RS-485 总线优点众所皆知,并且为保证通信的稳定性,都会使用隔离 RS-485 模块进行信号隔离。但在 RS-485 实际组网时,或多或少会遇到不能通信、通信出错、RS-485 收发器损坏等情况,其中究竟为何?本文将深度剖析 RS-485 组网问题。
 
1、应用问题;
 
当出现通信错误或者不能通信时首先判断应用是否符合表 1 中的应用情况。
 
表 1  RS-485 总线应用情况
 
表 1 中三种应用情况分别属于终端电阻、上下拉电阻、控制脚以及逻辑输入侧电平的问题,下面对其进行详细分析。
 
1)终端电阻问题
 
若 RS-485 总线上接有终端电阻,且所用 RS-485 收发器门限电平是±200mV,则可能出现表 2 中所述的异常现象。
 
表 2  终端电阻导致的异常现象
 
图 1  RS232/485 双向转换器
 
终端电阻导致异常的原因:RS-485 收发器接收门限电平为±200mV,即 AB 之间差分电压大于+200mV,输出高电平;AB 之间差分电压小于 -200mV,输出低电平;AB 之间电压在±200mV 之间时,输出状态不确定,即有可能输出高电平(此时表现为通信正常),有可能输出低电平(此时表现为通信异常),因此若总线空闲状态时 AB 差分电压处于门限电平之内,则会出现一定概率的异常问题。
 
表 2 现象 1 分析:单板可以正常通信,组网后由于 RS-485 总线上接有终端电阻,导致空闲状态时总线差分电压处于门限电平之内,出现通信异常。当出现上述情况时,首先需确认总线上是否存在终端电阻。
 
表 2 现象 2 分析:单板测试时,单板或与之通信的设备接有终端电阻,此时 AB 之间差分电压处于门限电平之内时,有一定概率出现通信异常。
 
表 2 现象 3 分析:此现象同样是由于终端电阻导致的,由于 RS-232/485 双向转换器(如图 1)内部 AB 引脚一般会设置小阻值的上下拉 电阻(例如 560Ω),若用 RS-232/485 双向转换器通信,由于 RS-485 总线空闲状态时的电压是由上下拉电阻与终端电阻分压得到,此时空闲状态的 AB 差分电压会大于 200mV,使 RS-485 收发器输出一个确定的高电平,不会引起通信错误,如图 3 为两个 RSM485PCHT 进行通信,AB 之间加 60Ω并且增加 RS-232/485 双向转换器的测试波形,空闲状态的电压为 520mV,不会引起错误。图 2 为两个 RSM485PCHT 进行通信,AB 之间加 60Ω测试的波形,可以看出空闲状态 AB 差分电压为 40mV,处于门限电平范围之内,有可能出现通信错误。
 
图 2  AB 间加两个 120Ω电阻,并增加 RS-232/485 双向转换器
 
图 3  AB 间只加两个 120Ω电阻
 
解决方法主要有三种,具体如表 3:
 
表 3  终端电阻问题解决方法
 
2)上下拉电阻问题
 
上下拉电阻并联值过小可能引起的现象如表 4 所示。
 
表 4  上下拉电阻导致的异常现象

 

 
上述问题是所加上下拉电阻值较小导致的问题,超过了芯片可以驱动的负载能力。RSM485PCHT 在 AB 之间加两个 120Ω电阻后,所加上下拉电阻值与输出差分电压低电平的关系如表 5 所示,当上下拉电阻并联值小于 51Ω时,虽然芯片可以正常输出,但是输出信号已大于 -200mV,此时可能出现通信错误或完全不能通信。上下拉电阻过小会导致 RS-485 收发器在功耗过大,发热严重,有可能导致收发器过热保护或者损坏,因此为了保证通信的可靠性,上下拉电阻阻值不宜过小,一般上拉或下拉电阻的并联值应大于 375Ω。
 
表 5  不同上下拉电阻值驱动电压
 
3)控制脚以及逻辑输入侧的问题
 
由于收发切换需要一定的延时,因此应在发送或者接收数据前增加一段延时(例如 RSM485PCHT,需要增加至少 25μs)来保证 RS-485 收发器已经处于发送或者接收状态。
 
