工業串列匯流排

從目前解決MCU之間中長距離通信的諸多方案分析來看，RS-485因硬體設計簡單、控制方便、成本低廉等優點，在消防、水文、水利自動報測、樓宇控制等工程中被廣泛使用。但RS-485匯流排存在自適應、自保護功能脆弱、通信效率低等缺點，如不注意一些細節的處理常出現通信失敗甚至系統癱瘓等故障，因此提高RS-485匯流排的運行可靠性至關重要。

基本介紹

• 中文名：工業串列匯流排
• 電源選擇：220~1000μF電解電容
• 硬體設計：可與MCU共用5V電源
• 網路建立：採用特性阻抗為120Ω雙絞線

電源選擇

對於由MCU結合RS-485微系統組建的測控網路，應優先採用各微系統獨立供電方案，最好不要採用一台大電源給微系統並聯供電，同時電源線（交直流）不能與RS-485信號線共用同一股多芯電纜。RS-485信號線宜選用截面積0.75mm2以上雙絞線而不是平直線。對於每個小容量直流電源選用線性電源LM7805比選用開關電源更合適。當然應注意LM7805的保護：

1．LM7805輸入端與地應跨接220~1000μF電解電容；

2．LM7805輸入端與輸出端反接1N4007二極體；

3．LM7805輸出端與地應跨接470~1000μF電解電容和104pF獨石電容並反接1N4007二極體；

4．輸入電壓以8~10V為佳，最大允許範圍為6.5~24V。可選用TI的PT5100替代LM7805，以實現9~38V的超寬電壓輸入。

硬體設計

RS-485晶片供電電壓為4.5~5.5V，可與MCU共用5V電源。因RS-485匯流排為並接式二線制接口，一旦有一隻晶片故障就可能將匯流排“拉死”，因此對其二線口VA、VB與匯流排之間應加以隔離。一種簡單可行的方法是：VA、VB與匯流排之間各串接一隻4~10Ω的PTC電阻，同時與地之間各跨接5V的TVS二極體以消除線路浪涌干擾。如沒有PTC電阻和TVS二極體可用普通電阻和穩壓管代替。為防止干擾信號誤觸發RO（接收器輸出）負跳變（RO的負跳變是通信接收的關鍵），建議將RO外接10kΩ上拉電阻。對於收發控制端TC建議採用MCU引腳通過反相器進行控制，不宜採用MCU引腳直接進行控制以防止MCU上電時對匯流排的干擾。對外置設備為防止強電磁（雷電）衝擊，建議選用TI的75LBC184等防雷擊晶片。

網路建立

RS-485網路通常採用特性阻抗為120Ω雙絞線作傳輸介質，傳輸速率300b/s~115.2kb/s兼容，為異步半雙工結構。網路節點數與所選RS-485晶片驅動能力和接收器的輸入阻抗有關，如75LBC184標稱最大值為64點，MAX1487E標稱最大值為128點。實際使用時，因線纜長度、線徑、網路分布、傳輸速率不同，實際接點數均達不到理論值。例如75LBC184運用在500m分布的RS-485網路上節點數超過50或速率大於9.6kb/s時工作可靠性明顯下降。根據筆者經驗，節點數應按最大值的70%選取，傳輸速率在1200~9600b/s之間選取，通信距離1km以內，從通信效率、節點數、通信距離等綜合考慮選用4800b/s最佳。通信距離1km以上時應通過增加中繼模組或降低速率的方法提高傳輸可靠性。

理論上講，RS-485節點與主幹之間距離即T頭越短越好。T頭小於10m的節點採用T型連線對網路匹配並無太大影響，可放心使用，但對於節點間距非常小（小於1m，如LED模組組合屏）應採用星型連線，若採用T型或串珠型連線就不能正常工作。RS-485是一種半雙工結構通信匯流排，大多用於一對多點的通信系統，因此主機（PC）應置於一端，不要置於中間而形成主幹的T型分布，同時位於匯流排兩端的差分連線埠VA與VB之間應跨接120Ω匹配電阻，以減少由於不匹配而引起的反射。

