关键词：RS-485 抗干扰 信号反射 可靠性
在电力电子装置中常需要在恶劣的电气环境中进行远距离通讯，采用RS-485总线是一种比较广泛的做法。该总线接口电路因硬件设计简单、控制方便、成本低廉、通信速率高等优点广泛应用于工业监测监控等领域。但RS-485总线如果在抗干扰、自适应、通信效率等方面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 总线的可靠性至关重要。通常导致RS-485 网络系统故障的因素主要有：线路反射干扰、网络配置不合理、雷击及静电、共模干扰等，为此针对不同的故障原因需要研究不同的解决方法来提高RS-485 系统的可靠性。
1.网络配置
1.1 拓扑结构
RS-485支持半双工或全双工模式。网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，不支持环型或星型网络，最好采用一条总线将各个节点串联起来。从总线到每个节点的引出线长度尽量短，以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。图1所示为实际应用中常见的一些错误连接方式（1、2、3） 和更正的连接方式（4、5、6）。图中前3种不恰当的网络连接尽管在某些情况下（短距离、低速率） 仍然可以正常工作， 但随着通信距离的延长或通信速率的提高，其不良影响会越来越严重。此外，还应注意总线特性阻抗的连续性，在阻抗不连续点也会发生信号的反射。
图1 常见正确和错误连接方式
1.2.网络节点
有关总线上允许连接的收发器数量，标准并没有做出规定，但规定了最大总线负载为32个单位负载。每单位负载的最大输入电流是1.0mA/-0.8mA，相当于约12KΩ。为了扩展总线节点数，器件生产厂商增大收发器输入电阻。例如输入电阻增加至48KΩ以上（1/4 单位负载），节点数就可增加至128个，96KΩ的输入电阻允许节点数可到256个。
1.3 通信速率
信号频率越高，越容易产生反射波干扰。通常传输速率在（1200～19200） bps之间选取。 理论上，当通讯速度达到100Kbps时，最大通信距离可以达到1200m。在实际使用时，从通信效率、节点数、通信距离、可靠性等方面综合考虑，在通讯距离为1km时，可选用4800bps。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.过压瞬变干扰
RS-485 收发器采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。 但RS-485接收器差分输入端对“地”的共模电压允许范围为-7V～12V，超过此范围的过压瞬变可能会损坏器件。
引起过压瞬变的来源通常是雷电、静电放电、电源系统开关干扰等。静电放电电压可以高达数千伏，可以使工作中的器件产生闭锁而不能运行或使器件受损;而雷电感应在RS-485传输线上引起的瞬变干扰，可在瞬间烧毁连接在传输线上的全部器件。
2.1 共模干扰
RS-485接口采用差分方式传输信号方式，并不需要相对于某个参照点来检测信号，系统只需检测两线之间的电位差就可以了。但收发器的共模电压有一定范围，当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠，甚至损坏接口。以图2为例，当发送驱动器A向接收器B发送数据时，发送驱动器A的输出共模电压为V1，由于两个系统具有各自独立的接地系统，存在着地电位差V3。那么，接收器输入端的共模电压V2就会达到V2=V1+V3。RS -485标准规定V1 ≤ 3V，但V3可能会有十几伏甚至数十伏，并可能伴有强干扰信号，致使接收器共模输入V2超出正常范围，轻则影响正常通信，重则损坏通信接口电路。
图2 共模干扰示例
因此，尽管RS-485采用差分平衡传输方式，但对整个RS-485网络，必须有一条低阻的信号地。一条低阻的信号地将两个接口的工作地连接起来，使共模干扰电压被短路。这条信号地可以是额外的一条线（非屏蔽双绞线），或者是屏蔽双绞线的屏蔽层，这是最通常的接地方法。
通常有两种方式可以获得理想的共地效果：一种是将数据地从主器件的地中隔离出来;另一种就是将器件所有的“地”引脚以低阻抗的形式连接到大地。但是这种做法仅适用于高阻型共模干扰;当共模干扰源内阻较低时，会在接地线上形成较大的环路电流，影响正常通信。此时可以采取以下三种措施：
（1） 如果干扰源内阻不是非常小，可以在接地线上加限流电阻以限制干扰电流。接地电阻的增加可能会使共模电压升高，但只要控制在适当的范围内就不会影响正常通信。
（2） 采用浮地技术，隔断接地环路。这是较常用也是十分有效的一种方法，当共模干扰内阻很小时加限流电阻已不能奏效，此时可以考虑将引入干扰的节点浮置起来，也就是系统的电路地与机壳或大地隔离，这样就隔断了接地环路，避免形成很大的环路电流。
（3） 采用隔离接口。有些情况下,出于安全等方面的考虑,电路地必须与机壳或大地相连，不能悬浮,这时可以采用隔离接口来隔断接地回路。通常使用光电耦合器实现隔离接口。这种方式对数据线无额外负载，但需要独立的电源供应，复杂性高，而且对持续的瞬变不敏感。在高速数据传输时相应地应采用高速光耦如6N137。实现隔离保护通常有两种方式：一是用独立的光耦、带隔离的DC-DC、RS-485芯片搭建电路;二是使用片内已集成了光耦的二次集成芯片如MAX1480等。这种方案的优点是可以承受高电压、持续时间较长的瞬态干扰，实现起来也比较容易，缺点是成本较高。
2.2 抗静电及雷击
前文提到的信号接地措施，只对低频率的共模干扰有保护作用，对于频率很高的瞬态干扰就无能为力了。由于传输线对高频信号而言就是相当于电感，因此对于高频瞬态干扰，接地线实际等同于开路。这样的瞬态干扰虽然持续时间短暂，但可能会有成百上千伏的电压。
实际应用环境下还是存在高频瞬态干扰的可能。一般在切换大功率感性负载如电机、变压器、继电器等或闪电过程中都会产生幅度很高的瞬态干扰，如果不加以适当防护就会损坏RS-485通信接口。对于这种瞬态干扰可以采用隔离或旁路的方法加以防护。
（1） 隔离保护方法。这种方案实际上将瞬态高压转移到隔离接口中的电隔离层上，由于隔离层的高绝缘电阻，不会产生损害性的浪涌电流，起到保护接口的作用。通常采用高频变压器、光耦等元件实现接口的电气隔离。
（2） 旁路保护方法。这种方案利用瞬态抑制元件（如TVS、MOV、气体放电管等）将危害性的瞬态能量旁路到大地，优点是成本较低，缺点是保护能力有限，只能保护一定能量以内的瞬态干扰，持续时间不能很长，而且需要有一条良好的连接大地的通道，实现起来比较困难。实际应用中是将上述两种方案结合起来灵活加以运用。
3 反射波干扰.
