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六、rs-422與rs-485的接地問題

電子系統(tǒng)接地是很重要的，但常常被忽視。接地處理不當(dāng)往往會導(dǎo)致電子系統(tǒng)不能穩(wěn)定工作甚至危及系統(tǒng)安全。rs-422與rs-485傳輸網(wǎng)絡(luò)的接地同樣也是很重要的，因為接地系統(tǒng)不合理會影響整個網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，尤其是在工作環(huán)境比較惡劣和傳輸距離較遠(yuǎn)的情況下，對于接地的要求更為嚴(yán)格。否則接口損壞率較高。很多情況下，連接rs-422、rs-485通信鏈路時只是簡單地用一對雙絞線將各個接口的“a"、“b"端連接起來。而忽略了信號地的連接，這種連接方法在許多場合是能正常工作的，但卻埋下了很大的隱患，這有下面二個原因：

1．共模干擾問題：正如前文已述，rs-422與rs-485接口均采用差分方式傳輸信號方式，并不需要相對于某個參照點來檢測信號，系統(tǒng)只需檢測兩線之間的電位差就可以了。但人們往往忽視了收發(fā)器有一定的共模電壓范圍，如rs-422共模電壓范圍為-7～+7v，而rs-485收發(fā)器共模電壓范圍為-7～+12v，只有滿足上述條件，整個網(wǎng)絡(luò)才能正常工作。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)線路中共模電壓超出此范圍時就會影響通信的穩(wěn)定可靠，甚至損壞接口。以圖11為例，當(dāng)發(fā)送驅(qū)動器a向接收器b發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送驅(qū)動器a的輸出共模電壓為vos，由于兩個系統(tǒng)具有各自獨立的接地系統(tǒng)，存在著地電位差vgpd。那么，接收器輸入端的共模電壓vcm就會達(dá)到vcm=vos+vgpd。rs-422與rs-485標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定vos≤3v，但vgpd可能會有很大幅度（十幾伏甚至數(shù)十伏），并可能伴有強(qiáng)干擾信號，致使接收器共模輸入vcm超出正常范圍，并在傳輸線路上產(chǎn)生干擾電流，輕則影響正常通信，重則損壞通信接口電路。

圖11

2．（emi）問題：發(fā)送驅(qū)動器輸出信號中的共模部分需要一個返回通路，如沒有一個低阻的返回通道（信號地），就會以輻射的形式返回源端，整個總線就會像一個巨大的天線向外輻射電磁波。

由于上述原因，rs-422、rs-485盡管采用差分平衡傳輸方式，但對整個rs-422或rs-485網(wǎng)絡(luò)，必須有一條低阻的信號地。一條低阻的信號地將兩個接口的工作地連接起來，使共模干擾電壓vgpd被短路。這條信號地可以是額外的一條線（非屏蔽雙絞線），或者是屏蔽雙絞線的屏蔽層。這是最通常的接地方法。

值得注意的是，這種做法僅對高阻型共模干擾有效，由于干擾源內(nèi)阻大，短接后不會形成很大的接地環(huán)路電流，對于通信不會有很大影響。當(dāng)共模干擾源內(nèi)阻較低時，會在接地線上形成較大的環(huán)路電流，影響正常通信。筆者認(rèn)為，可以采取以下三種措施：

（1） 如果干擾源內(nèi)阻不是非常小，可以在接地線上加限流電阻以限制干擾電流。接地電阻的增加可能會使共模電壓升高，但只要控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)就不會影響正常通信。

（2） 采用浮地技術(shù)，隔斷接地環(huán)路。這是較常用也是十分有效的一種方法，當(dāng)共模干擾內(nèi)阻很小時上述方法已不能奏效，此時可以考慮將引入干擾的節(jié)點（例如處于惡劣的工作環(huán)境的現(xiàn)場設(shè)備）浮置起來（也就是系統(tǒng)的電路地與機(jī)殼或大地隔離），這樣就隔斷了接地環(huán)路，不會形成很大的環(huán)路電流。

