综合自动化系统通讯干扰问题及解决方法

在电力电子装置中常需要在恶劣的电气环境中进行远距离通讯，采用RS-485总线是一种比较广泛的做法。该总线接口电路因硬件设计简单、控制方便、成本低廉、通信速率高等优点广泛应用于监测监控等领域。但RS-485总线如果在抗干扰、自适应、通信效率等方面处理不当常会导致通信失败甚至系统瘫痪等故障，因此提高RS-485 总线的可靠性至关重要。通常导致RS-485 网络系统故障的因素主要有：线路反射干扰、网络配置不合理、雷击及静电、共模干扰等，为此针对不同的故障原因需要研究不同的解决方法来提高RS-485 系统的可靠性。本人从技术参数、工程设计、现场实施做出如下总结，来解决目前公司的通讯问题：

一、技术参数：

1、.网络配置：

1.1 拓扑结构

RS-485支持半双工或全双工模式。网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，不支持环型或星型网络，最好采用一条总线将各个节点串联起来。从总线到每个节点的引出线长度尽量短，以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。图1所示为实际应用中常见的一些错误连接方式(1、2、3) 和更正的连接方式(4、5、6)。图中前3种不恰当的网络连接尽管在某些情况下(短距离、低速率) 仍然可以正常工作，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。此外，还应注意总线特性阻抗的连续性，在阻抗不连续点也会发生信号的反射。

图1 常见正确和错误连接方式

1.2.网络节点

有关总线上允许连接的收发器数量，标准并没有做出规定，但规定了最大总线负载为32个单位负载。每单位负载的最大输入电流是1.0mA/-0.8mA，相当于约12KΩ。为了扩展总线节点数，器件生产厂商增大收发器输入电阻。例如输入电阻增加至48KΩ以上(1/4 单位负载)，节点数就可增加至128个，96KΩ的输入电阻允许节点数可到256个。

1.3 通信速率

信号频率越高，越容易产生反射波干扰。通常传输速率在(1200～19200) bps之间选取。理论上，当通讯速度达到100Kbps时，最大通信距离可以达到1200m。在实际使用时，从通信效率、节点数、通信距离、可靠性等方面综合考虑，在通讯距离为1km时，可选用4800bps。通信距离1km以上时，应考虑通过增加中继模块或降低速率的方法提高数据传输可靠性。

2.过压瞬变干扰

RS-485 收发器采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。但RS-485接收器差分输入端对“地”的共模电压允许范围为-7V～12V，超过此范围的过压瞬变可能会损坏器件。

引起过压瞬变的来源通常是雷电、静电放电、电源系统开关干扰等。静电放电电压可以高达数千伏，可以使工作中的器件产生闭锁而不能运行或使器件受损；而雷电感应在RS-485传输线上引起的瞬变干扰，可在瞬间烧毁连接在传输线上的全部器件。

2.1 共模干扰

RS-485接口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。但收发器的共模电压有一定范围，当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠，甚至损坏接口。以图2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V1，由于两个系统具有各自独立的接地系统，存在着地电位差V3。那么，接收器输入端的共模电压V2就会达到V2=V1+V3。RS -485标准规定V1 ≤3V，但V3可能会有十几伏甚至数十伏，并可能伴有强干扰信号，致使接收器共模输入V2超出正常范围，轻则影响正常通信，重则损坏通信接口电路。

图2 共模干扰示例

因此，尽管RS-485采用差分平衡传输方式，但对整个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。

通常有两种方式可以获得理想的共地效果：一种是将数据地从主器件的地中隔离出来；另一

种就是将器件所有的“地”引脚以低阻抗的形式连接到大地。但是这种做法仅适用于高阻型共模干扰；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。此时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范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加限流电阻已不能奏效，此时可以考虑将引入干扰的节点浮置起来，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，避免形成很大的环路电流。这也是我们遇到多雷电地区需采取的方法。

(3) 采用隔离接口。有些情况下,出于安全等方面的考虑,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。通常使用光电耦合器实现隔离接口。这种方式对数据线无额外负载，但需要独立的电源供应，复杂性高，而且对持续的瞬变不敏感。在高速数据传输时相应地应采用高速光耦如6N137。实现隔离保护通常有两种方式：一是用独立的光耦、带隔离的DC-DC、RS-485芯片搭建电路；二是使用片内已集成了光耦的二次集成芯片如MAX1480等。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。

2.2 抗静电及雷击

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-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。

(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。

3 反射波干扰.