提高RS485通信可靠性的設(shè)計方法

RS-485接口芯片能擔(dān)當(dāng)起一種電平轉(zhuǎn)化的角色，把TTL信號、COMS信號等轉(zhuǎn)化為能在485總線上傳輸?shù)牟罘中盘?，把接收到?strong>485差分信號轉(zhuǎn)化為MCU能夠識別的TTL或COMS電平，在工業(yè)控制、儀器、儀表、多媒體網(wǎng)絡(luò)、機電一體化產(chǎn)品等諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但在RS485通信中，常常會存在通信距離不遠(yuǎn)、通信質(zhì)量差等問題。為提高RS485的通信質(zhì)量，除了采用終端匹配的總線型結(jié)構(gòu)外，在系統(tǒng)設(shè)計中通常要考慮以下幾個問題。

1.故障保護

根據(jù)RS-485的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，接收器的接收靈敏度為±200mV,這意味著當(dāng)接收端的差分電壓大于等于+200mV時，接收器輸出為高電平，小于等于-200mV時輸出為低電平，介于±200mV之間時，接收器輸出為不確定狀態(tài)。在總線空閑(即傳輸線上所有節(jié)點都為接收狀態(tài))以及傳輸線開路或短路故障時，若不采取特殊措施，接收器可能輸出高電平或者低電平。一旦某個節(jié)點的接收器產(chǎn)生低電平，就會使串行接收器(UART)找不到起始位，從而引起通信異常。

為解決該問題，很多RS485接口芯片引入了故障保護。例如，上海英聯(lián)電子的UM3085/UM3088輸入靈敏度為-50mV/-200mV,即差分接收器輸入電壓UA-B≥-50mV時，接收器輸出邏輯高電平，如果UA-B≤-200mV,則輸出邏輯低電平。當(dāng)接收器輸入端總線短路或總線上所有發(fā)送器被禁止時，接收器差分輸入端為0V,從而確保總線空閑、短路時接收器輸出高電平。

2.防雷電沖擊

RS-485接口芯片在使用、焊接或設(shè)備的運輸途中都有可能受到靜電沖擊而損壞。在傳輸線架設(shè)于戶外的使用場合，接口芯片乃至整個系統(tǒng)還有可能遭受雷電襲擊。選用抗靜電或抗雷擊的芯片可有效避免此類損失。UM3085/UM3088芯片內(nèi)部集成了ESD保護電路，人體模型ESD保護和機器模型ESD保護分別達到15kV和2kV.此外，英聯(lián)電子還有一套完善的ESD保護方案(圖1)，使系統(tǒng)能在更為苛刻的瞬態(tài)高壓沖擊環(huán)境中可靠運行。

圖1:RS485芯片防雷和防浪涌電壓設(shè)計

RS485芯片的供電電源通常來自于變壓器，當(dāng)出現(xiàn)較為惡劣電壓變化時，電源上可能會出現(xiàn)一些瞬態(tài)浪涌高壓，圖中UM07可以很好地將這些瞬態(tài)電壓鉗位，保護接口芯片。與此同時，對于總線的兩個通信端口，采用UESD712進行保護，可以起到很好的防雷效果。

3.光耦隔離

在某些工業(yè)控制領(lǐng)域，由于現(xiàn)場情況十分復(fù)雜，各個節(jié)點之間存在很高的共模電壓。雖然RS-485接口采用差分傳輸方式，具有一定的抗共模干擾能力，但當(dāng)共模電壓超過RS-485接收器的極限接收電壓，即大于+12V或小于-7V時，接收器就無法正常工作，嚴(yán)重時甚至?xí)龤酒蛢x器設(shè)備。

解決方法是通過DC/DC轉(zhuǎn)換器將系統(tǒng)電源和RS-485收發(fā)器的電源進行光耦隔離(圖2)，徹底消除共模電壓的影響，并濾除接地回路和傳導(dǎo)噪聲引起的干擾。

4.寬的信號擺幅

在RS485通信中，為防止信號反射，通常在終端都接有90~120歐姆的電阻。一般的RS485接口芯片在帶這樣的電阻負(fù)載時，其輸出電壓的擺幅只有1.5~1.8V,因此在進行長距離通信時，由于信號的衰減，接收器可能無法正確地接收到信號，導(dǎo)致誤碼。UM3085/UM3088驅(qū)動器將輸出信號擺幅提高到大于2.2V,從而在長距離通信中具有更高可靠性。此外，UM3085/UM3088具有斜率限制的特點，能減少EMI,并能在使用阻抗不匹配的傳輸線時降低反射，提高通信質(zhì)量。

綜上所述，在選擇RS485接口芯片時，除了要考慮靜態(tài)電流、電源電壓寬度范圍等參數(shù)外，還要考慮其故障保護功能、抗靜電性能、驅(qū)動能力，以及外部環(huán)境、通信電纜等方方面面的因素，這樣才能構(gòu)建一個高質(zhì)量的RS485通信網(wǎng)絡(luò)。