RS485電路及隔離技術(shù)：光電隔離RS485典型電路
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一、RS485總線(xiàn)介紹
RS485總線(xiàn)是一種常見(jiàn)的串行總線(xiàn)標準，采用平衡發(fā)送與差分接收的方式，因此具有抑制共模干擾的能力。在一些要求通信距離為幾十米到上千米的時(shí)候，RS485總線(xiàn)是一種應用最為廣泛的總線(xiàn)。而且在多節點(diǎn)的工作系統中也有著(zhù)廣泛的應用。
二、RS485總線(xiàn)典型電路介紹
RS485電路總體上可以分為隔離型與非隔離型。隔離型比非隔離型在抗干擾、系統穩定性等方面都有更出色的表現，但有一些場(chǎng)合也可以用非隔離型。
我們就先講一下非隔離型的典型電路，非隔離型的電路非常簡(jiǎn)單，只需一個(gè)RS485芯片直接與MCU的串行通訊口和一個(gè)I/O控制口連接就可以。如圖1所示：
圖1、典型485通信電路圖（非隔離型）
當然，上圖并不是完整的485通信電路圖，我們還需要在A(yíng)線(xiàn)上加一個(gè)4.7K的上拉偏置電阻；在B線(xiàn)上加一個(gè)4.7K的下拉偏置電阻。中間的R16是匹配電阻，一般是120Ω，當然這個(gè)具體要看你傳輸用的線(xiàn)纜。（匹配電阻：485整個(gè)通訊系統中，為了系統的傳輸穩定性，我們一般會(huì )在第一個(gè)節點(diǎn)和最后一個(gè)節點(diǎn)加匹配電阻。所以我們一般在設計的時(shí)候，會(huì )在每個(gè)節點(diǎn)都設置一個(gè)可跳線(xiàn)的120Ω電阻，至于用還是不用，由現場(chǎng)人員來(lái)設定。當然，具體怎么區分第一個(gè)節點(diǎn)還是最后一個(gè)節點(diǎn)，還得有待現場(chǎng)的專(zhuān)家們來(lái)解答呵。）TVS我們一般選用6.8V的，這個(gè)我們會(huì )在后面進(jìn)一步的講解。
RS-485標準定義信號閾值的上下限為±200mV。即當A-B>200mV時(shí)，總線(xiàn)狀態(tài)應表示為“1”；當A-B<-200mV時(shí)，總線(xiàn)狀態(tài)應表示為“0”。但當A-B在±200mV之間時(shí)，則總線(xiàn)狀態(tài)為不確定，所以我們會(huì )在A(yíng)、B線(xiàn)上面設上、下拉電阻，以盡量避免這種不確定狀態(tài)。
三、隔離型RS485總線(xiàn)典型電路介紹
在某些工業(yè)控制領(lǐng)域，由于現場(chǎng)情況十分復雜，各個(gè)節點(diǎn)之間存在很高的共模電壓。雖然RS-485接口采用的是差分傳輸方式，具有一定的抗共模干擾的能力，但當共模電壓超過(guò)RS-485接收器的極限接收電壓，即大于+12V或小于－7V時(shí)，接收器就再也無(wú)**常工作了，嚴重時(shí)甚至會(huì )燒毀芯片和儀器設備。
解決此類(lèi)問(wèn)題的方法是通過(guò)DC-DC將系統電源和RS-485收發(fā)器的電源隔離；通過(guò)隔離器件將信號隔離，徹底消除共模電壓的影響。實(shí)現此方案的途徑可分為：
（1）傳統方式：用光耦、帶隔離的DC-DC、RS-485芯片構筑電路；
（2）使用二次集成芯片，如ADM2483、ADM2587E等。
傳統光電隔離的典型電路：（如圖2所示）
圖2、光電隔離RS485典型電路
圖中我們以高速光耦6N137為例（當然只是示意圖）來(lái)說(shuō)明一下隔離型RS485電路。VDD與VCC485是兩組不共地的電源，一般用隔離型的DC-DC來(lái)實(shí)現。通過(guò)光耦隔離來(lái)實(shí)現信號的隔離傳輸，ADM487與MCU系統不共地，完全隔離則有效的抑制了高共模電壓的產(chǎn)生，大大降低了485的損壞率，提高了系統的穩定性。但也存在電路體積過(guò)大、電路繁瑣、分立器件過(guò)多、傳輸速率受光電器件限制等缺點(diǎn)，對整個(gè)系統的穩定性也有一定的影響。
隔離型RS485器件來(lái)實(shí)現隔離傳輸：（如圖3所示）
圖3、隔離型RS485芯片ADM2483應用圖
ADM2483是ADI推出的隔離型485芯片，SOW-16封裝，內部集成了一個(gè)三通道的磁隔離器件和一個(gè)半雙工485收發(fā)器，2500V隔離電壓、傳輸速率500K、共模電壓抑制能力25KV/μS。但此電路仍需雙電源供電，因此也會(huì )在一定程度上存在電路體積過(guò)大的問(wèn)題。（一般我們會(huì )在7腳接4.7K--10K的上拉電阻）
