串行通信及RS-485UART、RS-232、RS-422、RS-485UART是什么UART是通用异步收发传输器（UniversalAsy
nchronousReceiver/Transmitter)，通常称作UART，是一种异步收发传输器,是设备间进行异步通信的关键模
块。UART负责处理数据总线和串行口之间的串/并、并/串转换，并规定了帧格式；通信双方只要采用相同的帧格式和波特率，就能在未共享时
钟信号的情况下，仅用两根信号线（Rx和Tx）就可以完成通信过程，因此也称为异步串行通信。若加入一个合适的电平转换器，如SP3232
E、SP3485，UART还能用于RS-232、RS-485通信，或与计算机的端口连接。UART应用非常广泛，手机、工业控制、PC
等应用中都要用到UART。UART使用的是异步，串行通信。串行通信是指利用一条传输线将资料一位位地顺序传送。特点是通信线路简单，利
用简单的线缆就可实现通信，降低成本，适用于远距离通信，但传输速度慢的应用场合。异步通信以一个字符为传输单位，通信中两个字符间的时间
间隔多少是不固定的，然而在同一个字符中的两个相邻位间的时间间隔是固定的。数据传送速率用波特率来表示，即每秒钟传送的二进制位数。例如
数据传送速率为120字符/秒，而每一个字符为10位（1个起始位，7个数据位，1个校验位，1个结束位），则其传送的波特率为10×12
0＝1200字符/秒＝1200波特。数据通信格式如下图：其中各位的意义如下：起始位：先发出一个逻辑”0”信号，表示传输字符的开始。
数据位：可以是5~8位逻辑0或1。如ASCII码（7位），扩展BCD码（8位）。校验位：数据位加上这一位后，使得1的位数应为偶数(
偶校验)或奇数(奇校验)停止位：它是一个字符数据的结束标志。可以是1位、1.5位、2位的高电平。空闲位：处于逻辑“1”状态，表示当
前线路上没有资料传送。注：异步通信是按字符传输的，接收设备在收到起始信号之后只要在一个字符的传输时间内能和发送设备保持同步就能正确
接收。下一个字符起始位的到来又使同步重新校准（依靠检测起始位来实现发送与接收方的时钟自同步的）RS-232标准RS-232是美国电
子工业协会EIA（ElectronicIndustryAssociation）制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的
缩写，232为标识号。RS-232是对电气特性以及物理特性的规定，只作用于数据的传输通路上，它并不内含对数据的处理方式。需要说明一
下,很多人经常把RS-232、RS-422、RS-485误称为通讯协议,这是很不应该的，其实它们仅是关于UART通讯的一个机械和电
气接口标准（顶多是网络协议中的物理层面）。RS-232-C标准规定的数据传输速率为每秒50、75、100、150、300、600、
1200、2400、4800、9600、19200波特。该标准规定采用一个25个脚的DB-25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容
加以规定，还对各种信号的电平加以规定。后来IBM的PC机将RS-232简化成了DB-9连接器，从而成为今天的事实标准。而工业控制的
RS-232口一般只使用RXD（2）、TXD（3）、GND（5）三条线。早期由于PC都带有RS-232接口，所以我们需要使用UAR
T时，都选择RS-232。但是现在个人电脑，不光是笔记本，包括台式机都不再带有RS-232的接口，大家看到电脑主板上面没有DB9的
接口。所以现在开发板都选择TTL的UART，或者直接UART转USB做在开发板上。嵌入式里面说的串口，一般是指UART口，但是我们
经常搞不清楚它和COM口的区别,以及RS232,TTL等关系,实际上UART,COM指的物理接口形式(硬件),而TTL、RS-23
2是指的电平标准(电信号).UART有4个pin（VCC,GND,RX,TX）,用的TTL电平,低电平为0(0V)，高电平为1（3
.3V或以上）。RS232特点：RS-232是主流的串行通信接口之一。由于RS232接口标准出现较早，难免有不足之处，主要有以下四
点：（1）接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片。RS232接口任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即：逻辑“1”为-3—-1
5V；逻辑“0”：+3—+15V，噪声容限为2V。即要求接收器能识别高于+3V的信号作为逻辑“0”，低于-3V的信号作为逻辑“1”
，TTL电平为5V为逻辑正，0为逻辑负。与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。（2）传输速率较低，在异步传输
时，比特率为20Kbps；因此在51CPLD开发板中，综合程序波特率只能采用19200，也是这个原因。（3）接口使用一根信号线和一
根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。（4）传输距离有限，最大传输距离标准值为50英
尺，实际上也只能用在15米左右。RS-485/RS-422标准RS-232接口可以实现点对点的通信方式，但这种方式不能实现联网功能
。于是，为了解决这个问题，一个新的标准RS-485产生了。RS-485的数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使用一对双绞线
，将其中一线定义为A，另一线定义为B。通常情况下，发送驱动器A、B之间的正电平在+2～+6V，是一个逻辑状态，负电平在-2～6V，
是另一个逻辑状态。另有一个信号地C，在RS-485中还有一“使能”端，而在RS-422中这是可用可不用的。RS-422的电气性能与
RS-485完全一样。主要的区别在于：RS-422有4根信号线：两根发送、两根接收。由于RS-422的收与发是分开的所以可以同时收
和发（全双工），也正因为全双工要求收发要有单独的信道，所以RS-422适用于两个站之间通信，星型网、环网，不可用于总线网；RS-4
85只有2根信号线，所以只能工作在半双工模式，常用于总线网。RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+(2~6)V表示
；逻辑“0”以两线间的电压差为-(2~6)V表示。接口信号电平比RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL
电平兼容，可方便与TTL电路连接。RS-485的数据最高传输速率为10Mbps。RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合
，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好。RS-485最大的通信距离约为1219M，最大传输速率为10Mb/S，传输速率与传输距离成
反比，在100Kb/S的传输速率下，才可以达到最大的通信距离，如果需传输更长的距离，需要加485中继器。RS-485总线一般最大支
持32个节点，如果使用特制的485芯片，可以达到128个或者256个节点，最大的可以支持到400个节点。RS-423非平衡串行通信
接口结构、信号电平、传输距离、传输速率、接口芯片RS-422平衡型串行通信接口结构、信号电平、接口芯片，MC3486、MC3487
、SN75154，SN75155传输速率、传输距离RS-485串行通信总线结构、信号电平、接口芯片MAX485传输速率、传输距离，
应用实例由于RS-232接口标准出现较早，难免有不足之处，主要有以下四点：（1）接口的信号电平值较高，易损坏接口电路芯片，又因为2
32电平与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接；（2）传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps。现在由
于采用了新的UART芯片，波特率达到115.2Kbps（1.832M/16）；（3）接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的
传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱；（4）传输距离有限，最大传输距离标准值为50米，实际上也只能用在15米
左右；（5）RS-232只容许一对一的通信，没有考虑构成串行总线。(这点很重要，在很多控制场景，是一控多，如果主设备都需要跟从设备
点对点通信，那现场布线成蜘蛛网了)非平衡型串行通信接口RS-423，RS-449平衡型串行通信接口RS-422RS-422（EIA
RS-422-AStandard）是Apple的Macintosh计算机的串口连接标准。RS-422使用差分信号，RS-232使用
非平衡参考地的信号。差分传输使用两根线发送和接收信号，对比RS-232，它能更好的抗噪声和有更远的传输距离。在工业环境中更好的抗噪
性和更远的传输距离是一个很大的优点。RS-232与RS-485对比抗干扰性：RS485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗噪
声干扰性好。RS232接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰。传输距离：RS485接
口的最大传输距离标准值为1200米（9600bps时），实际上可达3000米。RS232传输距离有限，最大传输距离标准值为50米，
