深度剖析RS-485組網問題及總線測試

RS-485總線優點眾所皆知，並且為保證通信的穩定性，都會使用隔離RS-485模塊進行信號隔離。但在RS-485實際組網時，或多或少會遇到不能通信、通信出錯、RS-485收發器損壞等情況，其中究竟為何？本文將深度剖析RS-485組網問題。

一、應用問題

當出現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於終端電阻、上下拉電阻、控制腳以及邏輯輸入側電平的問題，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收發器門限電平是±200mV，則可能出現表2中所述的異常現象。

表2 終端電阻導致的異常現象

圖1 RS232/485雙向轉換器

終端電阻導致異常的原因：RS-485收發器接收門限電平為±200mV，即AB之間差分電壓大於+200mV，輸出高電平；AB之間差分電壓小於-200mV，輸出低電平；AB之間電壓在±200mV之間時，輸出狀態不確定，即有可能輸出高電平（此時表現為通信正常），有可能輸出低電平（此時表現為通信異常），因此若總線空閒狀態時AB差分電壓處於門限電平之內，則會出現一定概率的異常問題。

表2現象1分析：單板可以正常通信，組網後由於RS-485總線上接有終端電阻，導致空閒狀態時總線差分電壓處於門限電平之內，出現通信異常。當出現上述情況時，首先需確認總線上是否存在終端電阻。 

表2現象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之間差分電壓處於門限電平之內時，有一定概率出現通信異常。

表2現象3分析：此現象同樣是由於終端電阻導致的，由於RS-232/485雙向轉換器（如圖1）內部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雙向轉換器通信，由於RS-485總線空閒狀態時的電壓是由上下拉電阻與終端電阻分壓得到，此時空閒狀態的AB差分電壓會大於200mV,使RS-485收發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並且增加RS-232/485雙向轉換器的測試波形，空閒狀態的電壓為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，可以看出空閒狀態AB差分電壓為40mV，處於門限電平範圍之內，有可能出現通信錯誤。

圖2 AB間加兩個120Ω電阻，並增加RS-232/485雙向轉換器

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

上下拉電阻並聯值過小可能引起的現象如表4所示。

表4 上下拉電阻導致的異常現象

上述問題是所加上下拉電阻值較小導致的問題，超過了晶片可以驅動的負載能力。RSM485PCHT在AB之間加兩個120Ω電阻後，所加上下拉電阻值與輸出差分電壓低電平的關係如表 5所示，當上下拉電阻並聯值小於51Ω時，雖然晶片可以正常輸出，但是輸出信號已大於-200mV，此時可能出現通信錯誤或完全不能通信。上下拉電阻過小會導致RS-485收發器在功耗過大，發熱嚴重，有可能導致收發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並聯值應大於375Ω。

表5 不同上下拉電阻值驅動電壓

3、控制腳以及邏輯輸入側的問題

由於收發切換需要一定的延時，因此應在發送或者接收數據前增加一段延時（例如RSM485PCHT，需要增加至少25μs）來保證RS-485收發器已經處於發送或者接收狀態。

MCU電平應與RS-485收發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。

二、波形測試方法

由於RS-485總線應用非常廣泛，應用問題不僅僅只是上面幾種，當排除上面的問題後，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收發器發送功能

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係可以判斷異常位置。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，並且模塊輸出電平正常，可以判斷出模塊發送功能正常。

圖4 測試發送功能是否正常

圖5 發送功能測試正常波形

2、檢查RS-485收發器接收功能

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，並且模塊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收發器控制引腳與TXD、RXD邏輯關係

使用如圖8所示的方法分別測試TXD、RXD與CON邏輯關係，得到圖9和圖10所示波形，對於RSM485PCHT，發送或接收信號前，CON引腳應至少提前25μs置為低電平或高電平，並且數據發送或接收完成後再切換收發狀態。

圖8 TXD與CON測試

圖9 發送數據CON波形

圖10 接收數據CON波形

三、收發器損壞

1、模塊AB引腳超過共模電壓範圍導致的損壞

RS-485收發器AB引腳的共模電壓範圍一般要求在-7V~+12V範圍內，當超過此範圍內時會造成晶片損壞。由於工業現場大地經常會流過瞬時大電流，若收發器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範圍，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發送高電平時，以RSM485PCHT為例：

由於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引腳之間產生了VEARTH電壓差，當U1向U2發送數據時，U2的A引腳的電壓為：

由於VA1發送時為5V，當VEARTH超過7V時就有可能導致損壞，因此在實際應用中，節點之間的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、高等級的靜電和浪湧造成模塊損壞

在應用環境中有較高等級的靜電和浪湧時，如果只是單純使用RS-485收發器晶片或者模塊，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器。但保護電路需要可靠地接地才能將靜電和浪湧能量洩放。下面以進行共模浪湧測試為例，如圖13所示，若保護電路未連接至大地，則浪湧能量（紅色部分）通過隔離模塊進行釋放，較高的浪湧等級容易導致模塊損壞；當保護電路接大地時，如圖14所示，浪湧能量首先通過GDT洩放到大地，然後通過TVS和電容洩放，剩餘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