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提高串行总线的可靠性

　　1概述

　　在控制和监测系统中,虽然网络通信具有速度快、互通方便的特点得到大量使用,但是仍然有不少的设备没有或者不适合使用网络进行通信,这就需要有串口进行补充。

　　在RS-232、RS-422与RS-485串行数据接口标准中,RS-232串行总线标准存在的通信距离短、传输速率低等缺陷,在控制和监测系统中运用的X围愈来愈小。

RS-422与RS-485串行数据接口标准采用平衡驱动器和差分接收器的组合,抗噪声干扰性好,传输距离远,速率高。

由于这些特点,在各种的控制和监测系统中得到广泛的应用。

　　但在实际使用中,往往由于控制和监测系统的设备数量多、通信线路远以及所处的特殊环境造成的各种干扰等,造成通信可靠性、稳定性不高,致使联网系统的质量得不到保证。

本文从多方面分析了影响基于串口总线网络的多机系统通信可靠性的因素,并提出了有效的解决措施。

　　2RS-422与RS-485串行接口标准

　　2.1平衡传输

　　数据信号采用差分传输方式,也称作平衡传输,它使用一对双绞线,将其中一线定义为A,另一线定义为B。

通常情况下,发送驱动器A、B之间的正电平在+2～+6V,是一个逻辑状态,负电平在-2～6V,是另一个逻辑状态。

另有一个信号地C,在RS-485中还有一“使能”端,而在RS-422中这是可用可不用的。

“使能”端是用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。

当“使能”端起作用时,发送驱动器处于高阻状态,称作“第三态”,即它是有别于逻辑“1”与“0”的第三态。

　　接收器也作与发送端相对的规定,收、发端通过平衡双绞线将AA与BB对应相连,当在收端AB之间有大于+200mV的电平时,输出正逻辑电平,小于-200mV时,输出负逻辑电平。

接收器接收平衡线上的电平X围通常在200mV至6V之间。

参见图1。

　　图1

　　2.2RS-422和RS-485电气规定

　　RS-422标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”,它定义了接口电路的特性。

图2是典型的RS-422四线接口,实际上还有一根信号地线,共5根线。

允许在相同传输线上连接多个接收节点,最多可接10个节点。

即一个主设备（Master）,其余为从设备（Salve）,从设备之间不能通信,所以RS-422支持点对多的双向通信。

各装置之间任何的信号交换均可以按软件方式（XON/XOFF握手）或硬件方式（一对单独的双绞线）实现。

　　由于RS-485是从RS-422基础上发展而来的,都采用平衡传输方式。

RS-485可以采用二线与四线方式,二线制可实现真正的多点双向通信,参见图3。

　　而采用四线连接时,与RS-422一样只能实现点对多的通信,即只能有一个主（Master）设备,其余为从设备,但它比RS-422有改进,无论四线还是二线连接方式总线上可多接到32个设备。

　　RS-422和RS-485的最大传输距离为4000英尺（约1219米）,最大传输速率为10Mb/s。

其平衡双绞线的长度与传输速率成反比,在100kb/s速率以下,才可能达到最大传输距离。

只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。

一般100米长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为1Mb/s。

　　图2

　　图3

　　RS-422总线需要1个匹配电阻,接在传输电缆的最远端。

RS-485需要2个匹配电阻,接在传输总线的两端。

两种总线匹配电阻阻值约等于传输电缆的特性阻抗。

在矩距离传输时可不需匹配电阻,即一般在300米以下不需匹配电阻。

RS-422有关电气参数见表1[1]。

　　RS-485与RS-422的不同还在于其共模输出电压和输入电阻不同,表1给出两者之间的性能进行比较。

从表1可以看出RS-485满足所有RS-422的规X,所以RS-485的驱动器可以用在RS-422网络中应用,但是RS-422的驱动器并不完全适用于RS-485网络。

　　3提高可靠性的措施

　　3.1RS-422与RS-485的拓扑结构

　　RS-422可支持10个节点,RS-485支持32个节点,因此多节点构成网络。

网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构,不支持环形或星形网络。

在构建网络时,应注意如下几点:

　　1）采用一条双绞线电缆作总线,将各个节点串接起来,从总线到每个节点的引出线长度应尽量短,以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。

图4所示为实际应用中常见的一些错误连接方式（a,b,c）和正确的连接方式（d,e,f）。

a,b,c这三种网络连接尽管不正确,在短距离、低速率仍可能正常工作,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,主要原因是信号在各支路末端反射后与原信号叠加,会造成信号质量下降。

　　图4

　　2）应注意总线特性阻抗的连续性,在阻抗不连续点就会发生信号的反射。

下列几种情况易产生这种不连续性:

