列車RS-485總線組網(wǎng)應(yīng)用的可靠性設(shè)計分析

侯春陽

（中車株洲電力機車研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

RS-485總線具有噪聲抑制能力強、傳輸速率高、傳輸距離遠、共模范圍寬及簡便易用等諸多優(yōu)點，因此在列車控制系統(tǒng)中有著極為廣泛的應(yīng)用。運用RS-485總線進行組網(wǎng)時，由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和拓撲結(jié)構(gòu)的不同，需要根據(jù)實際應(yīng)用情況采取不同的措施以提高RS-485電路的信號質(zhì)量，并提供可靠的保護機制。特別要考慮在運行環(huán)境惡劣、節(jié)點數(shù)多、分布距離遠、電磁干擾大等不利因素的影響下，如何保證列車運行過程中通信的可靠性。本文重點從總線故障保護和瞬態(tài)防護等方面進行了電路的可靠性設(shè)計并加以分析和計算，最后通過試驗和仿真進行了驗證。

1 列車RS-485組網(wǎng)情況概述

列車通信網(wǎng)絡(luò)多個節(jié)點以菊花鏈方式進行組網(wǎng)，通常采用半雙工的模式進行通信，一般需要在RS-485網(wǎng)絡(luò)的2個端節(jié)點各安裝1個終端匹配電阻。然而進行單板設(shè)計時需要根據(jù)組網(wǎng)情況的不同，考慮串接電阻、終端匹配和偏置電阻的添加方式和計算方法。

RS-485總線的數(shù)據(jù)采用差分信號傳輸，這樣不僅能提升信號的完整性，還能提高信號的抗干擾能力。RS-485標準規(guī)定了電氣性能參數(shù)，差分電壓的范圍不小于200 mV。組網(wǎng)設(shè)計時需要考慮預(yù)留有一定的閾量，確保信號經(jīng)過線纜和連接器后即使發(fā)生衰減也能在正常范圍內(nèi)。RS485總線能支持的節(jié)點個數(shù)和收發(fā)器的輸入阻抗相關(guān)，標準要求接口的輸入阻抗大于12 kΩ，對應(yīng)節(jié)點個數(shù)最多為32個。不同的收發(fā)器能支持的傳輸速率不同，最高速率可以達10 Mbps。組網(wǎng)應(yīng)用中傳輸線的長度與信號的速率成反比，同時傳輸速率還會受到光電耦合器的影響[1-3]。因此實際的信號傳輸速率可能會降低，組網(wǎng)設(shè)計選擇收發(fā)器時需要保留一定閾量。

2 RS-485總線防護設(shè)計

列車控制系統(tǒng)在實際應(yīng)用中經(jīng)常會存在高頻瞬態(tài)干擾，為了有效地保護信號不受其影響，需要增加一些ESD防護設(shè)計。圖2為半雙工通信方式下的RS-485接口電路框圖，電路中的TVS管能夠避免惡劣環(huán)境下雷擊和靜電等干擾產(chǎn)生的高壓損壞RS-485收發(fā)器。通常在差分線上增加串聯(lián)電阻R1和R2，可以吸收尖峰電壓剩余的能量。正負線上分別增加上拉電阻R3和下拉電阻R4，可以起到故障保護的作用，提升通信的可靠性[4]。連接于正負線之間的電阻RT是終端匹配電阻，可以有效地減小信號的反射和噪聲。

圖1 RS-485接口電路框圖

2.1 故障保護電路設(shè)計

故障保護是指總線在沒有信號輸入的情況下接收器具有呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)的能力。有3種情況可能引起網(wǎng)絡(luò)的故障[5]：1）開路。由于線路的暫停或者是收發(fā)器從總線上斷開而造成的。2）短路。由于兩對差分線之間的絕緣失敗而造成的。3）空閑。當網(wǎng)絡(luò)上沒有任何一個驅(qū)動器工作時為空閑狀態(tài)。

為解決這一問題，則需采取措施使總線空閑時接收器仍能檢測到有效的高電平。雖然現(xiàn)在有些芯片已經(jīng)內(nèi)置了這一防護功能，但通常裕量有限，為確保系統(tǒng)的可靠性，須在總線上加裝偏置電阻。實際應(yīng)用中，由于上下拉電阻添加的位置、個數(shù)及大小不對，出現(xiàn)多節(jié)點通信不正常的情況。本文針對電路的等效模型進行分析和計算，分情況討論不同應(yīng)用情況下偏置電阻的添加方式。

