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、
　　
　　1RS-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、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、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、
　　
　　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、
　　
　　2RS-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、
　　
　　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、
　　
　　3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、
　　
　　4RS-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、
　　
　　5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、
　　
　　6RS-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)