实际上也只能用在15米左右。通信能力：RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器，用户可以利用单一的RS-485接口方便
地建立起设备网络。RS-232只允许一对一通信。传输速率：RS-232传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps。RS-48
5的数据最高传输速率为10Mbps。信号线：RS485接口组成的半双工网络，一般只需二根信号线。RS-232口一般只使用RXD、T
XD、GND三条线。电气电平值：RS-485的逻辑''1''以两线间的电压差为+（2-6）V表示；逻辑''0''以两线间的电压差为-（2-
6）V表示。在RS-232-C中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即：逻辑''1''，-5--15V；逻辑''0''+5-+15V。RS
-422与RS-485对比RS-485的电气性能与RS-422完全一样。主要的区别在于：RS-422有4根信号线：两根发送（Y、Z
）、两根接收（A、B）。由于RS-422的收与发是分开的所以可以同时收和发（全双工）。RS-485只有两根数据线：发送和接收都是A
和B。由于RS-485的收与发是共用两根线，所以不能同时收和发（半双工）。RS-485标准采用平衡式发送，差分式接收的数据收发器来
驱动总线，具体规格要求：接收器的输入电阻RIN≥12kΩ驱动器能输出±7V的共模电压输入端的电容≤50pF在节点数为32个，配置了
120Ω的终端电阻的情况下，驱动器至少还能输出电压1.5V（终端电阻的大小与所用双绞线的参数有关）接收器的输入灵敏度为200mV（
即（V+）-（V-）≥0.2V，表示信号“0”；（V+）-（V-）≤-0.2V，表示信号“1”）因为RS-485的远距离、多节点（
32个）以及传输线成本低的特性，使得EIARS-485成为工业应用中数据传输的首选标准。（1）RS-485的电气特性：发送端：逻辑
“0”以两线间的电压差+（2~6）V表示；逻辑“1”以两线间的电压差-（2~6）V表示。接收端：A比B高200mV以上即认为是逻辑
“0”，A比B低200mV以上即认为是逻辑“1”；（2）RS-485的数据最高传输速率为10Mbps。但是由于RS-485常常要与
PC机的RS-232口通信，所以实际上一般最高115.2Kbps。又由于太高的速率会使RS-485传输距离减小，所以往往为9600
bps左右或以下；（3）RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗噪声干扰性好；（4）RS-485接口的最大传输距离标
准为1200米（9600bps时），实际上可达3000米，RS-485接口在总线上是容许连接多达128个收发器、即RS-485具有
多机通信功能，这样用户可以利用单一的RS-485接口方便的建立起网络。因为RS-485接口组成的半双工网络，一般只需二根信号线，所
以RS-485接口均采用双绞线传输。RS-485的国际标准并没有规定RS-485的接口连接器标准、所以采用接线端子或者DB-9、D
B-25等连接器都可以。在使用RS-485接口时，对于特定的传输线径，从发生器到负载其数据信号传输所容许的最大电缆长度是数据信号速
率的函数，这个长度数据主要是受信号失真及噪声等影响所限制。最大电缆长度与信号速率的关系曲线是使用24AWG铜芯双绞电话电缆（线径为
0.51mm），线间旁路电容为52.5PF/M，终端负载电阻为100欧时所得出的。（引自GB11014-89附录A）。当数据信号速
率降低到90Kbit/S以下时，假定最大容许的信号损失为6dBV时，则电缆长度被限制在1200m。实际上，在实用时是完全可以取得比
它大的电缆长度。当使用不同线径的电缆，则取得的最大电缆长度是不相同的。例如：当数据信号速率为600Kbit/S时，采用24AWG电
缆，最大电缆长度是200m，若采用19AWG电缆（线径为0.91mm）则电缆长度将可以大于200m；若采用28AWG电缆（线径为0
.32mm），则电缆长度只能小于200m。RS-485的远距离通信建议采用屏蔽电缆，并且将屏蔽层作为地线。RS485通讯及其布线R
S485总线通讯概述485全名叫做EIA-485也叫做RS-485或者RS485，是隶属于OSI模型物理层的电气特性规定为2线、半
双工、平衡传输线多点通信的标准。是由电信行业协会(TIA)及电子工业联盟(EIA)联合发布的标准。实现此标准的数字通信网可以在有电
子噪声的环境下进行长距离有效率的通信。在线性多点总线的配置下，可以在一个网络上有多个接收器。因此适用在工业环境中。RS-485采用
半双工工作方式，支持多点数据通信。RS-485总线网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构。即采用一条总线将各个节点串接起来，不支持环
形或星型网络。如果需要使用星型结构，就必须使用485中继器或者485集线器才可以。RS-485总线一般最大支持32个节点，如果使用
特制的485芯片，可以达到128个或者256个节点，最大的可以支持到400个节点。RS485接口的通讯方式可以走Modbus-RT
U协议，也可以走Modbus-TCP/IP协议，工控行业常用的还是RTU协议。RS485总线要用到RS-A和RS-B两根线，除了电
源线外，只需要AB两根线即可实现多台设备的挂接。RS-485采用平衡发送和差分接收方式实现通信：发送端将串行口的TTL电平信号转换
成差分信号a，b两路输出，经过线缆传输之后在接收端将差分信号还原成TTL电平信号。485的通讯距离最远可以多少由于传输线通常使用双
绞线，又是差分传输，所以有极强的抗共模干扰的能力，总线收发器灵敏度很高，可以检测到低至200mv电压。故传输信号在千米之外都是可以
恢复。RS-485最大传输速率为10Mb/s，传输速率与传输距离成反比，在100kb/s的传输速率下，才可以达到最大的通信距离，如
果需传输更长的距离，需要加485中继器。理想环境的前提下，485总线传输距离最远可以达到1200米。其条件是通讯线材优质达标，波特
率为9600，只负载一台485设备，才能使得通讯距离达到1200米，所以通常485总线实际的稳定通讯距离往往达不到1200米。48
5通讯简图485总线的带负载能力实际负载能力主要看RS485转换器用什么芯片，一般485芯片负载能力有三个级别——32台、128台
和256台。并和所用电缆的品质相关，节点越多、传输距离越远、电磁环境越恶劣，对所选的电缆要求就越高。RS-485的“节点数”主要是
依“接收器输入阻抗”而定；根据规定，标准RS-485接口的输入阻抗为≥12kΩ，相应的标准驱动节点数为32个。为适应更多节点的通信
场合，有些芯片的输入阻抗设计成1/2负载（≥24kΩ）、1/4负载（≥48kΩ）甚至1/8负载（≥96kΩ），相应的节点数可增加到
64个、128个和256个。支持不同节点数的芯片如何消除485通讯干扰消除共模干扰的手段包括采用电气隔离方式进行通讯、采用屏蔽线进
行通讯将屏蔽层作为通讯地线、由一点可靠接入大地等。需要提一下的是485的差模干扰。485通讯线由两根双绞线组成，它是通过改变两根通
讯线之间的电压差的方式来传递信号的，因此称之为差分电压传输。差模干扰存在于两根信号线之间，属于对称性干扰。消除差模干扰的方法是在电
路中增加偏置电阻，并使用双绞线。终端电阻在通讯中的作用在485组网过程中另一个需要注意的是终端负载电阻问题，在设备少距离短的情况下
不加终端负载电阻整个网络能很好的工作但随着距离的增加性能将降低。理论上，在每个接收数据信号的中点进行采样时，只要反射信号在开始采样
时衰减到足够低就可以不考虑匹配。但这在实际应用上难以掌握，美国美信(MAXIM)公司有篇文章提到一条经验性的原则可以用来判断在什么
样的数据速率和电缆长度时需要进行匹配：当信号的转换时间（上升或下降时间）超过电信号沿总线单向传输所需时间的3倍以上时就可以不加匹配
。一般终端匹配采用终端电阻方法，RS-485应在总线电缆的开始和末端都并接终端电阻。终端电阻在RS-485网络中取120Ω。相当于
电缆特性阻抗的电阻，因为大多数双绞线电缆特性阻抗大约在100～120Ω。这种匹配方法简单有效，但有一个缺点，匹配电阻要消耗较大功率
，对于功耗限制比较严格的系统不太适合。另外一种比较省电的匹配方式是RC匹配。利用一只电容C隔断直流成分可以节省大部分功率。但电容C
的取值是个难点，需要在功耗和匹配质量间进行折衷。还有一种采用二极管的匹配方法，这种方案虽未实现真正的“匹配”，但它利用二极管的钳位
作用能迅速削弱反射信号，达到改善信号质量的目的，节能效果显著。一般情况下不需要增加终端电阻，只有在485通信距离超过300米的情况
下,要在485通讯的开始端和结束端增加终端电阻。还需要注意的是当设备数量较多时（一般超过22台），一般不需要再加终端电阻，因为终端
电阻会降低485总线的带负载能力。RS485布线规范485信号线不可以和电源线一同走线。由于强电具有强烈的电磁信号对弱电进行干扰，
从而导致485信号不稳定，导致通信不稳定。485信号线可以使用屏蔽线布线，也可以使用非屏蔽线布线。由于485信号是利用差模传输的，
具有共模干扰抑制能力。采用屏蔽线，可进一步抑制外部干扰。借助485集线器和485中继器可以任意布设成星型接线与树形接线。485总线
必须要接地。应该采用单点接地，保屏蔽线上的电压保持一致，防止共模干扰，如果多点接地适得其反。且保持屏蔽线连续，电压持一致，抑制共模
干扰。RS485通讯的正确接线方式理想用线为双绞线：半双工的两线最好用双绞线中的一对，这样两线双绞，加在两线上的干扰电平抵消实现抗