总线的不同区段采用了不同电缆,或某一段总线上有过多收发器紧靠在一起安装,再者是过长的分支线引出到总线。

　　总之,应该提供一条单一、连续的信号通道作为总线。

　　表1RS-422/485接口电路特性比较

　　3.2RS-422与RS-485传输匹配

　　对RS-422与RS-485总线网络一般要使用匹配电阻进行匹配。

但在短距离与低速率下可以不用考虑终端匹配。

理论上,在每个接收数据信号的中点进行采样时,只要反射信号在开始采样时衰减到足够低就可以不考虑匹配。

但这在实际上难以掌握,原则上当信号的转换时间（上升或下降时间）超过电信号沿总线单向传输所需时间的3倍以上时就可以不加匹配。

例如具有限斜率特性的RS-485接口MAX483输出信号的上升或下降时间最小为250ns,典型双绞线上的信号传输速率约为0.2m/ns（24AWGPVC电缆）,那么只要数据速率在250kb/s以内、电缆长度不超过16米,采用MAX483作为RS-485接口时就可以不加终端匹配。

　　一般终端匹配采用匹配电阻方法,RS-422在总线电缆的远端并接电阻,RS-485则应在总线电缆的开始和末端都需并接匹配电阻。

匹配电阻一般在RS-422网络中取100Ω,在RS-485网络中取120Ω。

相当于电缆特性阻抗的电阻,因为大多数双绞线电缆特性阻抗大约在100～120Ω。

这种匹配方法简单有效,但有一个缺点,匹配电阻要消耗较大功率,对于功耗限制比较严格的系统不太适合。

　　另外一种比较省电的匹配方式是RC匹配,如图5。

利用一只电容C隔断直流成分可以节省大部分功率。

但电容C的取值是个难点,需要在功耗和匹配质量间进行折衷。

　　图5

　　还有一种采用二极管的匹配方法,如图6。

这种方案虽未实现真正的“匹配”,但它利用二极管的钳位作用能迅速削弱反射信号,达到改善信号质量的目的。

节能效果显著。

　　图6

　　3.3RS-422与RS-485的接地

　　电子系统接地是很重要的,但常常被忽视。

接地处理不当往往会导致电子系统不能稳定工作甚至危及系统安全。

RS-422与RS-485传输网络的接地同样也是很重要的,因为接地系统不合理会影响整个网络的稳定性,尤其是在工作环境比较恶劣和传输距离较远的情况下,对于接地的要求更为严格。

否则接口损坏率较高。

很多情况下,连接RS-422、RS-485通信链路时只是简单地用一对双绞线将各个接口的“A”、“B”端连接起来。

而忽略了信号地的连接,这种连接方法在许多场合是能正常工作的,但却埋下了很大的隐患,这有下面两个原因:

　　1）共模干扰问题:

正如前文已述,RS-422与RS-485接口均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。

但人们往往忽视了收发器有一定的共模电压X围,如RS-422共模电压X围为-7～+7V,而RS-485收发器共模电压X围为-7～+12V,只有满足上述条件,整个网络才能正常工作。

当网络线路中共模电压超出此X围时就会影响通信的稳定可靠,甚至损坏接口。

以图7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VOS,由于两个系统具有各自独立的接地系统,存在着地电位差VGPD。

那么,接收器输入端的共模电压VCM就会达到VCM=VOS+VGPD。

RS-422与RS-485标准均规定VOS≤3V,但VGPD可能会有很大幅度（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VCM超出正常X围,并在传输线路上产生干扰电流,轻则影响正常通信,重则损坏通信接口电路。

　　图7

　　2）（EMI）问题:

发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路,如没有一个低阻的返回通道（信号地）,就会以辐射的形式返回源端,整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。

　　由于上述原因,RS-422、RS-485尽管采用差分平衡传输方式,但对整个RS-422或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VGPD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。

　　值得注意的是,这种做法仅对高阻型共模干扰有效,由于干扰源内阻大,短接后不会形成很大的接地环路电流,对于通信不会有很大影响。

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。

笔者认为,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X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上述方法已不能奏效,此时可以考虑将引入干扰的节点（例如处于恶劣的工作环境的现场设备）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,不会形成很大的环路电流。

　　③采用隔离接口。

有些情况下,出于安全或其它方面的考虑,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,但是仍然应该有一条地线将隔离侧的公共端与其它接口的工作地相连。

　　RS-422与RS-485标准都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,如前文所述,当接收器A电平比B电平高+200mV以上时,输出为正逻辑,反之,则输出为负逻辑。

但由于第三态的存在,即在主机在发端发完一个信息数据后,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。

如果接收机的输出为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,产生一个帧错误结果,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。

　　通常是在总线上加偏置,当总线空闲或开路时,利用偏置电阻将总线偏置在一个确定的状态（差分电压≥-200mV）。

将A上拉到地,B下拉到5V,电阻的典型值是1kΩ,具体数值随电缆的电容变化而变化。

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。

　　3.4RS-422与RS-485的瞬态保护

　　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-422或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,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）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。

在这种方法中,隔离接口对大幅度瞬态干扰进行隔离,旁路元件则保护隔离接口不被过高的瞬态电压击穿。

　　3.5串口调试注意事项

　　1）对于不同协议的串口不能混接,必须通过转换器才能连接,否则可能造成损坏;

　　2）不要带电插拨串口,插拨时至少有一端是断电的,否则串口易损坏。

　　4总结

　　虽然RS-422/485串行总线存在一些缺点,但由于线路设计简单、价格低廉、控制方便,只要处理好细节,在设备中仍然能发挥良好的作用。