提高RS-485總線可靠性的幾種方法及常見故障處理
閱讀：2356發布時間：2011-4-19
在MCU之間中長距離通信的諸多方案中、RS-485因硬件設計簡單、控制方便、成本低廉等優點廣泛應用于工廠自動化、工業控制、小區監控、水利自動報測等領域、但RS-485總線在抗干擾、自適應、通信效率等方面仍存在缺陷、一些細節的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總線的運行可靠性至關重要、
1RS-485接口電路的硬件設計
1）總線匹配、總線匹配有兩種方法、一種是加匹配電阻、位于總線兩端的差分端口VA與VB之間應跨接120Ω匹配電阻、以減少由于不匹配而引起的反射、吸收噪聲、有效地抑制了噪聲干擾、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案是RC匹配利用一只電容C隔斷直流成分、可以節省大部分功率、但電容C的取值是個難點、需要在功耗和匹配質量間進行折衷、除上述兩種外還有一種采用二極管的匹配方案、這種方案雖未實現真正的匹配、但它利用二極管的鉗位作用、迅速削弱反射信號達到改善信號質量的目的、節能*、
2）RO及DI端配置上拉電阻、異步通信數據以字節的方式傳送、在每一個字節傳送之前、先要通過一個低電平起始位實現握手、為防止干擾信號誤觸發RO（接收器輸出）產生負跳變、使接收端MCU進入接收狀態、建議RO外接10kΩ上拉電阻、
3）保證系統上電時的RS-485芯片處于接收輸入狀態、對于收發控制端TC建議采用MCU引腳通過反相器進行控制、不宜采用MCU引腳直接進行控制、以防止MCU上電時對總線的干擾、
4）總線隔離、RS-485總線為并接式二線制接口、一旦有一只芯片故障就可能將總線“拉死”、因此對其二線口VA、VB與總線之間應加以隔離、通常在VA、VB與總線之間各串接一只4~10Ω的PTC電阻、同時與地之間各跨接5V的TVS二極管、以消除線路浪涌干擾、如沒有PTC電阻和TVS二極管、可用普通電阻和穩壓管代替、
5）合理選用芯片、例如、對外置設備為防止強電磁（雷電）沖擊、建議選用TI的75LBC184等防雷擊芯片、對節點數要求較多的可選用SIPEX的SP485R、
2RS-485網絡配置
1）網絡節點數、網絡節點數與所選RS-485芯片驅動能力和接收器的輸入阻抗有關、如75LBC184標稱zui大值為64點、SP485R標稱zui大值為400點、實際使用時、因線纜長度、線徑、網絡分布、傳輸速率不同、實際節點數均達不到理論值、例如75LBC184運用在500m分布的RS-485網絡上節點數超過50或速率大于9.6kb/s時、工作可靠性明顯下降、通常推薦節點數按RS-485芯片zui大值的70%選取、傳輸速率在1200~9600b/s之間選取、通信距離1km以內、從通信效率、節點數、通信距離等綜合考慮選用4800b/s*、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）節點與主干距離、理論上講、RS-485節點與主干之間距離（T頭、也稱引出線）越短越好、T頭小于10m的節點采用T型、連接對網絡匹配并無太大影響、可放心使用、但對于節點間距非常小（小于1m、如LED模塊組合屏）應采用星型連接、若采用T型或串珠型連接就不能正常工作、RS-485是一種半雙工結構通信總線、大多用于一對多點的通信系統、因此主機（PC）應置于一端、不要置于中間而形成主干的T型分布、
3提高RS-485通信效率
RS-485通常應用于一對多點的主從應答式通信系統中、相對于RS-232等全雙工總線效率低了許多、因此選用合適的通信協議及控制方式非常重要、
