摘 要：電力電子裝置中常需要在惡劣的電氣環境中進行遠距離通訊，本文就RS-485在實際系統中的可靠性應用進行了理論分析。分別從線路網絡配置、瞬變電壓、反射干擾、共模干擾等方面，針對不同的情況研究不同的解決方法來提高RS-485系統的可靠性，具有一定的實際應用價值。 關鍵詞：RS-485 抗干擾 信號反射 可靠性 　　在電力電子裝置中常需要在惡劣的電氣環境中進行遠距離通訊，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計簡單、控制方便、成本低廉、通信速率高等優點廣泛應用于工業監測監控等領域。但RS-485總線如果在抗干擾、自適應、通信效率等方面處理不當常會導致通信失敗甚至系統癱瘓等故障，因此提高RS-485 總線的可靠性至關重要。通常導致RS-485 網絡系統故障的因素主要有：線路反射干擾、網絡配置不合理、雷擊及靜電、共模干擾等，為此針對不同的故障原因需要研究不同的解決方法來提高RS-485 系統的可靠性。 1.網絡配置 　　1.1 拓撲結構 　　RS-485支持半雙工或全雙工模式。網絡拓撲一般采用終端匹配的總線型結構，不支持環型或星型網絡，最好采用一條總線將各個節點串聯起來。從總線到每個節點的引出線長度盡量短，以便使引出線中的反射信號對總線信號的影響最低。圖1所示為實際應用中常見的一些錯誤連接方式（1、2、3） 和更正的連接方式（4、5、6）。圖中前3種不恰當的網絡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或通信速率的提高，其不良影響會越來越嚴重。此外，還應注意總線特性阻抗的連續性，在阻抗不連續點也會發生信號的反射。 [align=center] 圖1 常見正確和錯誤連接方式[/align] 　　1.2.網絡節點 　　有關總線上允許連接的收發器數量，標準并沒有做出規定，但規定了最大總線負載為32個單位負載。每單位負載的最大輸入電流是1.0mA/-0.8mA，相當于約12KΩ。為了擴展總線節點數，器件生產廠商增大收發器輸入電阻。例如輸入電阻增加至48KΩ以上（1/4 單位負載），節點數就可增加至128個，96KΩ的輸入電阻允許節點數可到256個。 　　1.3 通信速率 　　信號頻率越高，越容易產生反射波干擾。通常傳輸速率在（1200～19200） bps之間選取。 理論上，當通訊速度達到100Kbps時，最大通信距離可以達到1200m。在實際使用時，從通信效率、節點數、通信距離、可靠性等方面綜合考慮，在通訊距離為1km時，可選用4800bps。通信距離1km以上時，應考慮通過增加中繼模塊或降低速率的方法提高數據傳輸可靠性。 2.過壓瞬變干擾 　　RS-485 收發器采用平衡發送和差分接收，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“地”的共模電壓允許范圍為-7V～12V，超過此范圍的過壓瞬變可能會損壞器件。 　　引起過壓瞬變的來源通常是雷電、靜電放電、電源系統開關干擾等。靜電放電電壓可以高達數千伏，可以使工作中的器件產生閉鎖而不能運行或使器件受損;而雷電感應在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方式，并不需要相對于某個參照點來檢測信號，系統只需檢測兩線之間的電位差就可以了。但收發器的共模電壓有一定范圍，當網絡線路中共模電壓超出此范圍時就會影響通信的穩定可靠，甚至損壞接口。以圖2為例，當發送驅動器A向接收器B發送數據時，發送驅動器A的輸出共模電壓為V1，由于兩個系統具有各自獨立的接地系統，存在著地電位差V3。那么，接收器輸入端的共模電壓V2就會達到V2=V1+V3。RS -485標準規定V1 ≤ 3V，但V3可能會有十幾伏甚至數十伏，并可能伴有強干擾信號，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，但對整個RS-485網絡，必須有一條低阻的信號地。一條低阻的信號地將兩個接口的工作地連接起來，使共模干擾電壓被短路。這條信號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：一種是將數據地從主器件的地中隔離出來;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;當共模干擾源內阻較低時，會在接地線上形成較大的環路電流，影響正常通信。此時可以采取以下三種措施： 　　（1） 如果干擾源內阻不是非常小，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使共模電壓升高，但只要控制在適當的范圍內就不會影響正常通信。 　　（2） 采用浮地技術，隔斷接地環路。這是較常用也是十分有效的一種方法，當共模干擾內阻很小時加限流電阻已不能奏效，此時可以考慮將引入干擾的節點浮置起來，也就是系統的電路地與機殼或大地隔離，這樣就隔斷了接地環路，避免形成很大的環路電流。 　　（3） 采用隔離接口。有些情況下,出于安全等方面的考慮,電路地必須與機殼或大地相連，不能懸浮,這時可以采用隔離接口來隔斷接地回路。通常使用光電耦合器實現隔離接口。這種方式對數據線無額外負載，但需要獨立的電源供應，復雜性高，而且對持續的瞬變不敏感。在高速數據傳輸時相應地應采用高速光耦如6N137。實現隔離保護通常有兩種方式：一是用獨立的光耦、帶隔離的DC-DC、RS-485芯片搭建電路;二是使用片內已集成了光耦的二次集成芯片如MAX1480等。