒng)，存在著地電位差V3。那么，接收器輸入端的共模電壓V2就會(huì)達(dá)到V2=V1+V3。RS -485標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定V1 ≤ 3V，但V3可能會(huì)有十幾伏甚至數(shù)十伏，并可能伴有強(qiáng)干擾信號(hào)，致使接收器共模輸入V2超出正常范圍，輕則影響正常通信，重則損壞通信接口電路。 [align=center] 圖2 共模干擾示例[/align] 　　因此，盡管RS-485采用差分平衡傳輸方式，但對(duì)整個(gè)RS-485網(wǎng)絡(luò)，必須有一條低阻的信號(hào)地。一條低阻的信號(hào)地將兩個(gè)接口的工作地連接起來(lái)，使共模干擾電壓被短路。這條信號(hào)地可以是額外的一條線（非屏蔽雙絞線），或者是屏蔽雙絞線的屏蔽層，這是最通常的接地方法。 　　通常有兩種方式可以獲得理想的共地效果：一種是將數(shù)據(jù)地從主器件的地中隔離出來(lái);另一種就是將器件所有的“地”引腳以低阻抗的形式連接到大地。但是這種做法僅適用于高阻型共模干擾;當(dāng)共模干擾源內(nèi)阻較低時(shí)，會(huì)在接地線上形成較大的環(huán)路電流，影響正常通信。此時(shí)可以采取以下三種措施： 　?。?） 如果干擾源內(nèi)阻不是非常小，可以在接地線上加限流電阻以限制干擾電流。接地電阻的增加可能會(huì)使共模電壓升高，但只要控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)就不會(huì)影響正常通信。 　?。?） 采用浮地技術(shù)，隔斷接地環(huán)路。這是較常用也是十分有效的一種方法，當(dāng)共模干擾內(nèi)阻很小時(shí)加限流電阻已不能奏效，此時(shí)可以考慮將引入干擾的節(jié)點(diǎn)浮置起來(lái)，也就是系統(tǒng)的電路地與機(jī)殼或大地隔離，這樣就隔斷了接地環(huán)路，避免形成很大的環(huán)路電流。 　?。?） 采用隔離接口。有些情況下,出于安全等方面的考慮,電路地必須與機(jī)殼或大地相連，不能懸浮,這時(shí)可以采用隔離接口來(lái)隔斷接地回路。通常使用光電耦合器實(shí)現(xiàn)隔離接口。這種方式對(duì)數(shù)據(jù)線無(wú)額外負(fù)載，但需要獨(dú)立的電源供應(yīng)，復(fù)雜性高，而且對(duì)持續(xù)的瞬變不敏感。在高速數(shù)據(jù)傳輸時(shí)相應(yīng)地應(yīng)采用高速光耦如6N137。實(shí)現(xiàn)隔離保護(hù)通常有兩種方式：一是用獨(dú)立的光耦、帶隔離的DC-DC、RS-485芯片搭建電路;二是使用片內(nèi)已集成了光耦的二次集成芯片如MAX1480等。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是可以承受高電壓、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的瞬態(tài)干擾，實(shí)現(xiàn)起來(lái)也比較容易，缺點(diǎn)是成本較高。 　　2.2 抗靜電及雷擊 　　前文提到的信號(hào)接地措施，只對(duì)低頻率的共模干擾有保護(hù)作用，對(duì)于頻率很高的瞬態(tài)干擾就無(wú)能為力了。由于傳輸線對(duì)高頻信號(hào)而言就是相當(dāng)于電感，因此對(duì)于高頻瞬態(tài)干擾，接地線實(shí)際等同于開(kāi)路。這樣的瞬態(tài)干擾雖然持續(xù)時(shí)間短暫，但可能會(huì)有成百上千伏的電壓。 　　實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下還是存在高頻瞬態(tài)干擾的可能。一般在切換大功率感性負(fù)載如電機(jī)、變壓器、繼電器等或閃電過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生幅度很高的瞬態(tài)干擾，如果不加以適當(dāng)防護(hù)就會(huì)損壞RS-485通信接口。對(duì)于這種瞬態(tài)干擾可以采用隔離或旁路的方法加以防護(hù)。 　　（1） 隔離保護(hù)方法。這種方案實(shí)際上將瞬態(tài)高壓轉(zhuǎn)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(huì)產(chǎn)生損害性的浪涌電流，起到保護(hù)接口的作用。通常采用高頻變壓器、光耦等元件實(shí)現(xiàn)接口的電氣隔離。 　　（2） 旁路保護(hù)方法。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(diǎn)是成本較低，缺點(diǎn)是保護(hù)能力有限，只能保護(hù)一定能量以內(nèi)的瞬態(tài)干擾，持續(xù)時(shí)間不能很長(zhǎng)，而且需要有一條良好的連接大地的通道，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難。實(shí)際應(yīng)用中是將上述兩種方案結(jié)合起來(lái)靈活加以運(yùn)用。 3 反射波干擾. 　　電信號(hào)在沿導(dǎo)線傳輸過(guò)程中，由于導(dǎo)線的分布電感、電容及電阻的存在，各節(jié)點(diǎn)的電信號(hào)并不能馬上建立，而是有一定的滯后，離起點(diǎn)越遠(yuǎn)，電壓波和電流波到達(dá)的時(shí)間越晚。電壓波與電流波在傳輸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與入射信號(hào)波方向相反的行波，通常稱為反射波。