提高 RS-485 总线可靠性的几种方法及常见故障处理

一、 RS-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，如图 1a 所示。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（图 2 ）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（图 3 ），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，如图 4 所示。

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 。

二、 RS-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。

三、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。

　四、 RS-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。

　　五、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。

　六、 RS-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；

  平时使用几个注意点