干扰效果。全双工时接收两线用一对，发送两线用另一对。RS485没有功率传输要求，所以对线径要求不高。实际工程中，通常采购室外阻水双
绞线保证线的保护性能。但有些工程商会用RVV线缆，这也是可以的，但抗干扰性要差些。这样就有工程商采用RVVP线缆（带屏蔽），这个并
不好，因为线间电容的加大会影响传输质量，需要降低传输的波特率。波特率的设置与线缆长度（含分支的总长）是有一定对应关系的，线路越长，
波特率应该设置的更低比较稳定。无论选择什么样的线缆，尽可能采用总线架构，减少星形联接，分支线尽可能短，尽量采用菊花链的连接方式，即
总线接到第一个结点，再跳到下一个结点。未接设备的分支线最好从总线上移除，否则易形成干扰。总线的最未端如果接收信号不佳，可加120欧
的线未电阻跨接在信号线两端。中间设备不要加，否则会加大线路损耗，减少设备数量和距离。不同设备的RS485芯片通常会不同，有不同负载
的类型的芯片，这些通常工程商没法直接看出。所以也就是说总线上不同设备的最大连接设备数不确定，同样的设备连接数参见设备说明要求就行。
下面给出菊花链的方式连接图全双工四线制结构下，主机的发送端线与从机的接收端线连，正接正，负接负对应。从机的发送线与主机的接收线对应
。半双工两线制下，正接正，负接负就行。RS-485上下拉电阻的选择为什么需要加上下拉电阻？当485总线差分电压大于+200mV时，
485收发器输出高电平；当485总线差分电压小于-200mV时，485收发器输出低电平；当485总线上的电压在-200mV～+20
0mV时，485收发器可能输出高电平也可能输出低电平。但一般总处于一种电平状态，若485收发器的输出低电平，这对于UART通信来说
是一个起始位，此时通信会不正常。当485总线处于开路（485收发器与总线断开）或者空闲状态（485收发器全部处于接收状态，总线没有
收发器进行驱动）时，485总线的差分电压基本为0，此时总线就处于一个不确定的状态。同时由于目前485芯片为了提高总线上的节点数，输
入阻抗设计的比较高，例如输入阻抗为1/4单位阻抗或者1/8单位阻抗(单位阻抗为12kΩ，1/4单位阻抗为48kΩ)，在管脚悬空时容
易受到电磁干扰。因此为了防止485总线出现上述情况，通常在485总线上增加上下拉电阻（通常A接上拉电阻，B总线下拉电阻）。若使用隔
离RS-485收发模块（例如RSM485PCHT），由于模块内部具有上下拉电阻（对于RSM485PCHT，内部上下拉电阻为24kΩ
）,因此在模块外部一般不需要增加上下拉电阻。什么情况下需要加上下拉电阻？当遇到信号反射问题时，通常会通过增加匹配电阻来避免信号反射
，以1对1通信为例，如图1所示。由于485总线通常使用特性阻抗为120Ω的双绞线，因此在485总线的首尾两端增加120Ω终端电阻来
避免信号反射问题。图1：两个RSM485PCHT模块通信电路根据RSM485PCHT的具体参数（如表1）可以得到如图2所示等效电路
，其中RPU、RPD为模块内部在485总线上加的上下拉电阻，RIN为模块的输入阻抗。表1RSM485PCHT参数图2：RSM485
PCHT通信等效示意图当两个模块都处于接收状态时，可以根据基尔霍夫电流定律对节点A和节点B列出下列公式：根据上述公式可以计算AB之
间的差分电压为：此时模块已处于不确定状态，模块接收器可能输出为高电平，也可能输出为低电平，这时就需要在模块外部增加上下拉电阻保证模
块在空闲时不处于不确定状态。上下拉电阻如何取？假设模块的输出电源电压V?O相同，由于RGND接在一起，因此可以认为模块内部的上拉电
阻是并联在一起的，为了方便解释，对图2的电路进行整理，如图3所示，在模块外部增加上下拉电阻可以选择只增加一组，也可以选择在每个模块
都增加上下拉电阻，为了解释方便，我们在485总线上增加一组上下拉电阻。图3：RSM485PCHT通信等效电路图其中：RPU为模块内
部上拉电阻，RPD为模块内部的下拉电阻，本例中为24kΩ；RIN为模块接收器输入阻抗，本例取最小值为120kΩ；RT为终端电阻，本
例取120Ω；RPU_EX为模块外部所加的上拉电阻，RPD_EX为模块外部所加的下拉电阻；由于RSM485PCHT的门限电平为-2
00mV～+200mV，一般留有100mV或200mV的电压裕量，本例留有100mV的电压裕量，根据前面所推导的差分电压公式，可以
得到下面计算公式：由于RSM485PCHT在供电电压范围为4.75V～5.25V，取VO=4.75V（最低输入电压VCC=4.75
V情况下），可得：由RPU=24kΩ，可得RPU_EX=RPD_EX=461.9Ω，由于计算出的电阻值为最大值，因此可以选择在48
5总线上仅加一组410Ω或390Ω的上下拉电阻，或者加两组910Ω上下拉电阻。如何验证上下拉电阻取值？上述计算仅考虑了485总线空
闲状态时不处于不确定状态，并没有考虑485收发器的驱动能力和所用元器件的功耗等问题。外部所加上下拉电阻越小，可以将485总线空闲状
态差分电压保持的越高，但与此同时，终端电阻和上下拉电阻的功耗也越大，对485收发器的驱动能力要求也越高，当超过485收发器的驱动能
力时，也会导致通信失败。根据RS-485标准，当接收器的输入阻抗为单位阻抗时（最小为12k）,总线上最多可以接32个节点，485的
差分负载最大为54Ω，此时差分输出电压最小为1.5V。图4：485总线连接32个节点等效示意图如图4所示，我们可以看到当485总线
上接有32个节点时，总线A或B的共模负载为：由此可见，对于RS-485的标准来说，A总线或B总线的最大共模负载为375Ω。图5：4
85总线增加终端电阻等效示意图当增加终端电阻后，可以发现485总线的共模负载没有发生变化，但差模负载急剧减小，差模负载为：因此当4
85总线的节点数达到最多以及增加终端电阻后，485总线的差模负载仍大于54Ω，根据RS-485的标准，差分输出电压最小为1.5V。
图6RSM485PCHT64个节点等效示意图以RSM485PCHT为例说明增加上下拉电阻的情况，如图6所示，总线A或B的共模负载为
：实际测试上述情况，驱动输出的最小差分电压3.02V，这个电压远大于RS-485标准规定的最小差分输出电压1.5V。图7RSM48
5PCHT64个节点增加终端电阻示意图当在485总线上增加终端电阻时，可以看出总线A或B的共模负载并没有发生变化，而差分阻抗有了较
大的变化，此时差模负载为：计算出的差模负载要略大于RS-485标准规定的最大负载为54Ω，我们对SM485PCHT进行实际测试，其
输出差分电压1.58V，略大于标准规定的最小电压。当差模负载为54Ω（485总线接两个120Ω终端电阻并且上拉电阻（下拉电阻）与收
发器内阻的并联值为270Ω）时，RSM485PCHT的差分输出电压为1.52V（实测值），基本和RS-485标准相同。当差模负载为
41.54Ω（485总线接两个120Ω终端电阻并且上拉电阻（下拉电阻）与收发器内阻的并联值为135Ω）时，RSM485PCHT的差
分输出电压在1.17V左右(实测值)，在这种情况下可以通信。但485收发芯片手册中规定的最大差模负载通常为54Ω，即在485总线上
增加两个120Ω后，上拉电阻（下拉电阻）与收发器输入阻抗的并联值应大于270Ω。同时为了保证稳定可靠通信，一般485总线的上拉电阻
（下拉电阻）与收发器输入阻抗的并联值应大于375Ω。总结通信线应选用屏蔽双绞线，屏蔽层应单点接大地；当我们没有遇到信号反射问题时，
尽量不要使用终端电阻；如果使用终端电阻，我们可以通过上下拉电阻调节485总线在空闲状态的电压值，保证不处于门限电平（-200mV～
+200mV或-200mV～-40mV）范围内；当我们增加上下拉电阻时，上拉电阻（下拉电阻）与收发器输入阻抗的并联值应大于375Ω
。RS-485需要隔离通讯的三个原因设备及人身安全—高压影响RS-485用于设备之间的通信，很多时候，作为厂商的我们根本不知道客户
拿自己的设备与什么类型的设备通信，万一对方利用几块钱的阻容降压原理将220V降压到12V，与电网完全没有隔离，测试、调试、使用时就
会非常危险，又或者是高压设备绝缘损坏，RS-485线上带高压，就会威慑设备和人身的安全。远端接受异常—电势差的影响许多实际应用中，
通信距离可达几千米，节点之间的距离又很远。设计者常常直接将每个节点的参考地接于本地的大地，作为信号的返回地，看似正常可靠的做法，实
际的大地并不是理想的“0”电位，大地也是导体，也存在阻抗。当大的电流流过大地时，流过电流的大地两端也会存在电势差。例如下图，由于A
B较远，参考地之间并不是“0”电位，地线的阻抗也不会是“0”，由于电流环路的作用，在A端的电压啊是Vs，在B端就变成了Vc+Vs。
数据异常，器件损坏—地环路的影响有的人肯定会说：既然节点之间的大地存在电势差，那直接用一根线将两个节点的地再连起来不就可以了？大错
特错！这样做只能使情况更加严重，这根长长的导线会与大地形成一个极大的地环路！相信大家在学生时代就知道，一个闭合线圈在变化的磁场里面
就会产生电流。50Hz的交流电力线、大型电机等，都是交流磁场的来源，若总线靠近或经过这些地方，地环路就会产生电流高达甚至上百安培。
电流流过地环路产生的共模电压就会影响总线的正常通信，除了稳定的磁场来源，一些电力线的浪涌、雷击、高频噪声等瞬态干扰都有可能被这个巨
型的“环形天线”拾取，并造成通信异常。什么情况下RS-485可以不用隔离？通过上面三个原因，我们可以清楚知道：1.保证我们的设备不
会接到有可能高压的设备或者有高压短路风险的场景。2.保证RS-485的布线不要超过100米。3.保证现场没有强磁、强电、大功率的设
备。集成式隔离RS485隔离电源收发器近日，ADI推出ADM2867E系列强化iCoupler?隔离RS485+集成隔离式DC-D
C转换器。这些新器件具有低电磁辐射干扰，能在尽量少的电路板返工和避免预算超支条件下满足EMC合规要求。相比ADI前一代产品以及竞争
