RS485總線脈沖群騷擾的來(lái)源及工作原理分析

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脈沖群騷擾的來(lái)源

在工業(yè)控制環(huán)境中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)雷電、短路、開(kāi)關(guān)動(dòng)作等具有電感負(fù)載的動(dòng)作而產(chǎn)生的瞬時(shí)干擾，這些干擾是一些短暫的高能量的脈沖騷擾，具有脈沖成群出現(xiàn)、脈沖的上升時(shí)間比較短暫、脈沖的重復(fù)頻率較高等特點(diǎn)。

這些干擾會(huì)耦合到RS485總線上，由于這些脈沖不是單個(gè)脈沖，而是一連串的脈沖，因此會(huì)在RS485總線上產(chǎn)生積累，使騷擾的電壓幅值超過(guò)RS485收發(fā)器的噪聲容限，引起通信錯(cuò)誤。

同時(shí)由于這些脈沖騷擾的周期較短，每個(gè)脈沖的出現(xiàn)的間隔時(shí)間較短，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)脈沖騷擾還未消失時(shí)，第二個(gè)脈沖就緊跟而來(lái)，對(duì)于RS485總線上的寄生電容和RS485收發(fā)器的結(jié)電容來(lái)說(shuō)，在還沒(méi)有放電完就又開(kāi)始充電，并且通常寄生電容較小，較小的能量就可以達(dá)到較高的電壓，容易損壞RS485收發(fā)器，影響RS485總線通信可靠性。

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脈沖群騷擾產(chǎn)生原理

脈沖群騷擾源的電壓大小取決于負(fù)載電路的電感、負(fù)載斷開(kāi)的速度等因素。以開(kāi)關(guān)動(dòng)作為例，由于開(kāi)關(guān)打開(kāi)瞬間動(dòng)靜觸頭之間的距離比較近，電路中的電感感應(yīng)出來(lái)的反電動(dòng)勢(shì)足以將觸頭間的空氣間隙擊穿，電路開(kāi)始導(dǎo)通，但這一放電過(guò)程的時(shí)間非常短暫，此時(shí)電路將產(chǎn)生一個(gè)前沿脈沖為ns級(jí)，寬度達(dá)到幾十ns級(jí)，幅度幾千伏以上的高壓小脈沖。當(dāng)上述脈沖結(jié)束后，電路開(kāi)始重復(fù)電感性負(fù)載產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)和通過(guò)開(kāi)關(guān)動(dòng)靜觸頭間的空氣間隙放電的過(guò)程。

這一過(guò)程將一直進(jìn)行，直到貯存在電感性能負(fù)載中的能量足夠低，再也產(chǎn)生不了上述放電過(guò)程為止。這些干擾會(huì)耦合到RS485總線上，形成較大的干擾，影響通信的可靠性。

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提高電快速脈沖群抗擾能力的措施

電快速脈沖群抗擾是共模干擾，可以采用濾波、吸收或者隔離的方式進(jìn)行抑制。大致總結(jié)為以下五種方法。

【一】RS485總線隔離

（1）保證設(shè)備及人身安全——高壓的影響

RS485用于設(shè)備之間的通信，很多時(shí)候，研發(fā)人員根本不知道客戶拿自己的設(shè)備與什么類型的設(shè)備通信，萬(wàn)一對(duì)方是一個(gè)利用幾塊錢(qián)的阻容降壓原理將220V降壓到12V，與電網(wǎng)完全沒(méi)有隔離，測(cè)試、調(diào)試、使用就會(huì)非常危險(xiǎn)，或者是高壓設(shè)備絕緣損壞，RS485線上帶高壓，就會(huì)威懾設(shè)備和人身的安全。

（2）避免遠(yuǎn)端接受異?！妱?shì)差的影響

許多實(shí)際應(yīng)用中，通信距離可達(dá)幾千米，節(jié)點(diǎn)之間的距離很遠(yuǎn)。設(shè)計(jì)者常常直接將每個(gè)節(jié)點(diǎn)的參考地接于本地的大地，作為信號(hào)的返回地，看似正?？煽康淖龇ǎ瑢?shí)際的大地并不是理想的“0”電位，大地也是導(dǎo)體，也存在阻抗。

當(dāng)大的電流流過(guò)大地時(shí)，流過(guò)電流的大地兩端也會(huì)存在電勢(shì)差。例如下圖1，由于AB較遠(yuǎn)，參考地之間并不是 0 電位，地線的阻抗也不會(huì)是 0，由于電流環(huán)路的作用，在A端的電壓是Vs，在B端就變成了Vc+Vs。

▲ 圖1. 電勢(shì)差的影響

（3）避免數(shù)據(jù)異常，器件損壞——地環(huán)路的影響

既然節(jié)點(diǎn)之間的大地存在電勢(shì)差，那直接用一根線將兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的地再連起來(lái)不就可以了？大錯(cuò)特錯(cuò)！這樣做只能使情況更加嚴(yán)重，這根長(zhǎng)長(zhǎng)的導(dǎo)線會(huì)與大地形成一個(gè)極大的地環(huán)路！相信大家在學(xué)生時(shí)代就知道，一個(gè)閉合線圈在變化的磁場(chǎng)里面就會(huì)產(chǎn)生電流。

50Hz的交流電力線、大型電機(jī)等，都是交流磁場(chǎng)的來(lái)源，若總線靠近或經(jīng)過(guò)這些地方，地環(huán)路就會(huì)產(chǎn)生電流高達(dá)數(shù)安培甚至上百安培。電流流過(guò)地環(huán)路產(chǎn)生的共模電壓就會(huì)影響總線的正常通信，除了穩(wěn)定的磁場(chǎng)來(lái)源，一些電力線的浪涌、雷擊、高頻噪聲等瞬態(tài)干擾都有可能被這個(gè)巨型的“環(huán)形天線”拾取，并造成通信異常。

【二】增加鐵氧體磁環(huán)吸收干擾

在設(shè)備入口端增加鐵氧體磁環(huán)可有效吸收干擾，同時(shí)增加通信線在鐵氧體磁環(huán)中的匝數(shù)可以增加干擾的吸收效果，如圖 2所示，在待測(cè)設(shè)備RS-485接口附近增加鐵氧體磁環(huán)。

▲ 圖2. 通信線增加鐵氧體磁環(huán)

【三】使用屏蔽雙絞線

如圖所示，在實(shí)際應(yīng)用中，RS485通信線可以使用屏蔽雙絞線，并且屏蔽層單點(diǎn)接大地，可以有效抑制電快速脈沖群騷擾耦合到通信線上。

▲ 圖3.使用屏蔽雙絞線

【四】增加RS-485總線對(duì)地TVS

當(dāng)在A對(duì)大地、B對(duì)大地之間增加TVS管，耦合到RS485總線上的電快速脈沖群騷擾電壓幅值較高時(shí)，干擾電壓會(huì)被TVS鉗位，達(dá)到保護(hù)RS485收發(fā)器的目的。

▲ 增加TVS進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)

【五】RS-485總線串聯(lián)磁珠

由于磁珠在高頻時(shí)相當(dāng)于電阻，會(huì)將高頻能量轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉。因此在RS485總線上串聯(lián)磁珠，在電快速脈沖群信號(hào)耦合到RS485總線上時(shí)，電快速脈沖群騷擾的能量會(huì)被磁珠消耗掉，提高RS485總線的抗干擾能力。

編輯：黃飛

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