RS_485总线抗干扰的研究

第20卷第3期湖　北　工　业　大　学　学　报2005年06月

V ol.20N o.3　Journal of H ubei U niversity of T echnology Jun.2005

[收稿日期]2005-03-05

[作者简介]张道德(1973-),男,湖北黄梅人,湖北工业大学讲师,华中科技大学博士研究生,研究方向:机电一体化,测

试技术,嵌入式系统应用.

[文章编号]1003-4684(2005)0620137204

RS 2485总线抗干扰的研究

张道德,张　铮,杨光友

(湖北工业大学机械工程学院,湖北武汉430068)

[摘　要]针对RS 2485网络常见的线路反射干扰、网络配置不合理、雷击及静电、共模干扰等故障因素,针对

干扰源研究了可行的解决干扰的方法,有效地提高了RS 2485网络的可靠性.

[关键词]RS 2485;网络;抗干扰;可靠性[中图分类号]TP393.02

[文献标识码]:A

RS 2485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工厂自动化、工业控制、小区监控、水情自动报测等领域.但RS 2485总线在抗干扰、自适应、通信效率等方面仍

存在缺陷,一些细节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 2485总线的运行可靠性至关重要.通常导致RS 2485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,因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 2485系统的可靠性.

1　线路反射波及总线匹配

1.1　线路反射波

电信号(电流、电压信号)在沿导线传输过程中,

由于导线的分布电感、电容及电阻存在,各节点的电信号并不能马上建立,而是有一定的滞后,离起点越远,电压波和电流波到达的时间越晚.电压波与电流波在传输过程中会产生一个与入射信号波方向相反的行波,通常称为反射波[1].这种信号反射的原理,与光从一种媒质进入另一种媒质要引起反射是相似的.

信号的多次反射大大延长了信号的传输时间.此外,反射波形的显著特征是出现台阶,降低电路的噪声容限.影响反射波干扰的因素主要有二:其一是传输线的阻抗,合理配置传输线的阻抗,可以抑制反

射波干扰或削弱反射次数;其二是信号频率,信号频

率越高,越容易产生反射波干扰.在信号频率确定的条件下,通常采用阻抗匹配法消除反射波干扰.1.2　总线匹配法

根据反射理论,当传输线的特性R p 与负电阻相等(匹配)时,将不发生反射.可通过图1所示电路测定传输线路的特性阻抗,通过调节可变电阻R ,当R =R p 时,A 门的输出波形畸变最好小,反射波几乎消失,这是的R p 可以认为是该传输线的特性阻抗.因此在电缆的末端跨接一个与电缆的特性阻抗R p 同样大小的终端电阻,使电缆的阻抗连续,可以有效消除反射波的干扰.这种方法也称为总线匹配

.

总线匹配有两种方法,一种是加匹配电阻,如图2(a )所示.位于总线两端的差分端口V A 与V B 之间

应跨接匹配电阻R p ,以减少由于不匹配而引起的反射、吸收噪声,有效地抑制了噪声干扰.通常双绞线特性阻抗大约在100Ω至130Ω之间[2],但匹配电阻要消耗较大电流,不适用于功耗限制严格的系统.另外一种比较省电的匹配方式是RC 匹配(图2(b )).利用一只电容C 隔断直流成分可以节省大部

分功率但匹配质量逊于阻抗匹配,需要在功耗和匹配质量间进行折衷.

2　网络配置

2.1　网络拓扑结构设计

RS 2485网络拓扑一般采用终端匹配的总线型

结构,不支持环形或星型网络[3],因此RS 2485网络最好用一条总线串联各个节点.从总线到每个节点

的引出线长度应尽量短,图3所示为实际应用中常见的一些错误连接方式(a ,b ,c )和更正的连接方式(d ,e ,f ).图中a ,b ,c 三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,信号在各支路末端反射后与原信号叠加造成信号质量下降

.

理论上讲,RS 2485节点与主干之间距离(T 头,

也称引出线)越短越好,以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低.T 头小于10m 的节点采用T 型,连接对网络匹配并无太大影响,可放心使用,

但若节点间距非常小(小于1m ,如L ED 模块组合屏),应采用星型连接,若采用T 型或串珠型连接就不能正常工作.RS 2485是一种半双工结构通信总线,大多用于一对多点的通信系统,因此主机物理位置应置于网络的一端,不要置于中心而形成主干的T 型分布.

RS 2485总线上的每个收发器通过一段引出线

接入总线,引出线过长时,由于信号在引出线中的反射,也会影响总线上的信号质量.和前面的讨论一样,系统所能允许的引出线长度也和信号的转换时间、数据速率有关.下面的“经验公式[4]”可以用来估算引出线的最大长度:

L max =(TR I S E ×0.2m/ns )/10.

对应于500ns 的上升/下降时间,总线允许的最大引出线长度约为10m.2.2　网络节点数

RS 2485标准并未对总线上允许连接的收发器

数量做出规定,但规定了最大总线负载为32个单位

负载(UL )[3].网络节点数与所选RS 2485芯片驱动能力和接收器的输入阻抗有关.每单位负载的阻抗约12k Ω.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48k Ω以上(1/4UL ),节点数就可增加至128个,96k Ω的输入

电阻允许节点数可到256个,如SN75LBC184支持

节点数最大值为64点,SP485R 标称最大值为400点.实际使用时,因线缆长度、线径、网络分布、传输速率不同,实际节点数达不到理论值.例如75LBC184运用在500m 分布的RS 2485网络上节点数超过50或速率大于9.6kbp s 时,工作可靠性明显下降.通常推荐节点数按RS 2485芯片额定最大值的70%选取.2.3　通信速率

由1.1小节可知,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)bp s 之间选取.通信距离1km 以内,从通信效率、节点数、通信距离等综合考虑可选用4800bp s.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.

3　过压瞬变干扰

RS 2485收发器采用平衡发送和差分接收,即在

发送端,驱动器将T TL 电平信号转换成差分信号输出;在接收端,接收器将差分信号转换成T TL 电平,因此具有抑制共模干扰的能力.但RS 2485接收器差分输入端对“地”的共模电压允许范围为(-7～12)V ,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,例如人体接触芯片的引脚而产生静电放电,其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 2485传输线上引起的瞬变干扰,其能量更可在瞬

间烧毁连接在传输线上的全部器件.

3.1　共模干扰

如图3所示,当发送器A 向接收器B 发送数据

时,发送器A 的输出共模电压为V o s ,由于两个系统

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