【RS-485總線】如何快速解決RS-485組網(wǎng)通訊異常？

導(dǎo)讀

RS-485總線的好處大家都知道，用隔離模塊能讓通信更穩(wěn)定。但實(shí)際用的時(shí)候，可能會(huì)遇到通信不了、出錯(cuò)或者收發(fā)器壞掉的問題。本文將深度剖析RS-485組網(wǎng)問題。

?應(yīng)用問題

當(dāng)出現(xiàn)通信錯(cuò)誤或者不能通信時(shí)首先判斷應(yīng)用是否符合表1中的應(yīng)用情況。

表1 RS-485總線應(yīng)用情況

表1中三種應(yīng)用情況分別屬于終端電阻、上下拉電阻、控制腳以及邏輯輸入側(cè)電平的問題，下面對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)分析。

1. 終端電阻問題

若RS-485總線上接有終端電阻，且所用RS-485收發(fā)器門限電平是±200mV，則可能出現(xiàn)表2中所述的異?，F(xiàn)象。

表2 終端電阻導(dǎo)致的異?，F(xiàn)象

圖1 RS232/485雙向轉(zhuǎn)換器

終端電阻導(dǎo)致異常的原因：RS-485收發(fā)器接收門限電平為±200mV，即AB之間差分電壓大于+200mV，輸出高電平；AB之間差分電壓小于-200mV，輸出低電平；AB之間電壓在±200mV之間時(shí)，輸出狀態(tài)不確定，即有可能輸出高電平（此時(shí)表現(xiàn)為通信正常），有可能輸出低電平（此時(shí)表現(xiàn)為通信異常），因此若總線空閑狀態(tài)時(shí)AB差分電壓處于門限電平之內(nèi)，則會(huì)出現(xiàn)一定概率的異常問題。

表2現(xiàn)象1分析：單板可以正常通信，組網(wǎng)后由于RS-485總線上接有終端電阻，導(dǎo)致空閑狀態(tài)時(shí)總線差分電壓處于門限電平之內(nèi)，出現(xiàn)通信異常。當(dāng)出現(xiàn)上述情況時(shí)，首先需確認(rèn)總線上是否存在終端電阻。

表2現(xiàn)象2分析：單板測(cè)試時(shí)，單板或與之通信的設(shè)備接有終端電阻，此時(shí)AB之間差分電壓處于門限電平之內(nèi)時(shí)，有一定概率出現(xiàn)通信異常。

表2現(xiàn)象3分析：此現(xiàn)象同樣是由于終端電阻導(dǎo)致的，由于RS-232/485雙向轉(zhuǎn)換器（如圖1）內(nèi)部AB引腳一般會(huì)設(shè)置小阻值的上下拉電阻（例如560Ω），若用RS-232/485雙向轉(zhuǎn)換器通信，由于RS-485總線空閑狀態(tài)時(shí)的電壓是由上下拉電阻與終端電阻分壓得到，此時(shí)空閑狀態(tài)的AB差分電壓會(huì)大于200mV,使RS-485收發(fā)器輸出一個(gè)確定的高電平，不會(huì)引起通信錯(cuò)誤，如圖3為兩個(gè)RSM485PCHT進(jìn)行通信，AB之間加60Ω并且增加RS-232/485雙向轉(zhuǎn)換器的測(cè)試波形，空閑狀態(tài)的電壓為520mV，不會(huì)引起錯(cuò)誤。圖2為兩個(gè)RSM485PCHT進(jìn)行通信，AB之間加60Ω測(cè)試的波形，可以看出空閑狀態(tài)AB差分電壓為40mV，處于門限電平范圍之內(nèi)，有可能出現(xiàn)通信錯(cuò)誤。

圖2 AB間加兩個(gè)120Ω電阻，并增加RS-232/485雙向轉(zhuǎn)換器

圖3 AB間只加兩個(gè)120Ω電阻

解決方法主要有三種，具體如表3：

表3 終端電阻問題解決方法

2. 上下拉電阻問題
上下拉電阻并聯(lián)值過小可能引起的現(xiàn)象如表4所示。表4 上下拉電阻導(dǎo)致的異?，F(xiàn)象

上述問題是所加上下拉電阻值較小導(dǎo)致的問題，超過了芯片可以驅(qū)動(dòng)的負(fù)載能力。RSM485PCHT在AB之間加兩個(gè)120Ω電阻后，所加上下拉電阻值與輸出差分電壓低電平的關(guān)系如表 5所示，當(dāng)上下拉電阻并聯(lián)值小于51Ω時(shí)，雖然芯片可以正常輸出，但是輸出信號(hào)已大于-200mV，此時(shí)可能出現(xiàn)通信錯(cuò)誤或完全不能通信。上下拉電阻過小會(huì)導(dǎo)致RS-485收發(fā)器在功耗過大，發(fā)熱嚴(yán)重，有可能導(dǎo)致收發(fā)器過熱保護(hù)或者損壞，因此為了保證通信的可靠性，上下拉電阻阻值不宜過小，一般上拉或下拉電阻的并聯(lián)值應(yīng)大于375Ω。

