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。接地處理不當往往會導致電子系統(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的情況下，對于接地的要求更為嚴格。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)絡才能正常工作。當網(wǎng)絡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就會達到VCM=VOS+VGPD。RS-422與RS-485標準均規(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。    

    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，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，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，或者是屏蔽雙絞線的屏蔽層。這是zui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?shù)姆秶鷥?nèi)就不會影響正常通信。

    （2） 采用浮地技術，隔斷接地環(huán)路。這是較常用也是十分有效的一種方法，當共模干擾內(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)點浮置起來，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，但是仍然應該有一條地線將隔離側的公共端與其它接口的工作地相連。

    RS-422與RS-485的網(wǎng)絡失效保護

    RS-422與RS-485標準都規(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，則輸出為負邏輯。但由于第三態(tài)的存在，即在主機在發(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。如果接收機的輸出為0V，網(wǎng)絡中從機將把其解釋為一個新的啟動位，并試圖讀取后續(xù)字節(jié)，由于永遠不會有停止位，產(chǎn)生一個幀錯誤結果，不再有設備請求總線，網(wǎng)絡陷于癱瘓狀態(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。故應采取一定的措施避免接收器處于不確定狀態(tài)。

    通常是在總線上加偏置，當總線空閑或開路時，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。 

    RS-422與RS-485的瞬態(tài)保護

    前文提到的信號接地措施，只對低頻率的共模干擾有保護作用，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載如電機、變壓器、繼電器等或閃電過程中都會產(chǎn)生幅度很高的瞬態(tài)干擾，如果不加以適當防護就會損壞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。

    1．隔離保護方法

    這種方案實際上將瞬態(tài)高壓轉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。

    2．旁路保護方法

    利用瞬態(tài)抑制元件（如TVS、MOV、氣體放電管等）將危害性的瞬態(tài)能量旁路到大地，優(yōu)點是成本較低，缺點是保護能力有限，只能保護一定能量以內(nèi)的瞬態(tài)干擾，持續(xù)時間不能很長，而且需要有一條良好的連接大地的通道，實現(xiàn)起來比較困難。實際應用中是將上述兩種方案結合起來靈活加以運用，如圖14。在這種方法中，隔離接口對大幅度瞬態(tài)干擾進行隔離，旁路元件則保護隔離接口不被過高的瞬態(tài)電壓擊穿。