踩坑又给项目埋雷,RS485自动收发电路设计

前言

这个文章的题目有点骗眼球的感觉，其实是自己踩过大坑，很是痛恨这个电路，希望大家以后不要踩了。工程师要画这个电路时，网上一搜，不经深入分析就拿来用，给项目埋了炸弹。

RS485自动收发电路

因为RS485采用叉分信号，只支持半双工。正常的RS485芯片驱动电路是需要GPIO来切换发送和接收模式。如下图所示，一般的RS485电平转换芯片都有RE/DE脚，用来切换收发模式。

RS485标准电路参考

嵌入式行业，特别是MCU相关的都比较爱抠成本，便宜的MCU往往就是GPIO数量不够。如果是上Linux系统的方案，一般串口支持RS485就还得改GPIO驱动，会有软件工作量。于是有大聪明发明了自动切换的电路，省掉了那个GPIO。下图是网上找的一个自动收发电路图，收发原理直接看图中文字描述。

1. 不发送数据时，接收模式，没问题。

2. 发送数据0时，发送模式，输出0，没问题。

3. 发送数据1时，接收模式，外围A,B由上下拉电路控制，输出1，问题出在这里。

RS485自动收发电路

由于自己示波器测量的图片丢失，网上找别的测试图来说明，引用文章链接：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/48018717

三极管的关断时间较长(主要是由于三极管关断时的存储时间较长)，因此若TXD发送低电平，DE&RE引脚较长时间后才会升至高电平，才会切到发送模式，发送低电平的延时时间较长，如下图所示为1.204 μs。

关断延时

二是自动收发电路发送高电平是通过外部上下拉电阻驱动的，上升沿较缓慢，波形如下图所示，可以看出，发送高电平的上升沿较为缓慢，限制了高速通信的应用。

上下拉驱动上升沿缓慢

RS485自动收发电路风险

如下图所示，TXD变为高电平，DE&RE引脚降为低电平，AB差分电压缓慢上升，由于此时RS-485收发器已经处于接收状态，在AB差分电压上升至RS-485收发器门限电平前RXD引脚会出现到一段时间的低电平信号，例如门限电平为-200mV~-50mV的收发器，AB差分电压上升至-50mV前RS-485收发器均可输出低电平，此低电平信号的时间与AB差分电压上升时间和RS-485收发器的接收延时有关。由于串口一般是将每个位分成16份，检测中间的3份的电平信号从而确定此位的信号高低，因此若此低电平信号保持至每个位的信号检测时，则会使MCU接收到一个起始位，从而接收到错误的数据，因此这个问题同样限制了高速通信的应用并且降低了通信的可靠性。

rxd接收到低电平

我们在实际应用中就是遇到这个问题，概率收到错误数据，导致丢包（数据校验不通过而丢弃）。在研发的环境中，连接的终端设备少，距离近，这个丢包概率比较低，不容易发现。在Modbus应用中，概率丢包只会影响数值更新速度慢，影响不大。但是我们在现场做升级操作时，几乎很难成功，因为在研发环境没问题，我们优先排查现场环境信号干扰等问题，浪费了很多时间。这个电路有两个缺点：

1. 通信速度慢：

三极管有电容效应，导致关断时间较长，导致RE/DE从低到高电平变化出现比较大的斜坡.同时485输出高电平，是依靠上下拉来完成的，会导致上升沿不够迅速，因此上下拉的阻值选择也是影响速度的关键。

2. 驱动能力弱：

由于当tx为高，485电平是由其上拉电阻完成的，因此弱提高驱动能力，就要减小电阻，由于485芯片驱动能力有限，电阻太小会导致tx为低的时候，485芯片无法将485总线拉低，因此总线上所有上拉电阻的并联值不应该小于375欧。还用当接入120欧的终端电阻的时候，AB两相的电压差由终端电阻和上下拉分压得到，会导致AB两相的电压差变小，因此自动收发串口转RS485设计不太适合添加终端电阻。

终端电阻的问题

终端电阻主要是为了匹配通信线的特性阻抗，防止信号反射，提高信号质量。在组建RS-485总线网络时，通常使用特性阻抗为120Ω的屏蔽双绞线，由于RS-485收发器输入阻抗一般较高（例如RSM485ECHT输入阻抗为96kΩ，最多可连接256个节点），在信号传输到总线末端时会由于受到的瞬时阻抗发生突变（以RSM485ECHT为例，阻抗由120Ω变为96kΩ），导致信号发生反射，影响信号的质量。

实际上只有距离+高速率的环境需要添加终端电阻，例如长度>500米 + 波特率超过500kbps。

总结和建议

RS485总线和电路看似简单，但是要看应用场景，对稳定性有要求的不建议使用自动收发驱动电路。

在没有遇到信号反射问题时，尽量不要使用终端电阻；硬件设计时，可以预留外挂或焊接120Ω电阻的位置。

要查看RS485驱动芯片的输入阻抗参数，和支持外挂设备数。上、下拉电阻与收发器输入阻抗的并联值应大于375Ω；

如果是现场做工程项目，建议带上万用表和示波器，测一下空闲状态下的电压值，收发的信号质量，这样才安心。