对手目前提供的产品而言，这款收发器采用简化的PCB布局，SOIC外形小巧，可以在空间有限的应用中集成更多功能。这款隔离式RS485
+集成式隔离电源收发器系列提供智能功能，可以缩短终端系统安装和调试的时间，以及轻松校正与安装有关的连接问题。凭借iCoupler数
字隔离和IEC61000-4-2ESD的值得信赖的安全性，在严苛环境下可以保持信号完整性。ADM2867E主要特性5.7kVrms
隔离式全双工RS-485/RS-422收发器，爬电距离8mm不需要跨接电容的条件下，双层PCB符合CISPR32B类电磁兼容裕度电
缆反向智能特性可以修正反向电缆连接，同时保持整个接收器的故障安全特性可以连接到FPGA和微处理器的灵活低压电源轨，以及采用5V隔离
电源支持PROFIBUSRS485接口EMC电路设计方法RS485接口6KV防雷电路设计方案图1RS485接口防雷电路接口电路设计
概述：RS485用于设备与计算机或其它设备之间通讯，在产品应用中其走线多与电源、功率信号等混合在一起，存在EMC隐患。本方案从EM
C原理上，进行了相关的抑制干扰和抗敏感度的设计，从设计层次解决EMC问题。电路EMC设计说明：电路滤波设计要点：L1为共模电感，共
模电感能够对衰减共模干扰，对单板内部的干扰以及外部的干扰都能抑制，能提高产品的抗干扰能力，同时也能减小通过429信号线对外的辐射，
共模电感阻抗选择范围为120Ω/100MHz~2200Ω/100MHz，典型值选取1000Ω/100MHz;C1、C2为滤波电容，
给干扰提供低阻抗的回流路径，能有效减小对外的共模电流以同时对外界干扰能够滤波;电容容值选取范围为22PF~1000pF，典型值选取
100pF;若信号线对金属外壳有绝缘耐压要求，那么差分线对地的两个滤波电容需要考虑耐压;当电路上有多个节点时要考虑降低或去掉滤波电
容的值。C3为接口地和数字地之间的跨接电容，典型取值为1000pF，C3容值可根据测试情况进行调整;电路防雷设计要点：为了达到IE
C61000-4-5或GB17626.5标准，共模6KV，差摸2KV的防雷测试要求，D4为三端气体放电管组成第一级防护电路，用于抑
制线路上的共模以及差模浪涌干扰，防止干扰通过信号线影响下一级电路;气体放电管标称电压VBRW要求大于13V，峰值电流IPP要求大于
等于143A;峰值功率WPP要求大于等于1859W;PTC1、PTC2为热敏电阻组成第二级防护电路，典型取值为10Ω/2W;为保证
气体放电管能顺利的导通，泄放大能量必须增加此电阻进行分压，确保大部分能量通过气体放电管走掉;D1~D3为TSS管(半导体放电管)组
成第三级防护电路，TSS管标称电压VBRW要求大于8V，峰值电流IPP要求大于等于143A;峰值功率WPP要求大于等于1144W;
接口电路设计备注：如果设备为金属外壳，同时单板可以独立的划分出接口地，那么金属外壳与接口地直接电气连接，且单板地与接口地通过100
0pF电容相连;如果设备为非金属外壳，那么接口地PGND与单板数字地GND直接电气连接。PCB设计1、RS485接口电路布局图1R
S485接口滤波及防护电路布局方案特点：(1)防护器件及滤波器件要靠近接口位置处摆放且要求摆放紧凑整齐，按照先防护后滤波的规则，走
线时要尽量避免走线曲折的情况;(2)共模电感与跨接电容要置于隔离带中。方案分析：(1)接口及接口滤波防护电路周边不能走线且不能放置
高速或敏感的器件;(2)隔离带下面投影层要做掏空处理，禁止走线。RS485接口电路分地设计方案特点：(1)为了抑制内部单板噪声通过
RS485接口向外传导辐射，也为了增强单板对外部干扰的抗扰能力，在RS485接口处增加滤波器件进行抑制，以滤波器件位置大小为界，划
分出接口地;(2)隔离带中可以选择性的增加电容作为两者地之间的连接，电容C4、C5取值建议为1000pF，信号线上串联共模电感CM
与电容滤波，并与接口地并联GDT和TVS管进行防护;且所有防护器件都靠近接口放置，共模电感CM置于隔离带内，具体布局如图示。方案分
析：(1)当接口与单板存在相容性较差或不相容的电路时，需要在接口与单板之间进行“分地”处理，即根据不同的端口电压、电平信号和传输速
率来分别设置地线。“分地”，可以防止不相容电路的回流信号的叠加，防止公共地线阻抗耦合;(2)“分地”现象会导致回流信号跨越隔离带时
阻抗变大，从而引起极大的EMC风险，因此在隔离带间通过电容来给信号提供回流路径。5种RS485切换方向的方法及优劣势分析RS485
作为常见的总线之一，几乎每个工控设备都在用，我们也对其熟悉不过了。我们都知道RS485双半双工通信，其CPU内部的根源是串口通信，
串口通信是区分发送TX和接收RX的，在同一对差分信号线上同时传输TX、RX，就是进行方向的控制，方向的控制时机不对，数据传送是要出
问题的。例如下图1、图2中，CPU端的TX信号发送完毕后约100uS后方向引脚拉低，切换到接收状态，但是在TX信号发送完毕后60u
S从机就回复了的RX信号，由于此时还是处于RS485芯片还是处于发送状态，此时的接收数据将会被忽略，在系统层面就是体现为数据接收丢
包。图1RS485接口电路有些读者会可能回想，只要从机回复数据晚一些，不要这么快速回复，就不存在这个问题了。但是从机一般都是客户
的机器，我们几乎不可能要求别人更改回复时间。例如三菱的Fx3UPLC作为从机时，从主机发送数据结束到从机回复数据，只用了60uS，
部分控制板，甚至回复时间在10uS以内。研究RS485的方向切换的目标就是：RS485总线空闲时要处于接收状态，如果有主机发送数据
，则置高方向引脚，发送完成及时切换到接收状态。图2方向脚切换时间过长的情形方案1：使用反相器自动切换大部分的低成本RS232-RS
485转换器采用了这种方法。具体的实现方法是:把串口的发送信号TX作为反相器的输入，反相器的输出则用来控制RS485收发器的收发控
制引脚,同时在RS485收发器的A/B输出端加上上拉/下拉电阻,具体电路如图3所示。图3使用反相器自动切换电路在空闲状态下,串口的
发送信号TXD为高电平,经过反相器后输出低电平,使485芯片处于接收状态,而RS485总线由于上下拉电阻的作用处于A高B低的状态。
当发送数据时，TXD信号线上的低电平比特位控制485芯片进入发送状态,将该比特发送出去。而高电平比特位则使485芯片处于接收状态,
由于RS485总线上下拉电阻把总线置于A高B低的状态,即表示发送了高电平。简单说，这种电路，就是发送低电平时，485芯片是发送状态
，而发送高电平时，485芯片属于接收状态。优势：只需要增加一个反相器就可以实现，无需软件的干预，反相器可以使用一个三极管即可以实现
，成本十分低廉（几分钱）；劣势：由于上下拉电阻不可能选值太小，否则会影响正常发送的数据电平。所以这种换向模式在发送高电平时的驱动能
力，并且，理论上我要求方向引脚要比数据先切换方向，但是由于方向引脚经过了反相器，达到芯片的时间变长了，比数据晚到，所以速率太高的情
况容易丢包。如果需要驱动多个从设备，就会显得力不从心，并且驱动能力太弱，只能短距离传输；并且传输速度不能太快，一般使用9600bp
s。方案2：使用软件控制方向市面上大部分的内置RS485的产品基本都是采用此类的方案，如下图4中的RS_EN引脚。具体的实现方式是
：在空闲器件，RS_EN为低电平，MCU处于接收状态，在准备发送数据之前，MCU会拉高RS_EN，U1处于发送状态，发送完毕之后，
RS_EN重新处于低电平，U1处于接收状态。图4使用软件控制方向切换此类方案的关键是软件需要掌握好RS_EN引脚的高低电平的时机，
假设发送完数据后，没有及时切换到接收状态，而此时从机又回复数据，此时就会引起丢包，就会出现文章开头图2中的情形。不幸的时，软件工程
师的水平参差不齐，特别是在运行操作系统（Linux、WIndows等）以后，想要十分准确控制方向引脚的高低电平已经十分困难。优势：
无需增加任何的硬件成本，且RS485的驱动能力不受影响。劣势：依赖于软件控制方向引脚，如果运行复杂的操作系统，控制引脚的优先级不够
高，或者软件的优化的不够好，都会导致方向引脚的切换不及时，到时数据的丢包。并且，是否丢包还取决于从机的回复时间，测试过程不一定能够
测试出来。方案3：使用触发器控制方向为了克服反相器换向的缺点,出现了一种由RS触发器控制的自动换向技术,如图5所示。这个电路的关键
是反相器和RS触发器之间的由二极管、电阻、电容组成的充放电电路。在空闲状态下,485芯片仍处于接收状态。当TXD信号线上发送数据的
低电平起始位时,反相器输出高电平,通过二极管为电容迅速充电,使RS触发器R端为高电平,S端为低电平,触发器输出高电平,把ISL31
52E置于发送状态;当TXD信号线转换为高电平时,反相器输出低电平,电容通过电阻缓慢放电,使得R端暂时仍处于高电平状态,加上S端的
高电平状态,使触发器的输出保持前面的高电平状态,485芯片仍处于发送状态。电容经过一段时间放电后,R端电压转变为低电平,则触发器输
出低电平,把485芯片置回接收状态。通过选择电阻和电容值,我们可以控制放电速度,使得一个低电平的起始位足以在整个字节发送。此类方案
参数一致性非常差，实际使用的都是技高人胆大的。图5使用触发器切换方向优势：优势：无需软件干预切换方向，驱动能力强（取决于RS485
芯片）。劣势：1.增加的器件较多；2.不同的波特率需要匹配不同的RC参数3.温度、老化、一致性等问题，会导致RC参数变化，从而导致
切换时间错乱导致丢包。方案4：max13487芯片为了克服软件参与的方向控制不确定性，美信公司发布了宣称首款支持芯片自动换向的RS
485芯片，如下图6，对比其他的RS485芯片，MAX16487的/RE引脚有两个用于：（1）/RE为低电平时，打开RO方向的接收
数据。（2）/RE为高电平时，芯片进入自动方向切换模式。一般使用我们将/RE连接高电平，即自动换向模式。图6MAX13487内部框