电信号在沿导线传输过程中，由于导线的分布电感、电容及电阻的存在，各节点的电信号并不能马上建立，而是有一定的滞后，离起点越远，电压波和电流波到达的时间越晚。电压波与电流波在传输过程中会产生一个与入射信号波方向相反的行波，通常称为反射波。信号的多次反射大大延长了信号的传输时间，降低了电路的噪声容限。
导致信号反射的原因主要有阻抗不连续和阻抗不匹配。当阻抗不连续时，信号在传输线末端突然遇到电缆阻抗很小甚至没有，信号在这个地方就会引起反射。为有效消除这种反射波的干扰，需要在电缆的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻，使电缆的阻抗连续，这种方法也称为总线匹配。由于信号在电缆上的传输是双向的，因此，在通讯电缆的另一端也要跨接一个同样大小的终端电阻。
总线匹配通常有两种方式，一是加匹配电阻，如图3（1）所示。位于总线两端的差分端口之间跨接匹配电阻，以有效地抑制噪声干扰。通常双绞线特性阻抗大约在100Ω至130Ω之间[4] 。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式是RC匹配，如图3（1）所示。利用电容C可以隔断直流成分的特性可以节省大部分功率，但匹配效果不及阻抗匹配。实际应用中需要在功耗和匹配质量间进行权衡。
图3 总线匹配方式
引起信号反射的另一个原因是数据收发器与传输电缆之间的阻抗不匹配。信号反射对数据传输的影响，是因为反射信号触发了接收器输入端的比较器，使接收器收到了错误的信号，导致CRC校验错误或整个数据帧错误。要减弱反射信号对通讯线路的影响，通常采用噪声抑制和加偏置电阻的方法。在实际应用中，对于比较小的反射信号，为简单方便，经常采用加偏置电阻的方法。在通讯波特率比较高的时候，在线路上加偏置电阻是很有必要的。
此外，信号频率越高，越容易产生反射波干扰。在信号频率确定的条件下，通常采用阻抗匹配法消除反射波干扰。
4 失效保护
RS-485标准规定了接收器门限为±200mV，这样规定能够提供比较高的噪声抑制能力，但由于主机在发送端发完一个信息数据后，会将总线置于第三态，即总线空闲时没有任何信号驱动总线，使AB之间的电压在-200～+200mV直至趋于0V，这带来了一个问题：接收器输出状态不确定。如果接收器的输出为0V，网络中从机将把其解释为一个新的启动位，并试图读取后续字节，由于永远不会有停止位，将不再有设备请求总线，网络陷于瘫痪状态。除上述所述的总线空闲会造成两线电压差低于200mV的情况外，开路或短路时也会出现这种情况。故应采取一定的措施避免接收器处于不确定状态。
图4 利用偏置电阻实现的失效保护
通常是在总线上加偏置，使得总线空闲或开路时，也能有一个确定的状态（差分电压≥-200mV）。如图4所示，偏置电阻将A下拉到地，将B上拉到5V，电阻的典型值是1kΩ，具体数值随电缆电容的不同而不同。
上述方法是比较经典的方法，但它仍然不能解决总线短路时的问题，有些厂家将接收门限移到-200mV/-50mV，可解决这个问题。例如Maxim公司的MAX3080系列RS-485接口，不仅省去了外部偏置电阻，而且解决了总线短路情况下的失效保护问题。
5 结束语
RS-485 总线具有许多优良的特性，如较高的噪声抑制、较宽的共模范围、可以长距离传输、能够进行冲突保护等，在设计之初进行总体规划并且通过合理的进行网络布局、连续的信号通道、周全的保护等措施，就可以建立一个可靠的应用广泛的RS-485网络。
本文作者创新点：本文将RS-485总线理论应用到实际系统中，针对不同的情况，分析提出了不同的解决措施，以提高恶劣电气环境下远距离通讯的可靠性。
参考文献
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