表5 不同上下拉電阻值驅(qū)動(dòng)電壓

3. 控制腳以及邏輯輸入側(cè)的問題

由于收發(fā)切換需要一定的延時(shí)，因此應(yīng)在發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)前增加一段延時(shí)（例如RSM485PCHT，需要增加至少25μs）來保證RS-485收發(fā)器已經(jīng)處于發(fā)送或者接收狀態(tài)。MCU電平應(yīng)與RS-485收發(fā)器輸入邏輯電平匹配，即MCU為5V邏輯電平，應(yīng)使用供電為5V的RSM系列隔離模塊。

隔離RS-485收發(fā)器RSM485PCHT

? Mini 小體積或標(biāo)準(zhǔn)模塊化封裝

? 低電磁輻射和高磁干擾性

? 有效提升總線通信防護(hù)等級(jí)

?波形測(cè)試方法

由于RS-485總線應(yīng)用非常廣泛，應(yīng)用問題不僅僅只是上面幾種，當(dāng)排除上面的問題后，可以通過測(cè)試總線波形的方法來找到通信異常的位置，判斷異常原因。

1. 檢查RS-485收發(fā)器發(fā)送功能

在通信異常時(shí)，測(cè)量RS-485總線AB差分電壓與模塊TXD、RXD引腳之間波形的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以判斷異常位置。使用圖4所示的測(cè)試方法得到如圖5所示波形，TXD為高電平時(shí)，A-B為高電平，TXD為低電平時(shí)，A-B為低電平，并且模塊輸出電平正常，可以判斷出模塊發(fā)送功能正常。

圖4 測(cè)試發(fā)送功能是否正常

圖5 發(fā)送功能測(cè)試正常波形

2. 檢查RS-485收發(fā)器接收功能

使用圖6所示的測(cè)試方法得到如圖7所示波形，A-B為高電平時(shí)，RXD為高電平，A-B為低電平時(shí)，RXD為低電平，并且模塊RXD輸出電平正常，可以判斷模塊接收功能正常。

圖6 測(cè)試接收功能是否正常

圖7 接收功能測(cè)試正常波形

3. 檢查RS-485收發(fā)器控制引腳與TXD、RXD邏輯關(guān)系

使用如圖8所示的方法分別測(cè)試TXD、RXD與CON邏輯關(guān)系，得到圖9和圖10所示波形，對(duì)于RSM485PCHT，發(fā)送或接收信號(hào)前，CON引腳應(yīng)至少提前25μs置為低電平或高電平，并且數(shù)據(jù)發(fā)送或接收完成后再切換收發(fā)狀態(tài)。

圖8 TXD與CON測(cè)試

圖9 發(fā)送數(shù)據(jù)CON波形

圖10 接收數(shù)據(jù)CON波形

?收發(fā)器損壞

1. 模塊AB引腳超過共模電壓范圍導(dǎo)致的損壞

RS-485收發(fā)器AB引腳的共模電壓范圍一般要求在-7V~+12V范圍內(nèi)，當(dāng)超過此范圍內(nèi)時(shí)會(huì)造成芯片損壞。由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)大地經(jīng)常會(huì)流過瞬時(shí)大電流，若收發(fā)器RGND引腳連接不當(dāng)，則AB引腳的共模電壓會(huì)超過其可承受的共模電壓范圍，導(dǎo)致模塊損壞。下面以RSM485PCHT為例進(jìn)行分析。

圖11 RGND多點(diǎn)接大地示意圖（錯(cuò)誤連接）

當(dāng)U1發(fā)送高電平時(shí)，以RSM485PCHT為例：

由于兩個(gè)模塊都直接連接至機(jī)殼或者大地，當(dāng)機(jī)殼或大地中通過較大電流時(shí)，在U1和U2的RGND引腳之間產(chǎn)生了VEARTH電壓差，當(dāng)U1向U2發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，U2的A引腳的電壓為：

由于VA1發(fā)送時(shí)為5V，當(dāng)VEARTH超過7V時(shí)就有可能導(dǎo)致?lián)p壞，因此在實(shí)際應(yīng)用中，節(jié)點(diǎn)之間的RGND可以通過屏蔽雙絞線的屏蔽層進(jìn)行連接，屏蔽層通過阻容單點(diǎn)連接至大地，如圖12所示。

圖12 RGND推薦連接

2. 高等級(jí)的靜電和浪涌造成模塊損壞

在應(yīng)用環(huán)境中有較高等級(jí)的靜電和浪涌時(shí)，如果只是單純使用RS-485收發(fā)器芯片或者模塊，可能會(huì)導(dǎo)致模塊損壞，此時(shí)就需要增加外圍保護(hù)電路來保護(hù)收發(fā)器。但保護(hù)電路需要可靠地接地才能將靜電和浪涌能量泄放。下面以進(jìn)行共模浪涌測(cè)試為例，如圖13所示，若保護(hù)電路未連接至大地，則浪涌能量（紅色部分）通過隔離模塊進(jìn)行釋放，較高的浪涌等級(jí)容易導(dǎo)致模塊損壞；當(dāng)保護(hù)電路接大地時(shí)，如圖14所示，浪涌能量首先通過GDT泄放到大地，然后通過TVS和電容泄放，剩余很少的能量才會(huì)通過模塊釋放，可以起到保護(hù)的作用。

圖13 保護(hù)電路未接大地

圖14 保護(hù)電路接大地