MCU 电平应与 RS-485 收发器输入逻辑电平匹配,即 MCU 为 5V 逻辑电平,应使用供电为 5V 的 RSM 系列隔离模块。
 
2、波形测试方法;
 
由于 RS-485 总线应用非常广泛,应用问题不仅仅只是上面几种,当排除上面的问题后,可以通过测试总线波形的方法来找到通信异常的位置,判断异常原因。
 
1)检查 RS-485 收发器发送功能
 
在通信异常时,测量 RS-485 总线 AB 差分电压与模块 TXD、RXD 引脚之间波形的对应关系可以判断异常位置。使用图 4 所示的测试方法得到如图 5 所示波形,TXD 为高电平时,A-B 为高电平,TXD 为低电平时,A-B 为低电平,并且模块输出电平正常,可以判断出模块发送功能正常。
 
图 4  测试发送功能是否正常
 
图 5  发送功能测试正常波形
 
2)检查 RS-485 收发器接收功能
 
使用图 6 所示的测试方法得到如图 7 所示波形,A-B 为高电平时,RXD 为高电平,A-B 为低电平时,RXD 为低电平,并且模块 RXD 输出电平正常,可以判断模块接收功能正常。
 
图 6  测试接收功能是否正常
 
图 7  接收功能测试正常波形
 
3)检查 RS-485 收发器控制引脚与 TXD、RXD 逻辑关系
 
使用如
 
图 8 所示的方法分别测试 TXD、RXD 与 CON 逻辑关系,得到图 9 和图 10 所示波形,对于 RSM485PCHT,发送或接收信号前,CON 引脚应至少提前 25μs 置为低电平或高电平,并且数据发送或接收完成后再切换收发状态。
 
 
图 8  TXD 与 CON 测试
 
图 9  发送数据 CON 波形
 
图 10  接收数据 CON 波形
 
3、收发器损坏
 
1)模块 AB 引脚超过共模电压范围导致的损坏
 
RS-485 收发器 AB 引脚的共模电压范围一般要求在 -7V~+12V 范围内,当超过此范围内时会造成芯片损坏。由于工业现场大地经常会流过瞬时大电流,若收发器 RGND 引脚连接不当,则 AB 引脚的共模电压会超过其可承受的共模电压范围,导致模块损坏。下面以 RSM485PCHT 为例进行分析。
 
图 11  RGND 多点接大地示意图(错误连接)
 
当 U1 发送高电平时,以 RSM485PCHT 为例
 
 
由于两个模块都直接连接至机壳或者大地,当机壳或大地中通过较大电流时,在 U1 和 U2 的 RGND 引脚之间产生了 VEARTH 电压差,当 U1 向 U2 发送数据时,U2 的 A 引脚的电压为
 
 
由于 VA1 发送时为 5V,当 VEARTH 超过 7V 时就有可能导致损坏,因此在实际应用中,节点之间的 RGND 可以通过屏蔽双绞线的屏蔽层进行连接,屏蔽层通过阻容单点连接至大地,如图 12 所示。
 
图 12  RGND 推荐连接
 
2)高等级的静电和浪涌造成模块损坏
 
在应用环境中有较高等级的静电和浪涌时,如果只是单纯使用 RS-485 收发器芯片或者模块,可能会导致模块损坏,此时就需要增加外围保护电路来保护收发器。但保护电路需要可靠地接地才能将静电和浪涌能量泄放。下面以进行共模浪涌测试为例,如图 13 所示,若保护电路未连接至大地,则浪涌能量(红色部分)通过隔离模块进行释放,较高的浪涌等级容易导致模块损坏;当保护电路接大地时,如图 14 所示,浪涌能量首先通过 GDT 泄放到大地,然后通过 TVS 和电容泄放,剩余很少的能量才会通过模块释放,可以起到保护的作用。
 
图 13  保护电路未接大地
 
图 14  保护电路接大地