RS-485網(wǎng)絡(luò)的等效電路模型如圖2所示，其中RT1、RFS和RIN分別代表終端電阻、偏置電阻和網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點的等效輸入阻抗。

圖2 RS-485網(wǎng)絡(luò)等效電路

RS-485標準規(guī)定了最大的共模負載（即最小的共模輸入阻抗）是375 Ω，當網(wǎng)絡(luò)有32個節(jié)點時，輸入阻抗的值是12000÷32=375 Ω,所以RFS和RIN的并聯(lián)值是375 Ω。在正常情況下，驅(qū)動器輸出可看成2個偏置電阻串聯(lián)后和終端并聯(lián)。因此為了線路的阻抗匹配，它們的值必須和Z0相等，即

實際應(yīng)用中偏置電阻可以放在網(wǎng)絡(luò)的任何位置或分別放到網(wǎng)絡(luò)中的多處節(jié)點。系統(tǒng)中，所有偏置電阻并聯(lián)后的總阻抗必須等于或小于計算出的偏置要求值。

假如網(wǎng)絡(luò)中有32個節(jié)點，并且在網(wǎng)絡(luò)的兩端都加入偏置電阻，則網(wǎng)絡(luò)的等效電路如圖3所示。

圖3 RS-485網(wǎng)絡(luò)等效電路

考慮到總線5%的噪聲容限，通常將空閑狀態(tài)的電平取250 mV，因此選用1.2 kΩ的偏置電阻。假如網(wǎng)絡(luò)中有N個節(jié)點，并且在網(wǎng)絡(luò)的每個都加入偏置電阻，則按每個節(jié)點添加偏置電阻可估算為722N Ω。

2.2 瞬態(tài)防護電路設(shè)計

在實際應(yīng)用環(huán)境中常常會存在靜電泄放(ESD)、電快速脈沖群(EFT)及浪涌(surge)3種瞬態(tài)干擾。為改善電磁兼容性能并能使產(chǎn)品通過測試，需為電路設(shè)計足夠的瞬態(tài)防護能力。通常我們采用TVS管加串接小電阻的方式進行RS-485接口電路的瞬態(tài)防護[6]。

TVS管具有極快的響應(yīng)時間和高達幾千伏的瞬態(tài)電壓防護能力，非常適合于RS-485多點網(wǎng)絡(luò)的每個節(jié)點中，并且不會降低信號速率。串接電阻則用于消除TVS管鉗位后的剩余能量，但它同時也會影響信號的傳輸速率及驅(qū)動器的差分輸出電壓。組網(wǎng)應(yīng)用中有時會發(fā)生由于該串接小電阻的分壓作用，輸出的差分電壓會有所下降，引起輸出電壓的范圍不符合標準的規(guī)定，進而和第三方設(shè)備無法進行通信?？赏ㄟ^計算來分析串接電阻對差分輸出電壓的影響，從而選擇合適的阻值。圖4所示為點對點通信狀態(tài)下通信線路的等效電路模型。

圖4 RS-485點對點通信等效電路

Vdiff.out為發(fā)送器的差分輸出電壓，Vdiff.in為接收節(jié)點的差分輸入電壓，V1和V2分別為單端信號的電壓，VT為發(fā)送器過電阻后的差分輸出信號電壓。RT1、RT2為2個終端電阻（120 Ω），R1、R2、R3、R4為電路中的4個串聯(lián)電阻，RIN是接收節(jié)點的共模輸入阻抗。RT1=RT2=RT，R1=R2=R3=R4=R。

由于RIN=12000 Ω ，IIN可以忽略不計，電路可以簡化，如圖5所示。

圖5 簡化的等效電路模型

由式（13）可以看出，VT的大小和串接電阻、偏置電阻及終端有關(guān)，隨著串接電阻的增加而減小，隨著偏置電阻的減小而增大。因此在組網(wǎng)設(shè)計和故障查詢時，如果發(fā)現(xiàn)信號不滿足標準范圍，需要綜合考慮串接電阻、偏置電阻及終端3個要素進行整改。

