導讀

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。但實際用的時候，可能會遇到通信不了、出錯或者收發(fā)器壞掉的問題。本文將深度剖析RS-485組網(wǎng)問題。

?應用問題

當出現(xiàn)通信錯誤或者不能通信時首先判斷應用是否符合表1中的應用情況。

表1 RS-485總線應用情況

表1中三種應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，下面對其進行詳細分析。

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中所述的異常現(xiàn)象。

表2 終端電阻導致的異常現(xiàn)象

圖1 RS232/485雙向轉(zhuǎn)換器

終端電阻導致異常的原因：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，輸出狀態(tài)不確定，即有可能輸出高電平（此時表現(xiàn)為通信正常），有可能輸出低電平（此時表現(xiàn)為通信異常），因此若總線空閑狀態(tài)時AB差分電壓處于門限電平之內(nèi)，則會出現(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，導致空閑狀態(tài)時總線差分電壓處于門限電平之內(nèi)，出現(xiàn)通信異常。當出現(xiàn)上述情況時，首先需確認總線上是否存在終端電阻。

表2現(xiàn)象2分析：單板測試時，單板或與之通信的設備接有終端電阻，此時AB之間差分電壓處于門限電平之內(nèi)時，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引腳一般會設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)時的電壓是由上下拉電阻與終端電阻分壓得到，此時空閑狀態(tài)的AB差分電壓會大于200mV,使RS-485收發(fā)器輸出一個確定的高電平，不會引起通信錯誤，如圖3為兩個RSM485PCHT進行通信，AB之間加60Ω并且增加RS-232/485雙向轉(zhuǎn)換器的測試波形，空閑狀態(tài)的電壓為520mV，不會引起錯誤。圖2為兩個RSM485PCHT進行通信，AB之間加60Ω測試的波形，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)通信錯誤。

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

圖3 AB間只加兩個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 上下拉電阻導致的異常現(xiàn)象

上述問題是所加上下拉電阻值較小導致的問題，超過了芯片可以驅(qū)動的負載能力。RSM485PCHT在AB之間加兩個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，當上下拉電阻并聯(lián)值小于51Ω時，雖然芯片可以正常輸出，但是輸出信號已大于-200mV，此時可能出現(xiàn)通信錯誤或完全不能通信。上下拉電阻過小會導致RS-485收發(fā)器在功耗過大，發(fā)熱嚴重，有可能導致收發(fā)器過熱保護或者損壞，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)值應大于375Ω。

表5 不同上下拉電阻值驅(qū)動電壓

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，因此應在發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)前增加一段延時（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電平應與RS-485收發(fā)器輸入邏輯電平匹配，即MCU為5V邏輯電平，應使用供電為5V的RSM系列隔離模塊。

隔離RS-485收發(fā)器RSM485PCHT

? Mini 小體積或標準模塊化封裝

? 低電磁輻射和高磁干擾性

? 有效提升總線通信防護等級

?波形測試方法

由于RS-485總線應用非常廣泛，應用問題不僅僅只是上面幾種，當排除上面的問題后，可以通過測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，測量RS-485總線AB差分電壓與模塊TXD、RXD引腳之間波形的對應關(guān)系可以判斷異常位置。使用圖4所示的測試方法得到如圖5所示波形，TXD為高電平時，A-B為高電平，TXD為低電平時，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 測試發(fā)送功能是否正常

圖5 發(fā)送功能測試正常波形

2. 檢查RS-485收發(fā)器接收功能

使用圖6所示的測試方法得到如圖7所示波形，A-B為高電平時，RXD為高電平，A-B為低電平時，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 測試接收功能是否正常

圖7 接收功能測試正常波形

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所示的方法分別測試TXD、RXD與CON邏輯關(guān)系，得到圖9和圖10所示波形，對于RSM485PCHT，發(fā)送或接收信號前，CON引腳應至少提前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)，當超過此范圍內(nèi)時會造成芯片損壞。由于工業(yè)現(xiàn)場大地經(jīng)常會流過瞬時大電流，若收發(fā)器RGND引腳連接不當，則AB引腳的共模電壓會超過其可承受的共模電壓范圍，導致模塊損壞。下面以RSM485PCHT為例進行分析。

圖11 RGND多點接大地示意圖（錯誤連接）

當U1發(fā)送高電平時，以RSM485PCHT為例：

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

由于VA1發(fā)送時為5V，當VEARTH超過7V時就有可能導致?lián)p壞，因此在實際應用中，節(jié)點之間的RGND可以通過屏蔽雙絞線的屏蔽層進行連接，屏蔽層通過阻容單點連接至大地，如圖12所示。

圖12 RGND推薦連接

2. 高等級的靜電和浪涌造成模塊損壞

在應用環(huán)境中有較高等級的靜電和浪涌時，如果只是單純使用RS-485收發(fā)器芯片或者模塊，可能會導致模塊損壞，此時就需要增加外圍保護電路來保護收發(fā)器。但保護電路需要可靠地接地才能將靜電和浪涌能量泄放。下面以進行共模浪涌測試為例，如圖13所示，若保護電路未連接至大地，則浪涌能量（紅色部分）通過隔離模塊進行釋放，較高的浪涌等級容易導致模塊損壞；當保護電路接大地時，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通過模塊釋放，可以起到保護的作用。

圖13 保護電路未接大地

圖14 保護電路接大地