1．總線穩態控制（握手信號）、大多數使用者選擇在數據發送前1ms將收發控制端TC置成高電平、使總線進入穩定的發送狀態后才發送數據；數據發送完畢再延遲1ms后置TC端成低電平、使可靠發送完畢后才轉入接收狀態、據筆者使用TC端的延時有4個機器周期已滿足要求；
2．為保證數據傳輸質量、對每個字節進行校驗的同時、應盡量減少特征字和校驗字、慣用的數據包格式由引導碼、長度碼、地址碼、命令碼、數據、校驗碼、尾碼組成、每個數據包長度達20~30字節、在RS-485系統中這樣的協議不太簡練、推薦用戶使用MODBUS協議、該協議已廣泛應用于水利、水文、電力等行業設備及系統的標準中、
4RS-485接口電路的電源、接地
對于由MCU結合RS-485微系統組建的測控網絡、應優先采用各微系統獨立供電方案、不要采用一臺大電源給微系統并聯供電、同時電源線（交直流）不能與RS-485信號線共用同一股多芯電纜、RS-485信號線宜選用截面積0.75mm2以上雙絞線而不是平直線、對于每個小容量直流電源選用線性電源LM7805比選用開關電源更合適、當然應注意LM7805的保護：
1．LM7805輸入端與地應跨接220~1000μF電解電容；
2．LM7805輸入端與輸出端反接1N4007二極管；
3．LM7805輸出端與地應跨接470~1000μF電解電容和104pF獨石電容并反接1N4007二極管；
4．輸入電壓以8~10V為佳、zui大允許范圍為6.5~24V、可選用TI的PT5100替代LM7805、以實現9～38V的超寬電壓輸入、
5光電隔離
在某些工業控制領域、由于現場情況十分復雜、各個節點之間存在很高的共模電壓、雖然RS-485接口采用的是差分傳輸方式、具有一定的抗共模干擾的能力、但當共模電壓超過RS-485接收器的極限接收電壓、即大于+12V或小于－7V時、接收器就再也無法正常工作了、嚴重時甚至會燒毀芯片和儀器設備、
解決此類問題的方法是通過DC-DC將系統電源和RS-485收發器的電源隔離；通過光耦將信號隔離、*消除共模電壓的影響、實現此方案的途徑可分為：
（1）用光耦、帶隔離的DC-DC、RS-485芯片構筑電路；
（2）使用二次集成芯片、如PS1480、MAX1480等、
6RS-485系統的常見故障及處理方法
RS-485是一種低成本、易操作的通信系統、但是穩定性弱同時相互牽制性強、通常有一個節點出現故障會導致系統整體或局部的癱瘓、而且又難以判斷、故向讀者介紹一些維護RS-485的常用方法、
1）若出現系統*癱瘓、大多因為某節點芯片的VA、VB對電源擊穿、使用萬用表測VA、VB間差模電壓為零、而對地的共模電壓大于3V、此時可通過測共模電壓大小來排查、共模電壓越大說明離故障點越近、反之越遠；
2）總線連續幾個節點不能正常工作、一般是由其中的一個節點故障導致的、一個節點故障會導致鄰近的2～3個節點（一般為后續）無法通信、因此將其逐一與總線脫離、如某節點脫離后總線能恢復正常、說明該節點故障；
3）集中供電的RS-485系統在上電時常常出現部分節點不正常、但每次又不*一樣、這是由于對RS-485的收發控制端TC設計不合理、造成微系統上電時節點收發狀態混亂從而導致總線堵塞、改進的方法是將各微系統加裝電源開關然后分別上電；
4）系統基本正常但偶爾會出現通信失敗、一般是由于網絡施工不合理導致系統可靠性處于臨界狀態、改變走線或增加中繼模塊、應急方法之一是將出現失敗的節點更換成性能更優異的芯片；
5）因MCU故障導致TC端處于長發狀態而將總線拉死一片、提醒讀者不要忘記對TC端的檢查、盡管RS-485規定差模電壓大于200mV即能正常工作、但實際測量：一個運行良好的系統其差模電壓一般在1.2V左右（因網絡分布、速率的差異有可能使差模電壓在0.8~1.5V范圍內）
