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提高485总线可靠性的方法及常见故障处理 

在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。

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。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。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。

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;

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.