這種方案的優點是可以承受高電壓、持續時間較長的瞬態干擾，實現起來也比較容易，缺點是成本較高。 　　2.2 抗靜電及雷擊 　　前文提到的信號接地措施，只對低頻率的共模干擾有保護作用，對于頻率很高的瞬態干擾就無能為力了。由于傳輸線對高頻信號而言就是相當于電感，因此對于高頻瞬態干擾，接地線實際等同于開路。這樣的瞬態干擾雖然持續時間短暫，但可能會有成百上千伏的電壓。 　　實際應用環境下還是存在高頻瞬態干擾的可能。一般在切換大功率感性負載如電機、變壓器、繼電器等或閃電過程中都會產生幅度很高的瞬態干擾，如果不加以適當防護就會損壞RS-485通信接口。對于這種瞬態干擾可以采用隔離或旁路的方法加以防護。 　　（1） 隔離保護方法。這種方案實際上將瞬態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、光耦等元件實現接口的電氣隔離。 　　（2） 旁路保護方法。這種方案利用瞬態抑制元件（如TVS、MOV、氣體放電管等）將危害性的瞬態能量旁路到大地，優點是成本較低，缺點是保護能力有限，只能保護一定能量以內的瞬態干擾，持續時間不能很長，而且需要有一條良好的連接大地的通道，實現起來比較困難。實際應用中是將上述兩種方案結合起來靈活加以運用。 3 反射波干擾. 　　電信號在沿導線傳輸過程中，由于導線的分布電感、電容及電阻的存在，各節點的電信號并不能馬上建立，而是有一定的滯后，離起點越遠，電壓波和電流波到達的時間越晚。電壓波與電流波在傳輸過程中會產生一個與入射信號波方向相反的行波，通常稱為反射波。信號的多次反射大大延長了信號的傳輸時間，降低了電路的噪聲容限。 　　導致信號反射的原因主要有阻抗不連續和阻抗不匹配。當阻抗不連續時，信號在傳輸線末端突然遇到電纜阻抗很小甚至沒有，信號在這個地方就會引起反射。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，這種方法也稱為總線匹配。由于信號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格的系統。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省大部分功率，但匹配效果不及阻抗匹配。實際應用中需要在功耗和匹配質量間進行權衡。 [align=center] 圖3 總線匹配方式[/align] 　　引起信號反射的另一個原因是數據收發器與傳輸電纜之間的阻抗不匹配。信號反射對數據傳輸的影響，是因為反射信號觸發了接收器輸入端的比較器，使接收器收到了錯誤的信號，導致CRC校驗錯誤或整個數據幀錯誤。要減弱反射信號對通訊線路的影響，通常采用噪聲抑制和加偏置電阻的方法。在實際應用中，對于比較小的反射信號，為簡單方便，經常采用加偏置電阻的方法。在通訊波特率比較高的時候，在線路上加偏置電阻是很有必要的。 　　此外，信號頻率越高，越容易產生反射波干擾。在信號頻率確定的條件下，通常采用阻抗匹配法消除反射波干擾。 4 失效保護 　　RS-485標準規定了接收器門限為±200mV，這樣規定能夠提供比較高的噪聲抑制能力，但由于主機在發送端發完一個信息數據后，會將總線置于第三態，即總線空閑時沒有任何信號驅動總線，使AB之間的電壓在-200～+200mV直至趨于0V，這帶來了一個問題：接收器輸出狀態不確定。如果接收器的輸出為0V，網絡中從機將把其解釋為一個新的啟動位，并試圖讀取后續字節，由于永遠不會有停止位，將不再有設備請求總線，網絡陷于癱瘓狀態。除上述所述的總線空閑會造成兩線電壓差低于200mV的情況外，開路或短路時也會出現這種情況。故應采取一定的措施避免接收器處于不確定狀態。 [align=center] 圖4 利用偏置電阻實現的失效保護[/align] 　　通常是在總線上加偏置，使得總線空閑或開路時，也能有一個確定的狀態（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，具體數值隨電纜電容的不同而不同。 　　上述方法是比較經典的方法，但它仍然不能解決總線短路時的問題，有些廠家將接收門限移到-200mV/-50mV，可解決這個問題。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問題。 5 結束語 　　RS-485 總線具有許多優良的特性，如較高的噪聲抑制、較寬的共模范圍、可以長距離傳輸、能夠進行沖突保護等，在設計之初進行總體規劃并且通過合理的進行網絡布局、連續的信號通道、周全的保護等措施，就可以建立一個可靠的應用廣泛的RS-485網絡。 　　本文作者創新點：本文將RS-485總線理論應用到實際系統中，針對不同的情況，分析提出了不同的解決措施，以提高惡劣電氣環境下遠距離通訊的可靠性。 參考文獻 　　[1] 張傳省,張鐵中.基于RS- 485 的農業機器人與上位機可靠通信的實現. [J]微計算機信息, 2006,4-2:168-170 　　[2] 王幸之.單片機應用系統抗干擾技術[M].北京:北京航空航天大學出版社，2000. 　　[3] 張道德,張錚,楊光友.RS-485總線抗干擾的研究.湖北工業大學學報..2005.6 　　[4] 穆斌.RS-485總線網絡應用中的安全與可靠性[J ].光學精密工程,2003，11 （2） :193 - 197. 　　[5] 謝兵.RS-485系統保護分析[J ].世界電子元器件.2004 （1） :45 - 46. 　　[6] 尹紅,唐煜.單片機RS-485多機通訊的實現.計算機應用.1999.1.Vol.19，No.1