RS485网络故障排除确保数据交换的可靠性

在许多情况下，系统组装人员发现 RS485 网络不可靠或根本无法工作。在即插即用串行数字接口的世界中，这些长期存在的数字串行通信接口和协议的整体复杂性通常被低估，这有时会导致该领域出现问题，从而导致与设计的系统的质量和可靠性有关的问题。

本文的目的是概述这个流行接口的复杂性，为工程师提供确保其应用程序中数据交换可靠性所需的工具。

RS232 可追溯到 1960 年，是一种数字串行接口，主要用于将调制解调器连接到机电打字机。由于它在 1990 年代后期作为个人计算机中无处不在的标准功能，许多工程师都熟悉这个接口，并正确地认识到它的简单性和可靠性，使其在嵌入式系统中流行至今。

RS232 是一种点对点连接，一个主系统可以连接到一个从系统。由于所使用的信号电平以及信号以地为参考的事实，传输速度受到限制，并且用于连接的电缆长度在技术上被限制为大约 15 m。

RS422 对每个信号和较低的信号电平使用差分对，是旨在克服 RS232 缺点的众多规范之一。RS422 有一个可以持续传输的主机，但可以通过长达 1200 米的连接向多个从机传输。RS422 最常见的实现使用四个连接，其中一对执行 RS232 的发送 （Tx） 功能，另一对执行接收 （Rx） 功能。RS422 一词的现代用法通常是指 RS485 的全双工四线版本，因此本文中的讨论也适用于该接口。

RS485 是 RS422 的后续版本，提供了在单个网络上使用多个主机和从机的能力。由于主机和从机都要求允许其他单元在网络上传输，RS485 可以支持半双工双线连接，其中单个差分连接对提供发送和接收路径。现代用法通常将两线半双工配置称为 RS485。

设备兼容性

网络上设备之间兼容性的最佳理解方面涉及确保网络上的所有设备都支持一组通用的配置参数：波特率、数据位、停止位奇偶校验和双工，因此不需要更详细的描述：它将可以说，首先要考虑的是所有设备都正确配置为使用相同的设置。

拓扑

下一个要讨论的方面是网络拓扑：本质上是所有节点如何连接在一起。建议 RS485 网络采用菊花链式连接，以确保可靠运行。两线 RS485 网络的最佳实践通常是将主节点安装在网络中间并安装偏置电阻器，并将两端从节点安装终端。本文将研究有助于确定终端电阻和偏置电阻的尺寸以及是否需要它们的方法。

在 RS485 网络上，设备无法通信的一个常见原因是在决定如何标记连接时不明确，从而导致设备之间的错误连接。RS485 设备通常使用标签 A 和 B 进行连接。需要注意的是，这些引脚标签在制造商之间的使用不一致，并不总是按照规格中的说明使用，甚至在同一制造商的不同设备之间也可能不一致。

例如，凌力尔特 LTC1535 将同相输入标记为 A，而凌力尔特 LTC1387 将反相输入标记为 A。TIA/EIA-422-B 规范将反相输入标记为 A，并带有备用标签“-” ，以及作为 B 的非反相输入，具有备用标签“+”。为了正确操作，将设备连接到网络时必须小心。

其他常见的终端标签是 Tx+/Rx+ 和 Tx-/Rx-。由于标签混乱，这些应用也不一致。只有倒置和非倒置标签是一致的，但系统和设备制造商很少使用这些标签。因此，如果无法访问进入 UART 的 TTL 串行信号，尤其是在偏置电阻安装不正确的情况下，通常很难在不经过反复试验的情况下正确连接设备。

网络拓扑的一个重要且经常被忽视的方面是有效的最大传输长度，它与所选的波特率和所用电缆的特性有关。行业经验法则通常仅在波特率为 300 kbaud 及以下时引用 1200 m 的最大长度，在 10 Mbaud 时最大长度减少到 12 m。只有使用示波器检查网络末端的信号完整性，才能确保行业经验法则产生的信号符合 RS485 规范。

终止

终端用于将发送或接收节点的阻抗与所使用的传输线的阻抗相匹配。如果阻抗不匹配，则传输的信号不能被负载完全吸收，部分信号将被反射回传输线上。该反射信号将在电缆上上下传播，幅度随着时间的推移而减小。

终止的缺点是：

• 驱动程序负载增加。

• 偏差要求发生了变化。

在网络上是否需要端接，应基于总电缆长度和采用的数据速率。如果所有信号反射都将在数据位中心之前被衰减，此时接收器将进行采样，则不需要终止。

例如，任何电缆的传播延迟都可以根据其长度和传播速度（通常为光速 （c） 的 66-75%）计算得出。如果 100m 的电缆有 200m 的往返行程和 c 的 66% 的传播速度，则在大约 1 μs 内完成一次往返行程。假设反射在 5 次往返后完全衰减，则信号将在 5 μs 后稳定下来。

在 9600 波特率下，每个位的宽度为 104 μs。由于信号在位终止中心之前很稳定，因此不需要。在 115.2 k 波特下，每个位的宽度为 8.7 μs。由于在位中心之前信号不稳定，因此需要终止。该计算表明，在需要以 115.2 k 波特率终止之前，我们应该能够拥有大约 80 m 的网络长度。

终端电阻只能放置在网络的最末端，每个网络最多只能使用两个终端电阻。这就解释了为什么最好使用菊花链网络：短截线会增加阻抗不匹配和额外的反射点。对于两线网络，终端电阻器通常安装在网络末端的从节点上。对于四线网络，终端电阻器通常安装在网络末端的从节点上的接收对上。

偏向

配置 RS485 网络最复杂和最容易被误解的方面是偏差。当 RS485 网络空闲时，所有节点都设置为接收数据，因此所有驱动程序都处于三态。没有任何东西驱动网络，线路的状态是未知的。

如果接收器输入端的电压低于 ±200 mV，则接收器输出逻辑电平将无法确定，并且通常可能是接收到的最后一位的逻辑电平。如果没有这个，您可能会错过每个通信的起始位，从而妨碍对传输的正确解释。

为了保持正确的空闲状态偏置，可以在传输线上添加电阻器。一个上拉电阻（通常为 +5V）被添加到非反相输入 RX+，而一个下拉到地的电阻被添加到反相输入 RX-。

偏置电阻值由网络负载决定，包括终端（如果安装）：安装终端电阻时，这些电阻的负载效应大于节点的负载效应，每个节点的典型负载为 12kΩ。这意味着无论节点数量如何，偏置电阻值约为 685Ω。当未安装终端时，偏置电阻可以从两个节点的 122kΩ 变化到 32 个节点的 4.5kΩ，以达到所需的电压水平。

偏置电阻可以添加到网络上的任何点，也可以在多个节点之间拆分。网络上所有偏置电阻的并联组合应等于或小于偏置要求。它们通常被添加到主节点。许多现代 RS485 收发器已被设计为无需偏置电阻即可正确识别空闲状态。如果所有 RS485 收发器都没有此功能，并且设备制造商没有披露所应用的收发器类型，那么在创建 RS485 网络时仍必须考虑偏置。

结论

系统和设备制造商经常被问到的一个问题是，为什么他们的系统默认不安装终端电阻和偏置电阻。从上面的讨论中可以看出，如果不知道网络的整个拓扑和长度，这是不可能的，并且每个网络都是不同的。

RS485 网络远非即插即用，在实现可靠网络之前，必须了解和考虑应用程序的许多特性。

审核编辑：郭婷