提高RS485通信可靠性的设计方法 可靠性, 通信

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RS-485接口芯片能担当起一种电平转化的角色，把TTL信号、COMS信号等转化为能在485总线上传输的差分信号，把接收到的485差分信号转化为MCU能够识别的TTL或COMS电平，在工业控制、仪器、仪表、多媒体网络、机电一体化产品等诸多领域得到了广泛应用。但在RS485通信中，常常会存在通信距离不远、通信质量差等问题。为提高RS485的通信质量，除了采用终端匹配的总线型结构外，在系统设计中通常要考虑以下几个问题。1.故障保护
根据RS-485的标准规定，接收器的接收灵敏度为±200mV，这意味着当接收端的差分电压大于等于+200mV时，接收器输出为高电平，小于等于-200mV时输出为低电平，介于±200mV之间时，接收器输出为不确定状态。在总线空闲(即传输线上所有节点都为接收状态)以及传输线开路或短路故障时，若不采取特殊措施，接收器可能输出高电平或者低电平。一旦某个节点的接收器产生低电平，就会使串行接收器(UART)找不到起始位，从而引起通信异常。
为解决该问题，很多RS485接口芯片引入了故障保护。例如，上海英联电子的UM3085/UM3088输入灵敏度为-50mV/-200mV，即差分接收器输入电压UA－B≥-50mV时，接收器输出逻辑高电平，如果UA－B≤-200mV，则输出逻辑低电平。当接收器输入端总线短路或总线上所有发送器被禁止时，接收器差分输入端为0V，从而确保总线空闲、短路时接收器输出高电平。
2.防雷电冲击
RS-485接口芯片在使用、焊接或设备的运输途中都有可能受到静电冲击而损坏。在传输线架设于户外的使用场合,接口芯片乃至整个系统还有可能遭受雷电袭击。选用抗静电或抗雷击的芯片可有效避免此类损失。UM3085/UM3088芯片内部集成了ESD保护电路，人体模型ESD保护和机器模型ESD保护分别达到15kV和2kV。此外，英联电子还有一套完善的ESD保护方案(图1)，使系统能在更为苛刻的瞬态高压冲击环境中可靠运行。

图1:RS485芯片防雷和防浪涌电压设计。

RS485芯片的供电电源通常来自于变压器，当出现较为恶劣电压变化时，电源上可能会出现一些瞬态浪涌高压，图中UM07可以很好地将这些瞬态电压钳位，保护接口芯片。与此同时，对于总线的两个通信端口，采用UESD712进行保护，可以起到很好的防雷效果。
3.光耦隔离
在某些工业控制领域，由于现场情况十分复杂，各个节点之间存在很高的共模电压。虽然RS-485接口采用差分传输方式，具有一定的抗共模干扰能力，但当共模电压超过RS-485接收器的极限接收电压，即大于+12V或小于-7V时，接收器就无法正常工作，严重时甚至会烧毁芯片和仪器设备。
解决方法是通过DC/DC转换器将系统电源和RS-485收发器的电源进行光耦隔离(图2)，彻底消除共模电压的影响，并滤除接地回路和传导噪声引起的干扰。

图2：RS485芯片应用的光耦隔离方案。

4.宽的信号摆幅
在RS485通信中，为防止信号反射，通常在终端都接有90~120欧姆的电阻。一般的RS485接口芯片在带这样的电阻负载时，其输出电压的摆幅只有1.5~1.8V，因此在进行长距离通信时，由于信号的衰减，接收器可能无法正确地接收到信号，导致误码。UM3085/UM3088驱动器将输出信号摆幅提高到大于2.2V，从而在长距离通信中具有更高可靠性。此外，UM3085/UM3088具有斜率限制的特点，能减少EMI，并能在使用阻抗不匹配的传输线时降低反射，提高通信质量。
综上所述，在选择RS485接口芯片时，除了要考虑静态电流、电源电压宽度范围等参数外，还要考虑其故障保护功能、抗静电性能、驱动能力，以及外部环境、通信电缆等方方面面的因素，这样才能构建一个高质量的RS485通信网络。