完全隔離型RS485器件實(shí)現隔離傳輸：（如圖4所示）
圖4、完全隔離型RS485/422芯片ADM2587E應用圖
ADM2587E是ADI繼ADM2483之后，推出的單電源隔離型485芯片。SOW-20封裝，2500V隔離電壓，全/半雙工、傳輸速率500K、共模電壓抑制能力25KV/μS、±15KV的ESD保護。適合用于工控、電力、儀表、安防等各種485隔離場(chǎng)合。
四、RS485總線(xiàn)保護電路
隔離雖然能有效的抑制高共模電壓，但總線(xiàn)上還會(huì )存在浪涌沖擊、電源線(xiàn)與485線(xiàn)短路、雷擊等潛在危害，所以我們一般會(huì )在總線(xiàn)端采取一定的保護措施。
一般我們會(huì )在VA、VB上各串接一個(gè)4～10Ω的PTC電阻，并在VA、VB各自對地端接6、8V的TVS管，當然也可用普通電阻與穩壓二極管代替。更多的還可以加熱保險絲、防雷的管，不過(guò)并不是說(shuō)這些加的越多越好，具體要看實(shí)際應用，如果這些保護太多的話(huà)，也會(huì )影響到整個(gè)系統的節點(diǎn)數，與通信穩定性。
五、485應用的一些小經(jīng)驗
1、收發(fā)時(shí)序不匹配
485是半雙工的通信，收發(fā)轉換是需要一定的時(shí)間的，所以一般在收發(fā)轉換之間，和每發(fā)送完一幀數據之后，都要有相應的延時(shí)，如果出現收發(fā)不正常、或第一幀數據之后就出現誤碼現象，則可以適當的增加一下延時(shí)時(shí)間，以觀(guān)問(wèn)題是否解決。
2、R0接上拉電阻
異步通信數據以字節的方式傳送，在每一個(gè)字節傳送之前，先要通過(guò)一個(gè)低電平起始位實(shí)現握手。為防止干擾信號誤觸發(fā)RO（接收器輸出）產(chǎn)生負跳變，使接收端MCU進(jìn)入接收狀態(tài)，建議RO外接10kΩ上拉電阻。
3、合理選用芯片
例如，對外置設備為防止強電磁（雷電）沖擊，建議選用TI的75LBC184等防雷擊芯片，對節點(diǎn)數要求較多的可選用SIPEX的SP485R。此外經(jīng)我們實(shí)驗發(fā)現，ADI的非隔離型485芯片ADM487E、隔離型芯片ADM2483、ADM2587在多節點(diǎn)、防雷擊方面也有著(zhù)很好的表現。
六、維護RS-485的常用方法
1）若出現系統完全癱瘓，大多因為某節點(diǎn)芯片的VA、VB對電源擊穿，使用萬(wàn)用表測VA、VB間差模電壓為零，而對地的共模電壓大于3V，此時(shí)可通過(guò)測共模電壓大小來(lái)排查，共模電壓越大說(shuō)明離故障點(diǎn)越近，反之越遠；
2）總線(xiàn)連續幾個(gè)節點(diǎn)不能正常工作。一般是由其中的一個(gè)節點(diǎn)故障導致的。一個(gè)節點(diǎn)故障會(huì )導致鄰近的2～3個(gè)節點(diǎn)（一般為后續）無(wú)法通信，因此將其逐一與總線(xiàn)脫離，如某節點(diǎn)脫離后總線(xiàn)能恢復正常，說(shuō)明該節點(diǎn)故障；
3）集中的供電RS-485系統在上電時(shí)常常出現部分節點(diǎn)不正常，但每次又不完全一樣。這是由于對RS-485的收發(fā)控制端TC設計不合理，造成微系統上電時(shí)節點(diǎn)收發(fā)狀態(tài)混亂從而導致總線(xiàn)堵塞。改進(jìn)的方法是將各微系統加裝電源開(kāi)關(guān)然后分別上電；
4）系統基本正常但偶爾會(huì )出現通信失敗。一般是由于網(wǎng)絡(luò )施工不合理導致系統可靠性處于臨界狀態(tài)，最好改變走線(xiàn)或增加中繼模塊。應急方法之一是將出現失敗的節點(diǎn)更換成性能更優(yōu)異的芯片；
5）因MCU故障導致TC端處于長(cháng)發(fā)狀態(tài)而將總線(xiàn)拉死一片。提醒讀者不要忘記對TC端的檢查。盡管RS-485規定差模電壓大于200mV即能正常工作。但實(shí)際測量：一個(gè)運行良好的系統其差模電壓一般在1.2V左右（因網(wǎng)絡(luò )分布、速率的差異有可能使差模電壓在0.8~1.5V范圍內）。
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