图由于美信没有公布内部的逻辑原理，只描述内部有一个状态机，我们只能外部猜测其工作原理：1.空闲模式下，数据流方向为RO方向；此为状
态1；2.当串口端有数据发送时，由于起始位为低电平，经过逻辑功能D后，A＜B，经过COM3.逻辑功能且反相后，RI为高电平。此状态
为数据发送状态2。4.经过一系列的逻辑运算（以RI、DI为输入，但是不知道其内部的原理）；状态机检测到数据发送完毕，芯片变成接收状
态1。优势：由芯片自动切换方向，无需软件干预切换方向，驱动能力强，通信速率高，MAX13488宣称最高可以到16Mbps，与普通的
RS485芯片性能一样。劣势：价格比普通的RS485芯片贵一倍以上。方案5：周立功芯片RSM(3)485PHT周立功公司将RS48
5的三个相关的功能模块：DC电源、隔离、RS485芯片三合一，封装在同一个芯片内部，由于没有内部的资料，我们无法获知其内部的逻辑功
能。官方资料宣称最高速率可以达到500Kbps，对于一般的应用足以。优势：由芯片自动切换方向，无需软件干预切换方向，驱动能力强，通
信速率高，DC电源、隔离、RS485芯片功能三合一，节省板卡空间。劣势：价格比分立器件搭建RS485电路贵，且一旦损害需要要整体更
换。图7RSM(3)485PHT原理图总结上述我们提供了5种RS485自动切换方向的方法：分别是反相器法、软件控制法、触发器法、美
信MAX13488芯片、周立功RSM(3)485PHT。反相器法由于驱动能力太弱、速率太低，仅适用于要求不高的调试场合，工控场合慎
选。软件控制法对软件的要求较高，特别是带操作系统的芯片，软件控制的时机较困难。触发器法由于参数一致性太差，只适合波特率恒定、速率不
高的场合；美信以及周立功提供的方案已经芯片化，经过了大量的市场验证，且有大公司做背书，可靠性、温度性都有很大的保障，优先推荐。RS
485接口知识问答什么是RS-485接口？它比RS-232-C接口相比有何特点？答：由于RS-232-C接口标准出现较早，难免有不
足之处，主要有以下四点：接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连
接。传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps。接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生
共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺，实际上也只能用在50米左右。针对RS-232-C的不足，
于是就不断出现了一些新的接口标准，RS-485就是其中之一。它具有以下特点：1）RS-485的电气特性：逻辑''1''以两线间的电压差
为+（2-6）V表示；逻辑''0''以两线间的电压差为-（2-6）V表示。接口信号电平比RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯
片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。2）RS-485的数据最高传输速率为10Mbps3）RS-485接口是采用平
衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。4）RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达
3000米，另外RS-232-C接口在总线上只允许连接1个收发器，即单站能力。而RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发
器。即具有多站能力,这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。5）因RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的
传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。因为RS485接口组成的半双工网络，一般只需二根连线，所以RS485接口均采
用屏蔽双绞线传输。RS485接口连接器采用DB-9的9芯插头座，与智能终端RS485接口采用DB-9（孔），与键盘连接的键盘接口R
S485采用DB-9（针）。RS-422与RS-485串行接口标准平衡传输RS-422、RS-485与RS-232不一样，数据信号
采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为B通常情况下，发送驱动器A、B之间的正电平在+
2～+6V，是一个逻辑状态，负电平在-2～6V，是另一个逻辑状态。另有一个信号地C，在RS-485中还有一''使能''端，而在RS-4
22中这是可用可不用的。''使能''端是用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。当''使能''端起作用时，发送驱动器处于高阻状态，称作''第
三态''，即它是有别于逻辑''1''与''0''的第三态。接收器也作与发送端相对的规定，收、发端通过平衡双绞线将AA与BB对应相连，当在收端
AB之间有大于+200mV的电平时，输出正逻辑电平，小于-200mV时，输出负逻辑电平。接收器接收平衡线上的电平范围通常在200m
V至6V之间。RS-422电气规定RS-422标准全称是''平衡电压数字接口电路的电气特性''，它定义了接口电路的特性。图2是典型的R
S-422四线接口。实际上还有一根信号地线，共5根线。图1是其DB9连接器引脚定义。由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器比RS23
2更强的驱动能力，故允许在相同传输线上连接多个接收节点，最多可接10个节点。即一个主设备（Master），其余为从设备（Salve
），从设备之间不能通信，所以RS-422支持点对多的双向通信。接收器输入阻抗为4k，故发端最大负载能力是10×4k+100Ω（终接
电阻）。RS-422四线接口由于采用单独的发送和接收通道，因此不必控制数据方向，各装置之间任何必须的信号交换均可以按软件方式（XO
N/XOFF握手）或硬件方式（一对单独的双绞线）实现。RS-422的最大传输距离为4000英尺（约1219米），最大传输速率为10
Mb/s。其平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能达到最大传输距离。只有在很短的距离下才能获得最高速率
传输。一般100米长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为1Mb/s。RS-422需要一终接电阻，要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗
。在矩距离传输时可不需终接电阻，即一般在300米以下不需终接电阻。终接电阻接在传输电缆的最远端。RS-485电气规定由于RS-48
5是从RS-422基础上发展而来的，所以RS-485许多电气规定与RS-422相仿。如都采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终接电
阻等。RS-485可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信。而采用四线连接时，与RS-422一样只能实现点对多的通信
，即只能有一个主（Master）设备，其余为从设备，但它比RS-422有改进，无论四线还是二线连接方式总线上可多接到32个设备。R
S-485与RS-422的不同还在于其共模输出电压是不同的，RS-485是-7V至+12V之间，而RS-422在-7V至+7V之间
，RS-485接收器最小输入阻抗为12k，S-422是4k，RS-485满足所有RS-422的规范，所以RS-485的驱动器可以用
在RS-422网络中应用。RS-485与RS-422一样，其最大传输距离约为1219米，最大传输速率为10Mb/s。平衡双绞线的长
度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长
双绞线最大传输速率仅为1Mb/s。RS-485需要2个终接电阻，其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗。在矩距离传输时可不需终接电阻，即
一般在300米以下不需终接电阻。终接电阻接在传输总线的两端。RS-422与RS-485的网络安装注意要点RS-422可支持10个节
点，RS-485支持32个节点，因此多节点构成网络。网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，不支持环形或星形网络。在构建网络时，应注
意如下几点：1、采用一条双绞线电缆作总线，将各个节点串接起来，从总线到每个节点的引出线长度应尽量短，以便使引出线中的反射信号对总线
信号的影响最低。图8所示为实际应用中常见的一些错误连接方式（a，c，e）和正确的连接方式（b，d，f）。a，c，e这三种网络连接尽
管不正确，在短距离、低速率仍可能正常工作，但随着通信距离的延长或通信速率的提高，其不良影响会越来越严重，主要原因是信号在各支路末端
反射后与原信号叠加，会造成信号质量下降。2、应注意总线特性阻抗的连续性，在阻抗不连续点就会发生信号的反射。下列几种情况易产生这种不
连续性：总线的不同区段采用了不同电缆，或某一段总线上有过多收发器紧靠在一起安装，再者是过长的分支线引出到总线。总之，应该提供一条单