3 RS-485通信試驗及仿真

3.1 RS-485通信測試

為了進一步驗證理論分析的正確性和可行性，以2個通信單板為例，進行兩路RS-485電路的相互收發(fā)通信試驗。此通信單板的RS485電路中采用120 Ω的終端電阻、1.2 kΩ的偏置電阻。試驗中設(shè)置通信的波特率為115 200 bps。

首先對空閑狀態(tài)下RS-485電路的差分輸出電壓進行測試。如圖6（a）所示，未加偏置電阻時AB線的差分電壓為-120 mV。如圖6（b）所示，增加了上拉電阻后的AB線的差分電壓為242 mV。由此可見，未加上拉電阻前的輸出電壓處于不定態(tài)，通過添加上拉電阻使輸出維持在大于200 mV的范圍內(nèi)，從而增加網(wǎng)絡(luò)抵抗噪聲的能力。

圖6 RS-485電路空閑狀態(tài)差分輸出波形

接著通過在電路中添加不同阻值的串聯(lián)電阻，測量輸出電壓，如表1所示。

由表1的內(nèi)容可以看出，輸出電壓的理論值和實際測量值是一致的，當選擇33 Ω的電阻時VT的低電平小于1.5 V，從而會引起網(wǎng)絡(luò)潛在的故障。當電阻值減小時，輸出電壓上升，因此選擇小于10 Ω的電阻可以實現(xiàn)可靠的通信，避免偶發(fā)的通信故障。

表1 不同串接電阻下的輸出電壓VT

3.2 RS-485通信仿真

本例中采用Cadence的PSpice仿真工具對RS-485電路進行通信仿真，仿真主要為了驗證在不同節(jié)點和不同線纜長度的情況下通信波形的時域參數(shù)能否滿足RS-485通信標準，比如高低電平、上升沿和下降沿時間等。PSpice作為業(yè)界知名的仿真工具，在原理圖功能仿真方面除了具有直流分析、交流分析和瞬態(tài)分析等基本分析功能之外，還具有參數(shù)掃描、溫度掃描、蒙特卡洛和最壞情況分析。本仿真中主要用到了瞬態(tài)分析和參數(shù)掃描仿真。

點對點情況下仿真電路設(shè)置5個參數(shù)，分別為R、Rcable、Lcable、Ct和pw，分別對應(yīng)輸出電阻、線纜等效電阻、線纜等效電感、線纜等效電容和輸入波形占空比。設(shè)置輸入信號為1 MHz，50%占空比，1 ns上升沿和下降沿的方波。設(shè)置參數(shù)為R=10、Rcable=0.1、Lcable=1 nH、Ct=3 pF仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 點對點通信仿真波形

為了驗證電路容性負載對電路的影響，下面對線纜等效電容進行參數(shù)掃描仿真。參數(shù)掃描設(shè)置如圖8所示，將電容從100～1000 pF進行線性變化。

圖8 電容參數(shù)設(shè)置

從圖9的仿真結(jié)果可以看出，線纜等效電容對波形的邊沿有比較明顯的影響，尤其是當電容值越來越大的時候，邊沿會越來越緩慢?？梢婋娐返娜菪载撦d過大會導(dǎo)致信號的上升下降時間增大，進而導(dǎo)致通信異常，當節(jié)點增多時影響更為明顯。因此進行RS485總線組網(wǎng)時，應(yīng)該注意線纜的分布電容，盡量選用分布電容較小的線纜進行組網(wǎng)?？紤]到多節(jié)點應(yīng)用需要增加許多TVS管進行瞬態(tài)防護，因此選擇TVS 的時候需要考慮結(jié)電容的影響。

圖9 線纜電容參數(shù)仿真

4 結(jié)語

本文重點討論了組網(wǎng)應(yīng)用過程中RS-485電路的設(shè)計要點。詳細討論了不同組網(wǎng)情況下故障保護和瞬態(tài)防護電路的設(shè)計，針對不同節(jié)點個數(shù)情況下偏置電阻和串接電阻的阻值進行理論計算。通過RS-485電路互聯(lián)試驗及仿真驗證了理論分析的正確性。根據(jù)以上的分析結(jié)論，可以指導(dǎo)應(yīng)用于列車的多節(jié)點的RS-485電路的組網(wǎng)和布線設(shè)計，排查和消除通信故障，實現(xiàn)準確可靠的數(shù)據(jù)傳輸。