ＲＳ４８５總線的使用和解決方案探討

摘要：現(xiàn)今在自動化控制和網絡通訊過程中經常會遇到很多的通訊不暢以及網絡無法建立的問題， 文章中闡述了RS-485總線規(guī)范，描述了檢查常見故障和建立比較麻煩的RS-485網絡的幾種方法，同時提出了相應的解決方法并討論了利用總線得到PC上位機的RS485電路的詳細方法。

關鍵詞： RS-485；總線標準；建立方法；問題解決

中圖分類號：TN91 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044(2009)05-1242-02

RS485 Bus Use and to Explore Solutions

ZHOU You-li

(Yiyang Vocational Technical College， Yiyang 413049， China)

Abstract: In today's automation and control network communication process will always be the lot of poor communications and the Internet can not be established， the article described the RS-485 bus specification， describes the inspection and the establishment of a common fault is too much trouble to the RS-485 Several methods of the network， while the corresponding solution and discussed the use of the PC bus to be PC's RS485 circuit in detail the methods.

Key words: RS-485; bus to establish the standard; method of problem-solving

1 引言

當前自動控制系統(tǒng)中常見的網絡，如現(xiàn)場總線CAN、Profibus、FF、INTERBUS-S以及ARCNet的物理層都是基于RS-485的總線標準，所以從硬件開發(fā)角度很有必要對RS-485的總線進行總結和研究。

2 EIA RS-485標準

在自動化領域，隨著分布式控制系統(tǒng)的發(fā)展，迫切需要一種總線能適合遠距離的數字通信。在RS-422標準的基礎上，EIA研究出了一種支持多節(jié)點、遠距離和接收高靈敏度的RS-485總線標準。

RS-485標準采用平衡式發(fā)送，差分式接收的數據收發(fā)器來驅動總線，具體規(guī)格要求：

接收器的輸入電阻RIN≥12kΩ

驅動器能輸出±7V的共模電壓

輸入端的電容≤50pF

在節(jié)點數為32個，配置了120Ω的終端電阻的情況下，驅動器至少還能輸出電壓1.5V（終端電阻的大小與所用雙絞線的參數有關）

接收器的輸入靈敏度為200mV（即V+-V-≥0.2V，表示信號\"0\"；V+-V-≤-0.2V，表示信號\"1\"）

因為RS-485的遠距離、多節(jié)點（32個）以及傳輸線成本低的特性，使得EIA RS-485成為工業(yè)應用中數據傳輸的首選標準。

3 故障檢查和建立網絡方法

3.1 故障檢查8步方法

盡管更加現(xiàn)代化的替代技術日益增多，但RS-485技術仍然在無數的通信網絡中保持著中流砥柱的地位。以下是檢查常見故障和建立比較麻煩的RS-485網絡的8步方法。

1) RS-485使用一對非平衡差分信號，這意味著網絡中的每一個設備都必須通過一個信號回路連接到地，以最小化數據線上的噪聲。數據傳輸介質由一對雙絞線組成，在噪聲較大的環(huán)境中應加上屏蔽層。

2) 在絕大多數的RS-485網絡中，終端節(jié)點所引起的問題比它能解決的要多。為了檢查哪一個節(jié)點停止了工作，需要切斷每一個節(jié)點的電源并將其從網絡中斷開。使用歐姆表測量接收端A與B或+與-之間的電阻值。故障節(jié)點的讀數通常小于200歐姆，而非故障節(jié)點的讀數將會比4，000歐姆大得多。

3) 哪一根線是A、哪一根線是B一直都不是很清楚。不同的制造商采用不同的標簽規(guī)定，即使B線應該永遠是在空閑狀態(tài)下電壓更高的那一根。因此，A線相當于-，B線相當于+?？稍诰W絡空閑的狀態(tài)下用電壓表檢測。如果B線沒有比A線電壓更高，那么就會存在連接問題。

4) 當沒有設備進行傳輸，所有設備都處于監(jiān)聽狀態(tài)的時候，RS-485網絡中會出現(xiàn)三態(tài)狀態(tài)。這將導致所有的驅動器進入高阻態(tài)，使懸空狀態(tài)傳回所有的RS-485接收端。節(jié)點設計者為了克服這一不穩(wěn)定狀態(tài)典型的方法是：在接收端的A和B線加裝下拉和上拉電阻來模擬空閑狀態(tài)。為了檢查這一偏置，應在網絡供電和空閑的狀態(tài)下測量B線到A線的電壓。為了確保遠離如圖中所示的不定狀態(tài)，要求至少存在300mV的電壓。如果沒有安裝終端電阻，偏置的要求是非常寬松的。

5) 一根雙絞線加地的RS-485網絡可以上行與下行地傳送數據。由于沒有兩個發(fā)送端能夠在同一時間成功地通訊，所以在數據的最后一位傳送完畢后的一個時間片內，網絡表現(xiàn)為空閑態(tài)，但實際上節(jié)點還沒有使其驅動器進入三態(tài)狀態(tài)。如果另一個設備試圖在這一時間段內進行通訊，將會發(fā)生結果不可預測的沖突。為了檢測這種沖突，使用數字示波器來捕捉幾個字節(jié)的1和0。確定一個節(jié)點在傳輸結束時進入三態(tài)狀態(tài)所需要的時間。確保RS-485軟件沒有試圖響應比一個字節(jié)的時間更短的請求（在76.8kb/s的速率下略大于1ms）。

6) 每一種可靠的中長距離聯(lián)網技術都有某種形式的內置隔離，除了RS-485以外。它要靠系統(tǒng)設計者來確保網絡不包括任何接地回路。隔離每一個節(jié)點將以數量級的程度增加網絡的可靠性。

