提高RS-485總線可靠性的幾種方法及常見故障處理

在MCU之間中長距離通信的諸多方案中，RS-485因硬件設(shè)計簡單、控制方便、成本低廉等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于工廠自動化、工業(yè)控制、小區(qū)監(jiān)控、水利自動報測等領(lǐng)域。但RS-485總線在抗干擾、自適應(yīng)、通信效率等方面仍存在缺陷，一些細節(jié)的處理不當(dāng)常會導(dǎo)致通信失敗甚至系統(tǒng)癱瘓等故障，因此提高RS-485總線的運行可靠性至關(guān)重要。

一、RS-485接口電路的硬件設(shè)計

1、總線匹配

　　總線匹配有兩種方法，一種是加匹配電阻，如圖1a所示。位于總線兩端的差分端口VA與VB之間應(yīng)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(tǒng)。

　　另外一種比較省電的匹配方案是RC 匹配（圖2 ）利用一只電容C 隔斷直流成分，可以節(jié)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(zhì)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（圖3），這種方案雖未實現(xiàn)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(zhì)量的目的，節(jié)能效果顯著。

2、RO及DI端配置上拉電阻

　　異步通信數(shù)據(jù)以字節(jié)的方式傳送，在每一個字節(jié)傳送之前，先要通過一個低電平起始位實現(xiàn)握手。為防止干擾信號誤觸發(fā)RO（接收器輸出）產(chǎn)生負跳變，使接收端MCU進入接收狀態(tài)，建議RO外接10kΩ上拉電阻。

3、保證系統(tǒng)上電時的RS-485芯片處于接收輸入狀態(tài)

　　對于收發(fā)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，如圖4所示。

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(yīng)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(wěn)壓管代替。

5、合理選用芯片

　　例如，對外置設(shè)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(jié)點數(shù)要求較多的可選用SIPEX的SP485R。

二、RS-485網(wǎng)絡(luò)配置

1、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)

　　網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)與所選RS-485芯片驅(qū)動能力和接收器的輸入阻抗有關(guān)，如75LBC184標(biāo)稱最大值為64點，SP485R標(biāo)稱最大值為400點。實際使用時，因線纜長度、線徑、網(wǎng)絡(luò)分布、傳輸速率不同，實際節(jié)點數(shù)均達不到理論值。例如75LBC184運用在500m分布的RS-485網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點數(shù)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(jié)點數(shù)按RS-485芯片最大值的70%選取，傳輸速率在1200~9600b/s之間選取。通信距離1km以內(nèi)，從通信效率、節(jié)點數(shù)、通信距離等綜合考慮選用4800b/s最佳。通信距離1km以上時，應(yīng)考慮通過增加中繼模塊或降低速率的方法提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性。

2、節(jié)點與主干距離

　　理論上講，RS-485節(jié)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(jié)點采用T型，連接對網(wǎng)絡(luò)匹配并無太大影響，可放心使用，但對于節(jié)點間距非常?。ㄐ∮?m，如LED模塊組合屏）應(yīng)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(jié)構(gòu)通信總線，大多用于一對多點的通信系統(tǒng)，因此主機（PC）應(yīng)置于一端，不要置于中間而形成主干的T型分布。

三、提高RS-485通信效率

　　RS-485通常應(yīng)用于一對多點的主從應(yīng)答式通信系統(tǒng)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(xié)議及控制方式非常重要。

1、總線穩(wěn)態(tài)控制（握手信號）

　　大多數(shù)使用者選擇在數(shù)據(jù)發(fā)送前1ms將收發(fā)控制端TC置成高電平，使總線進入穩(wěn)定的發(fā)送狀態(tài)后才發(fā)送數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)發(fā)送完畢再延遲1ms后置TC端成低電平，使可靠發(fā)送完畢后才轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)。據(jù)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(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，對每個字節(jié)進行校驗的同時，應(yīng)盡量減少特征字和校驗字

　　慣用的數(shù)據(jù)包格式由引導(dǎo)碼、長度碼、地址碼、命令碼、數(shù)據(jù)、校驗碼、尾碼組成，每個數(shù)據(jù)包長度達20~30字節(jié)。在RS-485系統(tǒng)中這樣的協(xié)議不太簡練。推薦用戶使用MODBUS協(xié)議，該協(xié)議已廣泛應(yīng)用于水利、水文、電力等行業(yè)設(shè)備及系統(tǒng)的國際標(biāo)準(zhǔn)中。

四、RS-485接口電路的電源、接地