深度剖析RS-485组网问题及总线测试

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。

一、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。

二、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

三、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