7) 雖然隔離是抵御電源浪涌的第一道防線，但是增加多級浪涌抑制器可以消弱更大的浪涌干擾，保證它們是在網絡隔離可以容忍的范圍內。最好是在網絡有高性能接地點的位置安裝浪涌抑制器。在同一點將其連接到大地，就像其他的網絡設備或工廠的電氣系統(tǒng)一樣。

8) 一旦RS-485網絡建立并運行，就應記錄下其配置的每一個細節(jié)。包括終端信息、偏置、線型和備件信息。如果可以負擔得起，應購買一些備件并存放在機柜中。

3.2 建立網絡方法

由于PC機默認的只帶有RS232接口，有兩種方法可以得到PC上位機的RS485電路：

1) 通過RS232/RS485轉換電路將PC機串口RS232信號轉換成RS485信號，對于情況比較復雜的工業(yè)環(huán)境最好是選用防浪涌帶隔離珊的產品。

2) 通過PCI多串口卡，可以直接選用輸出信號為RS485類型的擴展卡。 RS485接口RS485采用差分信號負邏輯，＋2V～＋6V表示“0”，- 6V～- 2V表示“1”。RS485有兩線制和四線制兩種接線，四線制只能實現(xiàn)點對點的通信方式，現(xiàn)很少采用，現(xiàn)在多采用的是兩線制接線方式，這種接線方式為總線式拓樸結構在同一總線上最多可以掛接32個結點。在RS485通信網絡中一般采用的是主從通信方式，即一個主機帶多個從機。很多情況下，連接RS-485通信鏈路時只是簡單地用一對雙絞線將各個接口的“A”、“B”端連接起來。而忽略了信號地的連接，這種連接方法在許多場合是能正常工作的，但卻埋下了很大的隱患，這有二個原因：

1) 共模干擾問題： RS-485接口采用差分方式傳輸信號方式，并不需要相對于某個參照點來檢測信號，系統(tǒng)只需檢測兩線之間的電位差就可以了。但人們往往忽視了收發(fā)器有一定的共模電壓范圍，RS-485收發(fā)器共模電壓范圍為-7～ 12V，只有滿足上述條件，整個網絡才能正常工作。當網絡線路中共模電壓超出此范圍時就會影響通信的穩(wěn)定可靠，甚至損壞接口。

2) EMI問題：發(fā)送驅動器輸出信號中的共模部分需要一個返回通路，如沒有一個低阻的返回通道（信號地），就會以輻射的形式返回源端，整個總線就會像一個巨大的天線向外輻射電磁波。

在RS485組網過程中另一個需要主意的問題是終端負載電阻問題，在設備少距離短的情況下不加終端負載電阻整個網絡能很好的工作但隨著距離的增加性能將降低。理論上，在每個接收數據信號的中點進行采樣時，只要反射信號在開始采樣時衰減到足夠低就可以不考慮匹配。但這在實際上難以掌握，美國MAXIM公司有篇文章提到一條經驗性的原則可以用來判斷在什么樣的數據速率和電纜長度時需要進行匹配：當信號的轉換時間（上升或下降時間）超過電信號沿總線單向傳輸所需時間的3倍以上時就可以不加匹配。

一般終端匹配采用終端電阻方法， RS-485應在總線電纜的開始和末端都并接終端電阻。終接電阻在RS-485網絡中取120Ω。相當于電纜特性阻抗的電阻，因為大多數雙絞線電纜特性阻抗大約在100～120Ω。這種匹配方法簡單有效，但有一個缺點，匹配電阻要消耗較大功率，對于功耗限制比較嚴格的系統(tǒng)不太適合。另外一種比較省電的匹配方式是RC匹配。利用一只電容C隔斷直流成分可以節(jié)省大部分功率。但電容C的取值是個難點，需要在功耗和匹配質量間進行折衷。 還有一種采用二極管的匹配方法，這種方案雖未實現(xiàn)真正的“匹配”，但它利用二極管的鉗位作用能迅速削弱反射信號，達到改善信號質量的目的，節(jié)能效果顯著。

4 總結

最近兩年一些公司基于部分企業(yè)信息化的實施已完成，工廠中已經鋪設了延伸到車間每個辦公室、控制室的局域網的現(xiàn)狀，推出了串口服務器來取代多串口卡，這主要是利用企業(yè)已有的局域網資源減少線路投資，節(jié)約成本，相當于通過tcp/ip把多串口卡放在了現(xiàn)場。

參考文獻：

[1] 虞日躍，史洪源.RS-485總線的理論與實踐[J].電子技術應用，2001，11:55-57.

[2] 陽憲惠.現(xiàn)場總線技術及其應用[M].北京:機械工業(yè)出版社，2006.

[3] 蔡忠勇.現(xiàn)場總線產品手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社，2004.

[4] Adel s.sedra and Kenneth smith:microelectronic circuits[M].Oxford University press.Inc，1998.

[5] 廣州周立功單片機發(fā)展有限公司.RS-485選型及應用指南[EB/OL].http://www.zlgmcu.com/Sipex/guide/RS-485_guide.pdf.，2007.

[6] 葛亞平.RS-485接口芯片介紹及應用中的有關問題[EB/OL].http://zidonghua.com.cn/apply/detail.asp?id=1492.，2007.

[7] 唐廣瑜.開關量采集的抗干擾問題及解決方法[J].計算機應用，1999，19(7):61-62.

[8] 楊振江，杜鐵軍，李群編著.流行單片機實用子程序及應用實例[M].北京:西安電子科技大學出版社，2002.