一、连续的信号通道作为总线。RS-422与RS-485传输线上匹配的一些说明对RS-422与RS-485总线网络一般要使用终接电阻
进行匹配。但在短距离与低速率下可以不用考虑终端匹配。那么在什么情况下不用考虑匹配呢？理论上，在每个接收数据信号的中点进行采样时，只
要反射信号在开始采样时衰减到足够低就可以不考虑匹配。但这在实际上难以掌握，美国MAXIM公司有篇文章提到一条经验性的原则可以用来判
断在什么样的数据速率和电缆长度时需要进行匹配：当信号的转换时间（上升或下降时间）超过电信号沿总线单向传输所需时间的3倍以上时就可以
不加匹配。例如具有限斜率特性的RS-485接口MAX483输出信号的上升或下降时间最小为250ns，典型双绞线上的信号传输速率约为
0.2m/ns（24AWGPVC电缆），那么只要数据速率在250kb/s以内、电缆长度不超过16米，采用MAX483作为RS-48
5接口时就可以不加终端匹配。一般终端匹配采用终接电阻方法，前文已有提及，RS-422在总线电缆的远端并接电阻，RS-485则应在总
线电缆的开始和末端都需并接终接电阻。终接电阻一般在RS-422网络中取100Ω，在RS-485网络中取120Ω。相当于电缆特性阻抗
的电阻，因为大多数双绞线电缆特性阻抗大约在100～120Ω。这种匹配方法简单有效，但有一个缺点，匹配电阻要消耗较大功率，对于功耗限
制比较严格的系统不太适合。另外一种比较省电的匹配方式是RC匹配，如图1。利用一只电容C隔断直流成分可以节省大部分功率。但电容C的取
值是个难点，需要在功耗和匹配质量间进行折衷。还有一种采用二极管的匹配方法，如图2。这种方案虽未实现真正的''匹配''，但它利用二极管的
钳位作用能迅速削弱反射信号，达到改善信号质量的目的。节能效果显著。RS-422与RS-485的接地问题电子系统接地是很重要的，但常
常被忽视。接地处理不当往往会导致电子系统不能稳定工作甚至危及系统安全。RS-422与RS-485传输网络的接地同样也是很重要的，因
为接地系统不合理会影响整个网络的稳定性，尤其是在工作环境比较恶劣和传输距离较远的情况下，对于接地的要求更为严格。否则接口损坏率较高
。很多情况下，连接RS-422、RS-485通信链路时只是简单地用一对双绞线将各个接口的''A''、''B''端连接起来。而忽略了信号地的
连接，这种连接方法在许多场合是能正常工作的，但却埋下了很大的隐患，这有下面二个原因：1、共模干扰问题：正如前文已述，RS-422与
RS-485接口均采用差分方式传输信号方式，并不需要相对于某个参照点来检测信号，系统只需检测两线之间的电位差就可以了。但人们往往忽
视了收发器有一定的共模电压范围，如RS-422共模电压范围为-7～+7V，而RS-485收发器共模电压范围为-7～+12V，只有满
足上述条件，整个网络才能正常工作。当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠，甚至损坏接口。以图1为例，当发送驱动器A
向接收器B发送数据时，发送驱动器A的输出共模电压为VOS，由于两个系统具有各自独立的接地系统，存在着地电位差VGPD。那么，接收器
输入端的共模电压VCM就会达到VCM=VOS+VGPD。RS-422与RS-485标准均规定VOS≤3V，但VGPD可能会有很大幅
度（十几伏甚至数十伏），并可能伴有强干扰信号，致使接收器共模输入VCM超出正常范围，并在传输线路上产生干扰电流，轻则影响正常通信，
重则损坏通信接口电路。2、（EMI）问题：发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路，如没有一个低阻的返回通道（信号地），就会
以辐射的形式返回源端，整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。由于上述原因，RS-422、RS-485尽管采用差分平衡传输方式
，但对整个RS-422或RS-485网络，必须有一条低阻的信号地。一条低阻的信号地将两个接口的工作地连接起来，使共模干扰电压VGP
D被短路。这条信号地可以是额外的一条线（非屏蔽双绞线），或者是屏蔽双绞线的屏蔽层。这是最通常的接地方法。值得注意的是，这种做法仅对
高阻型共模干扰有效，由于干扰源内阻大，短接后不会形成很大的接地环路电流，对于通信不会有很大影响。当共模干扰源内阻较低时，会在接地线
上形成较大的环路电流，影响正常通信。笔者认为，可以采取以下三种措施：（1）如果干扰源内阻不是非常小，可以在接地线上加限流电阻以限制
干扰电流。接地电阻的增加可能会使共模电压升高，但只要控制在适当的范围内就不会影响正常通信。（2）采用浮地技术，隔断接地环路。这是较
常用也是十分有效的一种方法，当共模干扰内阻很小时上述方法已不能奏效，此时可以考虑将引入干扰的节点（例如处于恶劣的工作环境的现场设备
）浮置起来（也就是系统的电路地与机壳或大地隔离），这样就隔断了接地环路，不会形成很大的环路电流。（3）采用隔离接口。有些情况下，出
于安全或其它方面的考虑，电路地必须与机壳或大地相连，不能悬浮，这时可以采用隔离接口来隔断接地回路，但是仍然应该有一条地线将隔离侧的
公共端与其它接口的工作地相连。RS-422与RS-485的网络失效保护RS-422与RS-485标准都规定了接收器门限为±200m
V。这样规定能够提供比较高的噪声抑制能力，如前文所述，当接收器A电平比B电平高+200mV以上时，输出为正逻辑，反之，则输出为负逻
辑。但由于第三态的存在，即在主机在发端发完一个信息数据后，将总线置于第三态，即总线空闲时没有任何信号驱动总线，使AB之间的电压在-
200～+200mV直至趋于0V，这带来了一个问题：接收器输出状态不确定。如果接收机的输出为0V，网络中从机将把其解释为一个新的启
动位，并试图读取后续字节，由于永远不会有停止位，产生一个帧错误结果，不再有设备请求总线，网络陷于瘫痪状态。除上述所述的总线空闲会造
成两线电压差低于200mV的情况外，开路或短路时也会出现这种情况。故应采取一定的措施避免接收器处于不确定状态。通常是在总线上加偏置
，当总线空闲或开路时，利用偏置电阻将总线偏置在一个确定的状态（差分电压≥-200mV）。如图1。将A上拉到地，B下拉到5V，电阻的
典型值是1kΩ，具体数值随电缆的电容变化而变化。上述方法是比较经典的方法，但它仍然不能解决总线短路时的问题，有些厂家将接收门限移到
-200mV/-50mV，可解决这个问题。RS-422与RS-485的瞬态保护前文提到的信号接地措施，只对低频率的共模干扰有保护作
用，对于频率很高的瞬态干扰就无能为力了。由于传输线对高频信号而言就是相当于电感，因此对于高频瞬态干扰，接地线实际等同于开路。这样的
瞬态干扰虽然持续时间短暂，但可能会有成百上千伏的电压。实际应用环境下还是存在高频瞬态干扰的可能。一般在切换大功率感性负载如电机、变
压器、继电器等或闪电过程中都会产生幅度很高的瞬态干扰，如果不加以适当防护就会损坏RS-422或RS-485通信接口。对于这种瞬态干
扰可以采用隔离或旁路的方法加以防护。隔离保护方法这种方案实际上将瞬态高压转移到隔离接口中的电隔离层上，由于隔离层的高绝缘电阻，不会
产生损害性的浪涌电流，起到保护接口的作用。通常采用高频变压器、光耦等元件实现接口的电气隔离，已有器件厂商将所有这些元件集成在一片I
C中，使用起来非常简便。这种方案的优点是可以承受高电压、持续时间较长的瞬态干扰，实现起来也比较容易，缺点是成本较高。旁路保护方法这
种方案利用瞬态抑制元件（如TVS、MOV、气体放电管等）将危害性的瞬态能量旁路到大地，优点是成本较低，缺点是保护能力有限，只能保护
一定能量以内的瞬态干扰，持续时间不能很长，而且需要有一条良好的连接大地的通道，实现起来比较困难。实际应用中是将上述两种方案结合起来
灵活加以运用，如图1。在这种方法中，隔离接口对大幅度瞬态干扰进行隔离，旁路元件则保护隔离接口不被过高的瞬态电压击穿。采用RS485
接口时，传输电缆的长度如何考虑？答：在使用RS485接口时，对于特定的传输线经，从发生器到负载其数据信号传输所允许的最大电缆长度是
数据信号速率的函数，这个长度数据主要是受信号失真及噪声等影响所限制。下图所示的最大电缆长度与信号速率的关系曲线是使用24AWG铜芯
双绞电话电缆（线径为0。51mm），线间旁路电容为52。5PF/M，终端负载电阻为100欧时所得出。（曲线引自GB11014-89
附录A）。由图中可知，当数据信号速率降低到90Kbit/S以下时，假定最大允许的信号损失为6dBV时，则电缆长度被限制在1200M
。实际上，图中的曲线是很保守的，在实用时是完全可以取得比它大的电缆长度。当使用不同线径的电缆。则取得的最大电缆长度是不相同的。例如
：当数据信号速率为600Kbit/S时，采用24AWG电缆，由图可知最大电缆长度是200m，若采用19AWG电缆（线径为0。91m
m）则电缆长度将可以大于200m；若采用28AWG电缆（线径为0。32mm）则电缆长度只能小于200m。如何实现RS-485/42
2多点通讯答：RS-485总线上任何时候只能有一发送器发送。半双工方式，主从只能一个发。全双工方式，主站总可发送，从站只能有一个发
送。（靠和DE控制）在什么条件下需要采用终端匹配？电阻值如何确定？如何配置终端匹配电阻？答：在长线信号传输时，一般为了避免信号的反
射和回波，需要在接收端接入终端匹配电阻。其终端匹配电阻值取决于电缆的阻抗特性，与电缆的长度无关。RS-485/RS-422一般采用
双绞线（屏蔽或非屏蔽）连接，终端电阻一般介于100至140Ω之间，典型值为120Ω。在实际配置时，在电缆的两个终端节点上，即最近端
和最远端，各接入一个终端电阻，而处于中间部分的节点则不能接入终端电阻，否则将导致通讯出错。RS-485网不知道最远站点是哪一个，应