信號(hào)的多次反射大大延長(zhǎng)了信號(hào)的傳輸時(shí)間，降低了電路的噪聲容限。 　　導(dǎo)致信號(hào)反射的原因主要有阻抗不連續(xù)和阻抗不匹配。當(dāng)阻抗不連續(xù)時(shí)，信號(hào)在傳輸線末端突然遇到電纜阻抗很小甚至沒(méi)有，信號(hào)在這個(gè)地方就會(huì)引起反射。為有效消除這種反射波的干擾，需要在電纜的末端跨接一個(gè)與電纜的特性阻抗同樣大小的終端電阻，使電纜的阻抗連續(xù)，這種方法也稱為總線匹配。由于信號(hào)在電纜上的傳輸是雙向的，因此，在通訊電纜的另一端也要跨接一個(gè)同樣大小的終端電阻。 　　總線匹配通常有兩種方式，一是加匹配電阻，如圖3（1）所示。位于總線兩端的差分端口之間跨接匹配電阻，以有效地抑制噪聲干擾。通常雙絞線特性阻抗大約在100Ω至130Ω之間[4] 。但匹配電阻要消耗較大電流，不適用于功耗限制嚴(yán)格的系統(tǒng)。另外一種比較省電的匹配方式是RC匹配，如圖3（1）所示。利用電容C可以隔斷直流成分的特性可以節(jié)省大部分功率，但匹配效果不及阻抗匹配。實(shí)際應(yīng)用中需要在功耗和匹配質(zhì)量間進(jìn)行權(quán)衡。 [align=center] 圖3 總線匹配方式[/align] 　　引起信號(hào)反射的另一個(gè)原因是數(shù)據(jù)收發(fā)器與傳輸電纜之間的阻抗不匹配。信號(hào)反射對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?，是因?yàn)榉瓷湫盘?hào)觸發(fā)了接收器輸入端的比較器，使接收器收到了錯(cuò)誤的信號(hào)，導(dǎo)致CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤或整個(gè)數(shù)據(jù)幀錯(cuò)誤。要減弱反射信號(hào)對(duì)通訊線路的影響，通常采用噪聲抑制和加偏置電阻的方法。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于比較小的反射信號(hào)，為簡(jiǎn)單方便，經(jīng)常采用加偏置電阻的方法。在通訊波特率比較高的時(shí)候，在線路上加偏置電阻是很有必要的。 　　此外，信號(hào)頻率越高，越容易產(chǎn)生反射波干擾。在信號(hào)頻率確定的條件下，通常采用阻抗匹配法消除反射波干擾。 4 失效保護(hù) 　　RS-485標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了接收器門限為±200mV，這樣規(guī)定能夠提供比較高的噪聲抑制能力，但由于主機(jī)在發(fā)送端發(fā)完一個(gè)信息數(shù)據(jù)后，會(huì)將總線置于第三態(tài)，即總線空閑時(shí)沒(méi)有任何信號(hào)驅(qū)動(dòng)總線，使AB之間的電壓在-200～+200mV直至趨于0V，這帶來(lái)了一個(gè)問(wèn)題：接收器輸出狀態(tài)不確定。如果接收器的輸出為0V，網(wǎng)絡(luò)中從機(jī)將把其解釋為一個(gè)新的啟動(dòng)位，并試圖讀取后續(xù)字節(jié)，由于永遠(yuǎn)不會(huì)有停止位，將不再有設(shè)備請(qǐng)求總線，網(wǎng)絡(luò)陷于癱瘓狀態(tài)。除上述所述的總線空閑會(huì)造成兩線電壓差低于200mV的情況外，開(kāi)路或短路時(shí)也會(huì)出現(xiàn)這種情況。故應(yīng)采取一定的措施避免接收器處于不確定狀態(tài)。 [align=center] 圖4 利用偏置電阻實(shí)現(xiàn)的失效保護(hù)[/align] 　　通常是在總線上加偏置，使得總線空閑或開(kāi)路時(shí)，也能有一個(gè)確定的狀態(tài)（差分電壓≥-200mV）。如圖4所示，偏置電阻將A下拉到地，將B上拉到5V，電阻的典型值是1kΩ，具體數(shù)值隨電纜電容的不同而不同。 　　上述方法是比較經(jīng)典的方法，但它仍然不能解決總線短路時(shí)的問(wèn)題，有些廠家將接收門限移到-200mV/-50mV，可解決這個(gè)問(wèn)題。例如Maxim公司的MAX3080系列RS-485接口，不僅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(hù)問(wèn)題。 5 結(jié)束語(yǔ) 　　RS-485 總線具有許多優(yōu)良的特性，如較高的噪聲抑制、較寬的共模范圍、可以長(zhǎng)距離傳輸、能夠進(jìn)行沖突保護(hù)等，在設(shè)計(jì)之初進(jìn)行總體規(guī)劃并且通過(guò)合理的進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)布局、連續(xù)的信號(hào)通道、周全的保護(hù)等措施，就可以建立一個(gè)可靠的應(yīng)用廣泛的RS-485網(wǎng)絡(luò)。 　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：本文將RS-485總線理論應(yīng)用到實(shí)際系統(tǒng)中，針對(duì)不同的情況，分析提出了不同的解決措施，以提高惡劣電氣環(huán)境下遠(yuǎn)距離通訊的可靠性。 參考文獻(xiàn) 　　[1] 張傳省,張鐵中.基于RS- 485 的農(nóng)業(yè)機(jī)器人與上位機(jī)可靠通信的實(shí)現(xiàn). 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