（3） 采用隔離接口。有些情況下，出于安全或其它方面的考慮，電路地必須與機(jī)殼或大地相連，不能懸浮，這時可以采用隔離接口來隔斷接地回路，但是仍然應(yīng)該有一條地線將隔離側(cè)的公共端與其它接口的工作地相連。參見圖12。

圖12

七、rs-422與rs-485的網(wǎng)絡(luò)失效保護(hù)

rs-422與rs-485標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了接收器門限為±200mv。這樣規(guī)定能夠提供比較高的噪聲抑制能力，如前文所述，當(dāng)接收器a電平比b電平高+200mv以上時，輸出為正邏輯，反之，則輸出為負(fù)邏輯。但由于第三態(tài)的存在，即在主機(jī)在發(fā)端發(fā)完一個信息數(shù)據(jù)后，將總線置于第三態(tài)，即總線空閑時沒有任何信號驅(qū)動總線，使ab之間的電壓在-200～+200mv直至趨于0v，這帶來了一個問題：接收器輸出狀態(tài)不確定。如果接收機(jī)的輸出為0v，網(wǎng)絡(luò)中從機(jī)將把其解釋為一個新的啟動位，并試圖讀取后續(xù)字節(jié)，由于永遠(yuǎn)不會有停止位，產(chǎn)生一個幀錯誤結(jié)果，不再有設(shè)備請求總線，網(wǎng)絡(luò)陷于癱瘓狀態(tài)。除上述所述的總線空閑會造成兩線電壓差低于200mv的情況外，開路或短路時也會出現(xiàn)這種情況。故應(yīng)采取一定的措施避免接收器處于不確定狀態(tài)。

圖13

通常是在總線上加偏置，當(dāng)總線空閑或開路時，利用偏置電阻將總線偏置在一個確定的狀態(tài)（差分電壓≥-200mv）。如圖13。將a上拉到地，b下拉到5v，電阻的典型值是1kω，具體數(shù)值隨電纜的電容變化而變化。

上述方法是比較經(jīng)典的方法，但它仍然不能解決總線短路時的問題，有些廠家將接收門限移到-200mv/-50mv，可解決這個問題。例如maxim公司的max3080系列rs-485接口，不僅省去了外部偏置電阻，而且解決了總線短路情況下的失效保護(hù)問題。

八、rs-422與rs-485的瞬態(tài)保護(hù)

前文提到的信號接地措施，只對低頻率的共模干擾有保護(hù)作用，對于頻率很高的瞬態(tài)干擾就無能為力了。由于傳輸線對高頻信號而言就是相當(dāng)于電感，因此對于高頻瞬態(tài)干擾，接地線實際等同于開路。這樣的瞬態(tài)干擾雖然持續(xù)時間短暫，但可能會有成百上千伏的電壓。

實際應(yīng)用環(huán)境下還是存在高頻瞬態(tài)干擾的可能。一般在切換大功率感性負(fù)載如電機(jī)、變壓器、等或閃電過程中都會產(chǎn)生幅度很高的瞬態(tài)干擾，如果不加以適當(dāng)防護(hù)就會損壞rs-422或rs-485通信接口。對于這種瞬態(tài)干擾可以采用隔離或旁路的方法加以防護(hù)。

1．隔離保護(hù)方法。這種方案實際上將瞬態(tài)高壓轉(zhuǎn)移到隔離接口中的電隔離層上，由于隔離層的高絕緣電阻，不會產(chǎn)生損害性的浪涌電流，起到保護(hù)接口的作用。通常采用高頻變壓器、光耦等元件實現(xiàn)接口的電氣隔離，已有器件廠商將所有這些元件集成在一片ic中，使用起來非常簡便，如maxim公司的max1480/max1490，隔離電壓可達(dá)2500v。這種方案的優(yōu)點是可以承受高電壓、持續(xù)時間較長的瞬態(tài)干擾，實現(xiàn)起來也比較容易，缺點是成本較高。