该如何接匹配电阻呢？答：会出现这种情况，是由于用户组成RS-485网时，没有遵循站点至总线的连线应尽可能短的原则。如果总线布线遵循
这一原则，就不存在不知道哪个站点是最远的问题。而且要注意，这样的布线，系统将会工作得不好。RS-485/RS-422接口为何在停止
通信时接收器仍有数据输出？答：由于RS-485/RS-422在发送数据完成后，要求所有的发送使能控制信号关闭且保持接收使能有效，此
时，总线驱动器进入高阻状态且接收器能够监测总线上是否有新的通信数据。但是由于此时总线处于无源驱动状态（若总线有终端匹配电阻时，A和
B线的差分电平为0，接收器的输出不确定，且对AB线上的差分信号的变化很敏感；若无终端匹配，则总线处于高阻态，接收器的输出不确定）,
容易受到外界的噪声干扰。当噪声电压超过输入信号门限时（典型值±200mV），接收器将输出数据，导致对应的UART接收无效的数据，使
紧接着的正常通讯出错；另外一种情况可能发生在打开/关闭发送使能控制的瞬间，使接收器输出信号，也会导致UART错误地接收。解决方法：
1）在通讯总线上采用同相输入端上拉（A线）、反相输入端下拉（B线）的方法对总线进行钳位，保证接收器输出为固定的''1''电平；2）采用
内置防故障模式的MAX308x系列的接口产品替换该接口电路；3）通过软件方式消除，即在通信数据包内增加2-5个起始同步字节，只有在
满足同步头后才开始真正的数据通讯。影响RS-485总线通讯速度和通信可靠性的三个因素在通信电缆中的信号反射在通信过程中，有两种信号
因素导致信号反射：阻抗不连续和阻抗不匹配。阻抗不连续，信号在传输线末端突然遇到电缆阻抗很小甚至没有，信号在这个地方就会引起反射，如
图所示。这种信号反射的原理，与光从一种媒质进入另一种媒质要引起反射是相似的。消除这种反射的方法，就必须在电缆的末端跨接一个与电缆的
特性阻抗同样大小的终端电阻，使电缆的阻抗连续。由于信号在电缆上的传输是双向的，因此，在通讯电缆的另一端可跨接一个同样大小的终端电阻
。从理论上分析，在传输电缆的末端只要跨接了与电缆特性阻抗相匹配的终端电阻，就再也不会出现信号反射现象。但是，在实现应用中，由于传输
电缆的特性阻抗与通讯波特率等应用环境有关，特性阻抗不可能与终端电阻完全相等，因此或多或少的信号反射还会存在。引起信号反射的另一个原
因是数据收发器与传输电缆之间的阻抗不匹配。这种原因引起的反射，主要表现在通讯线路处在空闲方式时，整个网络数据混乱。信号反射对数据传
输的影响，归根结底是因为反射信号触发了接收器输入端的比较器，使接收器收到了错误的信号，导致CRC校验错误或整个数据帧错误。在信号分
析，衡量反射信号强度的参数是RAF（RefectionAttenuationFactor反射衰减因子）。它的计算公式如式（1）。R
AF=20lg(Vref/Vinc)（1）式中：Vref—反射信号的电压大小；Vinc—在电缆与收发器或终端电阻连接点的入射信号的
电压大小。具体的测量方法如图3所示。例如，由实验测得2.5MHz的入射信号正弦波的峰-峰值为+5V，反射信号的峰-峰值为+0.29
7V，则该通讯电缆在2.5MHz的通讯速率时，它的反射衰减因子为：RAF=20lg(0.297/2.5)=-24.52dB要减弱反
射信号对通讯线路的影响，通常采用噪声抑制和加偏置电阻的方法。在实际应用中，对于比较小的反射信号，为简单方便，经常采用加偏置电阻的方
法。在通讯线路中，如何通过加偏置电阻提高通讯可靠性的原理。在通讯电缆中的信号衰减第二个影响信号传输的因素是信号在电缆的传输过程中衰
减。一条传输电缆可以把它看出由分布电容、分布电感和电阻联合组成的等效电路，如图所示。电缆的分布电容C主要是由双绞线的两条平行导线产
生。导线的电阻在这里对信号的影响很小，可以忽略不计。信号的损失主要是由于电缆的分布电容和分布电感组成的LC低通滤波器。PROFIB
US用的LAN标准型二芯电缆（西门子为DP总线选用的标准电缆），在不同波特率时的衰减系数如表1所示。电缆的衰减系数在通讯电缆中的纯
阻负载影响通讯性能的第三个因素是纯阻性负载（也叫直流负载）的大小。这里指的纯阻性负载主要由终端电阻、偏置电阻和RS-485收发器三
者构成。在叙述EIARS-485规范时曾提到过RS-485驱动器在带了32个节点，配置了150Ω终端电阻的情况下，至少能输出1.5
V的差分电压。一个接收器的输入电阻为12kΩ，整个网络的等效电路如图5所示。按这样计算，RS-485驱动器的负载能力为：RL=32
个输入电阻并联2个终端电阻=（（12000/32）×（150/2））/（12000/32）+（150/2））≈51.7Ω现在比较常
用的RS-485驱动器有MAX485、DS3695、MAX1488/1489以及和利时公司使用的SN75176A/D等，其中有的R
S-485驱动器负载能力可以达到20Ω。在不考虑其它诸多因素的情况下，按照驱动能力和负载的关系计算，一个驱动器可带节点的最大数量将
远远大于32个。在通讯波特率比较高的时候，在线路上偏置电阻是很有必要的。偏置电阻的连接方法如图6。它的作用是在线路进入空闲状态后，
把总线上没有数据时（空闲方式）的电平拉离0电平，如图7。这样一来，即使线路中出现了比较小的反射信号或干扰，挂接在总线上的数据接收器
也不会由于这些信号的到来而产生误动作。通过下面后例子了，可以计算出偏置电阻的大小：终端电阻Rt1=Rr2=120Ω；假设反射信号最
大的峰-峰值Vref≤0.3Vp-p，则负半周的电压Vref≤0.15V;终端的电阻上由反射信号引起的反射电流Iref≤0.15/
(120||120)=2.5mA。一般RS-485收发器（包括SN75176）的滞后电压值（hysteresisvalue）为50
mV，即：（Ibias-Iref）×（Rt1||Rt2）≥50mV于是可以计算出偏置电阻产生的偏置电流Ibias≥3.33mA+5
V=Ibias(R上拉+R下拉+（Rt1||Rt2）)（2）通过式2可以计算出R上拉=R下拉=720Ω在实际应用中，RS-485总
线加偏置电阻有两种方法：（1）把偏置电阻平衡分配给总线上的每一个收发器。这种方法给挂接在RS-485总线上的每一个收发器加了偏置电
阻，给每一个收发器都加了一个偏置电压。（2）在一段总线上只用一对偏置电阻。这种方法对总线上存在大的反射信号或干扰信号比较有效。值得
注意的是偏置电阻的加入，增加了总线的负载。RS-485总线的负载能力和通讯电缆长度之间的关系在设计RS-485总线组成的网络配置（
总线长度和带负载个数）时，应该考虑到三个参数：纯阻性负载、信号衰减和噪声容限。纯阻性负载、信号衰减这两个参数，在前面已经讨论过，现
在要讨论的是噪声容限（NoiseMargin）。RS-485总线接收器的噪声容限至少应该大于200mV。前面的论述者是在假设噪声容
限为0的情况下进行的。在实际应用中，为了提高总线的抗干扰能力，总希望系统的噪声容限比EIARS-485标准中规定的好一些。从下面的
公式能看出总线带负载的多少和通讯电缆长度之间的关系：Vend=0.8(Vdriver-Vloss-Vnoise-Vbias)(3)
其中：Vend为总线末端的信号电压，在标准测定时规定为0.2V；Vdriver为驱动器的输出电压（与负载数有关）。负载数在5～35
个之间，Vdriver=2.4V；当负载数小于5，Vdriver=2.5V；当负载数大于35，Vdriver≤2.3V）；Vlos
s为信号在总线中的传输过程中的损耗（与通讯电缆的规格和长度有关），由表1提供的标准电缆的衰减系数，根据公式衰减系数b=20lg(V
out/Vin)可以计算出Vloss=Vin-Vout=0.6V(注：通讯波特率为9.6kbps，电缆长度1km，如果特率增加，V
loss会相应增大)；Vnoise为噪声容限，在标准测定时规定为0.1V；Vbias是由偏置电阻提供的偏置电压（典型值为0.4V）
。式（3）中乘以0.8是为了使通信电缆不进入满载状态。从式（3）可以看出，Vdriver的大小和总线上带负载数的多少成反比，Vlo
ss的大小和总线长度成反比，其他几个参数只和用的驱动器类型有关。因此，在选定了驱动器的RS-495总线上，在通信波特率一定的情况下
，带负载数的多少，与信号能传输的最大距离是直接相关的。具体关系是：在总线允许的范围内，带负载数越多，信号能传输的距离就越小；带负载
数据少，信号能传输的距离就发越远。分布电容对RS-485总线传输性能的影响电缆的分布电容主是由双绞线的两条平行导线产生。另外，导线
和地之间也存在分布电容，虽然很小，但在分析时也不能忽视。分布电容对总线传输性能的影响，主要是因为总线上传输的是基波信号，信号的表达
方式只有“1”和“0”。在特殊的字节中，例如0x01，信号“0”使得分布电容有足够的充电时间，而信号“1”到来时，由于分布电容中的
电荷，来不及放电，(Vin+)—(Vin-)-还大于200mV，结果使接爱误认为是“0”，而最终导致CRC校验错误，整个数据帧传输
错误。具体过程如图所示。由于总线上分布影响，导致数据传输错误，从而使整个网络性能降低。解决这个问题有两种方法：（1）降低数据传输的
波特率；（2）使用分布电容小的电缆，提高传输线的质量。仅仅用一对双绞线将各个接口的A、B端连接起来，而不对RS-485通信链路的信
号接地，在某些情况下也可以工作，但给系统埋下了隐患。RS-485接口采用差分方式传输信号并不需要对于某个参照点来检测信号系统，只需
检测两线之间的电位差就可以了。但应该注意的是收发器只有在共模电压不超出一定范围(-7V至+12V)的条件下才能正常工作。当共模电压
超出此范围，就会影响通信的可靠直至损坏接口。如图1所示，当发送器A向接收器B发送数据时，发送器A的输出共模电压为VOS，由于两个系
统具有各自独立的接地系统存在着地电位差VGPD，那么接收器输入端的共模电压就会达到VCM=VOS+VGPD。RS-485标准规定V