通信效率

RS-485通常套用於一對多點的主從應答式通信系統中，相對於RS-232等全雙工匯流排效率低了許多，因此選用合適的通信協定及控制方式非常重要。

1．匯流排穩態控制（握手信號）大多數使用者選擇在數據傳送前1ms將收發控制端TC置成高電平，使匯流排進入穩定的傳送狀態後才傳送數據；數據傳送完畢再延遲1ms後置TC端成低電平，使可靠傳送完畢後才轉入接收狀態。據筆者使用TC端的延時有4個機器周期已滿足要求；

2．為保證數據傳輸質量，對每個位元組進行校驗的同時，應儘量減少特徵字和校驗字。慣用的數據包格式由引導碼、長度碼、地址碼、命令碼、數據、校驗碼、尾碼組成，每個數據包長度達20~30位元組。在RS-485系統中這樣的協定不太簡練，因此向大家介紹適合RS-485使用的MODBUS標準協定。MODBUS協定採用下傳8個位元組，上傳7個位元組的方式進行通信，現已廣泛使用於水利、水文、電力等行業設備及系統的國際標準中。

協定規定

上位機傳送8個位元組召測指令，其中地址、設備類別、通信路由、指令類別、指令長度、指令各占1個位元組，CRC校驗碼占2個位元組；下位機應答7個位元組，地址、設備類別、數據長度各占1個位元組，數據、CRC校驗碼各占2個位元組。

CRC校驗規則

CRC初始化為&HFFFF（CRC_L=&HFF,CRC_H=&HFF）,將CRC_L與傳輸的第一個位元組進行異或運算，然後將CRC進行右移（不循環）並判斷：如移出的位為1，則CRC再與&HA001進行一次異或運算；如移出的位為0，則CRC不變。如此右移8次即完成第一個位元組的校驗，重複上述運算及右移直至將全部位元組校驗完畢，所生成的CRC（16位）即為傳輸校驗碼。

系統維護

RS-485是一種低成本、易操作的通信系統，但是穩定性弱同時相互牽制性強，通常有一個節點出現故障會導致系統整體或局部的癱瘓，而且又難以判斷。故向讀者介紹一些維護RS-485的常用方法。

1．若出現系統完全癱瘓，大多因為某節點晶片的VA、VB對電源擊穿，使用萬用表測VA、VB間差模電壓為零，而對地的共模電壓大於3V，此時可通過測共模電壓大小來排查，共模電壓越大說明離故障點越近，反之越遠；

2．集中供電的RS-485系統在上電時常常出現部分節點不正常，但每次又不完全一樣。這是由於對RS-485的收發控制端TC設計不合理，造成微系統上電時節點收髮狀態混亂從而導致匯流排堵塞。改進的方法是將各微系統加裝電源開關然後分別上電；

3．匯流排連續幾個節點不能正常工作。一般是由其中的一個節點故障導致的。一個節點故障會導致鄰近的2~3個節點（一般為後續）無法通信，因此將其逐一與匯流排脫離，如某節點脫離後匯流排能恢復正常，說明該節點故障；

4．系統基本正常但偶爾會出現通信失敗。一般是由於網路施工不合理導致系統可靠性處於臨界狀態，最好改變走線或增加中繼模組。應急方法之一是將出現失敗的節點更換成性能更優異的晶片；

5．筆者曾遇到MCU故障導致TC端處於長髮狀態而將匯流排拉死一片的現象，故提醒讀者不要忘記對TC端的檢查。儘管RS-485規定差模電壓大於200mV即能正常工作。但實際測量：一個運行良好的系統其差模電壓一般在1.2V左右（因網路分布、速率的差異有可能使差模電壓在0.8~1.5V範圍內）。

雖然RS-485匯流排存在一些缺點，但只要處理好細節，性能還是比較穩定的。