OS≤3V，但VGPD可能会有很大幅度(十几伏甚至数十伏)，并可能伴有强干扰信号致使接收器共模输入VCM超出正常围，在信号线上产生
干扰电流影响正常通信，或损坏设备。单工、半双工和全双工的定义如果在通信过程的任意时刻，信息只能由一方A传到另一方B，则称为单工。如
果在任意时刻，信息既可由A传到B，又能由B传A，但只能由一个方向上的传输存在，称为半双工传输。如果在任意时刻，线路上存在A到B和B
到A的双向信号传输，则称为全双工。电话线就是二线全双工信道。由于采用了回波抵消技术，双向的传输信号不致混淆不清。双工信道有时也将收
、发信道分开，采用分离的线路或频带传输相反方向的信号，如回线传输。RS-485总线电平异常解决方案解析不知道大家是否会遇到这样的情
况，测试单个RS-485设备数据无异常，但设备组网后，就出现通讯数据异常或连接失败等情况。出错的原因是什么？RS-485总线是具有
结构简单、通信距离远、通信速度高、成本低等优点，广泛应用于工业通讯、电力监控以及仪器仪表等行业。若总线上接有终端电阻，则在总线空闲
状态时，RS-485总线AB差分电压可能处于门限电平（±200mV）之内，这时可能会导致通信出错，那么，出错的原因是什么？MCU接
收到的数据会发生什么样的变化？数据出错的原因如图1所示为8位数据位无校验位的UART时序图，当使用UART进行通信时，MCU在检测
到起始位后开始接收其后的数据。图1无校验位，8位数据位，串口时序图如图2所示为STM32串口外设检测到起始位的条件，当检测到下降沿
（3个高电平+1个低电平）并且采样序列1和采样序列2均为0时，STM32检测到一个起始位。每个位采样16次，采样点的间隔时间为tb
it/16，tbit为每个位的时间，例如通信波特率为115.2kbps，则tbit=1/115.2k=8.68us，则采样点的间隔
时间为8.68us/16=0.5425us。图2STM32串口外设检测到起始位的条件下面以RSM485PCHT的门限电平为例进行说
明，当AB差分电压处于±200mV之内时，模块RXD引脚输出状态不确定。当总线变为空闲时，若RXD引脚输出低电平，则可能导致MCU
接收到错误数据或MCU在正常数据后误接收1个0x00。图3RSM485PCHT门限电平数据发生了什么变化?如图4所示，收发器1在A
B差分电压处于±200mV门限电平之内时输出高电平，收发器2在AB差分电压处于±200mV门限电平之内时输出低电平，可以看出，收发
器2可能导致MCU接收到错误的数据，并且在数据后误接收到1个0x00数据。图4数据后多0x00如图5所示，若总线上持续存在数据信号
或连续发送多个字节数据，在数据之间存在的空闲状态可能会被收发器2识别为1个起始位，从而导致数据连续错误。图5数据连续错误解决方案总
线空闲时若AB差分电压处于门限电平之内，则可能导致数据出错，可以使用如下方法避免总线空闲时AB差分电压处于门限电平之内。方案一：组
网距离不长，总线信号无反射问题或反射较小，此时可不增加终端电阻以提升总线幅值电平，具体的幅值变化如下图6所示。图6终端电阻对总线电
平影响方案二：组网距离偏长，总线信号当前已存在反射需增加终端电阻解决反射问题，面对此类应用可使用致远电子RSM(3)485PCHT
模块，RS-485接口设计时可通过外置一个较小值的上下拉电阻调节空闲状态时的电压值，使电平处于门限电平外，具体的幅值变化如下图7所
示。方案三：组网距离偏长，总线信号当前已存在反射需增加终端电阻解决反射问题，面对此类应用同样可使用致远电子RSM(3)485ECH
T模块，RSM(3)485ECHT具备极高的总线兼容性门限电平为-40mV~-20mV，具体如下图8所示，在总线电平被终端电阻拉低
时（最坏情况总线高电平幅值为0V）仍可识别总线电平，保证通讯的稳定性。总线隔离后如何接地？CAN与485都是工业通信中常用的现场总
线，各位工程师对于总线隔离方案想必都极为熟悉，但可能会遇到总线采用了隔离方案依旧通讯异常的情况，本文将带您一起探讨总线隔离后该如何
接地？前言为保证总线网络的通讯稳定性，通讯接口通常会做隔离，隔离的主要目的：安规考虑：保护设备及人身安全，隔开潜在的高压危险；提高
通信的稳定性：消除地电势差的影响；提高器件的可靠性：消除地环路影响；低耦合：提高系统间的兼容性。目前实现总线隔离有两种方案：采用分
立元器件搭建或采用集成模块。隔离接地的原理总线增加隔离固然可以保证总线稳定可靠地通信，但是带隔离通信接口的设备，在复杂的环境或安装
状态下，接口会表现出完全不同的ESD特性，了解ESD对接口的影响机理，才能有针对性地增加保护器件，提升隔离接口的ESD能力。下面以带有隔离CAN或RS-485通信接口为例，对常见的设备状态下，ESD的作用机理进行分析，并提出相应的改善措施。总线侧悬空此状态下，设备控制侧有接入保护地（PE），总线侧参考地悬空，与PE无任何连接，如下图1。图1接下来进行分析：假设控制侧均做了足够的保护措施，当控制侧接口受到静电放电时，能量通过控制侧保护器泄放至PE，对隔离通信接口基本无影响，如下面图2。当总线接口受到静电放电时，由于总线侧悬空，能量只能通过隔离栅的等效电容Ciso进行泄放，由于Ciso非常小，仅有几皮法至十几皮法，Ciso被迅速充电，两端电压Viso会非常高，几乎等同于放电电压，电压全部施加在隔离接口模块的隔离栅，若电压超出了隔离栅的电压承受范围，则会导致内部隔离栅损坏，如下面图3。注意：对于一般的隔离接口模块，隔离栅可承受的静电放电电压只有4kV，对于更高等级的6kV或8kV的静电来说是非常脆弱的，极易出现损坏情况。图2图3设备控制测悬空此状态下，设备控制侧参考地悬空，与PE无任何连接，总线侧有接入保护地（PE），如下图4。图4接下来进行分析：当总线侧接口受到静电放电时，静电能量通过隔离接口模块内部总线侧器件泄放至PE，但若ESD能量超出了接口模块内部总线侧器件的ESD抗扰能力，总线接口则可能损坏，如下面图5。当控制侧接口受到静电放电时，由于控制侧悬空，能量只能通过隔离栅的等效电容Ciso进行泄放，由于Ciso非常小，两端电压Viso会非常高，电压全部施加在隔离接口模块的隔离栅，若电压超出了隔离栅的电压承受范围，则会导致内部隔离栅损坏，如下面图6。图5图6改善措施针对上述两种情况，隔离接口模块需要得到有效的静电保护，建议进行隔离接口设计时，增加Cp、Rp以及TVS，提高隔离接口的ESD抗扰能力。电容Cp的作用：减轻隔离栅的压力，为静电能量提供一个低阻抗的路径，静电能量大部分通过此电容泄放，为达到良好效果，Cp容值应远大于Ciso，建议取100pF~1000pF之间。TVS管的作用：对于总线侧的静电，静电能量会通过防护器件泄放，注意：其导通电压必须小于隔离接口可承受的最大电压，同时大于信号电压；在通信速率高、或节点数较多时，也需要注意尽量选取等效电容小的器件，以免影响总线正常通信。图7注意：若产品无安规要求，可与Cp并联一个大阻值泄放电阻，如1M，以防静电积累；若有安规要求，一般需要去除泄放电阻，同时选择安规电容。完善的总线接口保护电路前面只是对ESD的作用机理进行了分析，但随着工业产品对通信接口的EMC等级要求越来越高。许多应用要求满足IEC61000-4-2静电放电4级，IEC61000-4-5浪涌抗扰4级要求。一般的收发器ESD、浪涌的防护等级均比较低，如CTM1051M隔离CAN收发器的隔离耐压为2500VDC，裸机情况下，ESD、浪涌等级均较低。所以有必要增加外围电路，提高通信端口的EMC等级。图8以CAN总线为例，上图为完善的外围推荐电路。其中GDT置于最前端，提供一级防护，当雷击、浪涌产生时，GDT瞬间达到低阻状态，为瞬时大电流提供泄放通道，将CAN_H、CAN_L间电压钳制在二十几伏范围内。实际取值可根据防护等级及器件成本综合考虑进行调整，R3与R4建议选用PTC，D1~D6建议选用快恢复二极管，参数表如下。表1推荐参数表另一种方案则是采用ZLG的SP00S12浪涌保护模块，可用于各种信号传输系统，抑制雷击、浪涌、过压等有害信号，对设备信号端口进行保护。搭配ZLG的全隔离CTM或SC系列的隔离CAN收发器，如下图。可极大程度的提升产品的集成度，于此同时极大程度的缩小开发周期。图9阻容回路接地的必要性前面讲述了总线隔离之后接地的原理以及推荐电路，想必大家已经很清楚了，在现场，很多客户会提到总线隔离之后为什么需要阻容接地呢？这里给大家简单描述一下：电容：从EMS（电磁抗扰度）角度说，这个电容是在假设PE良好连接大地的前提下，降低可能存在的影响（以大地电平为参考的高频干扰信号对电路的影响），是为了抑制电路和干扰源之间瞬态共模压差的。其实GND直连PE是最好的，但是，直连可能不可操作或者不安全。从EMI（电磁干扰）角度说，如果有与PE相连的金属外壳，有这个高频路径，也能够避免高频信号辐射出来。1M电阻：这是对付ESD（静电放电）测试用的。因为这种用电容连接PE和GND的系统（浮地系统），在做ESD测试的时候，打入被测电路的电荷无处释放，会逐渐累积，抬升或降低GND相对PE的电平，累积到一定程度，超过了PE和电路之间的绝缘最薄弱处所能耐受的电压范围，GND和PE之间就会放电，几个纳秒间，在PCB上的产生数十到数百安培的电流，这足以让任何电路因EMP（电磁脉冲）宕机，或者是让PE与电路之间绝缘最薄弱处所在信号连接的器件损坏。但是有时候又不能直接连接PE和GND，那么就用一个1~2M的电阻去慢慢释放这个电荷，以消除二者间的压差。当然1~2M这个数值是根据ESD测试标准选择的，因为IEC61000里面规定最高的重复次数只有10次/秒，如果你搞个1000次/秒的非标ESD放电，那么1~2M的电阻我觉得是不能释放掉累积的电荷的。 |
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