如何快速解決RSM隔離模塊應(yīng)用問題
RS-485總線優(yōu)點眾所皆知，并且為保證通信的穩(wěn)定性，都會使用隔離RS-485模塊進行信號隔離。但在RS-485實際組網(wǎng)時，或多或少會遇到不能通信、通信出錯、RS-485收發(fā)器損壞等情況，其中究竟為何？本文將深度剖析RS-485組網(wǎng)問題。
1、應(yīng)用問題；
當(dāng)出現(xiàn)通信錯誤或者不能通信時首先判斷應(yīng)用是否符合表 1中的應(yīng)用情況。
表 1 RS-485總線應(yīng)用情況
表 1中三種應(yīng)用情況分別屬于終端電阻、上下拉電阻、控制腳以及邏輯輸入側(cè)電平的問題，下面對其進行詳細分析。
1）終端電阻問題
若RS-485總線上接有終端電阻，且所用RS-485收發(fā)器門限電平是±200mV，則可能出現(xiàn)表 2中所述的異常現(xiàn)象。
表 2 終端電阻導(dǎo)致的異常現(xiàn)象
圖 1 RS232/485雙向轉(zhuǎn)換器
終端電阻導(dǎo)致異常的原因：RS-485收發(fā)器接收門限電平為±200mV，即AB之間差分電壓大于+200mV，輸出高電平；AB之間差分電壓小于-200mV，輸出低電平；AB之間電壓在±200mV之間時，輸出狀態(tài)不確定，即有可能輸出高電平（此時表現(xiàn)為通信正常），有可能輸出低電平（此時表現(xiàn)為通信異常），因此若總線空閑狀態(tài)時AB差分電壓處于門限電平之內(nèi)，則會出現(xiàn)一定概率的異常問題。
表 2現(xiàn)象1分析：單板可以正常通信，組網(wǎng)后由于RS-485總線上接有終端電阻，導(dǎo)致空閑狀態(tài)時總線差分電壓處于門限電平之內(nèi)，出現(xiàn)通信異常。當(dāng)出現(xiàn)上述情況時，首先需確認總線上是否存在終端電阻。
表 2現(xiàn)象2分析：單板測試時，單板或與之通信的設(shè)備接有終端電阻，此時AB之間差分電壓處于門限電平之內(nèi)時，有一定概率出現(xiàn)通信異常。
表 2現(xiàn)象3分析：此現(xiàn)象同樣是由于終端電阻導(dǎo)致的，由于RS-232/485雙向轉(zhuǎn)換器（如圖 1）內(nèi)部AB引腳一般會設(shè)置小阻值的上下拉 電阻（例如560Ω），若用RS-232/485雙向轉(zhuǎn)換器通信，由于RS-485總線空閑狀態(tài)時的電壓是由上下拉電阻與終端電阻分壓得到，此時空閑狀態(tài)的AB差分電壓會大于200mV,使RS-485收發(fā)器輸出一個確定的高電平，不會引起通信錯誤，如圖 3為兩個RSM485PCHT進行通信，AB之間加60Ω并且增加RS-232/485雙向轉(zhuǎn)換器的測試波形，空閑狀態(tài)的電壓為520mV，不會引起錯誤。圖2為兩個RSM485PCHT進行通信，AB之間加60Ω測試的波形，可以看出空閑狀態(tài)AB差分電壓為40mV，處于門限電平范圍之內(nèi)，有可能出現(xiàn)通信錯誤。
圖 2 AB間加兩個120Ω電阻，并增加RS-232/485雙向轉(zhuǎn)換器
圖 3 AB間只加兩個120Ω電阻
解決方法主要有三種，具體如表 3：
表 3 終端電阻問題解決方法
2）上下拉電阻問題
上下拉電阻并聯(lián)值過小可能引起的現(xiàn)象如表 4所示。
表 4 上下拉電阻導(dǎo)致的異常現(xiàn)象
上述問題是所加上下拉電阻值較小導(dǎo)致的問題，超過了芯片可以驅(qū)動的負載能力。RSM485PCHT在AB之間加兩個120Ω電阻后，所加上下拉電阻值與輸出差分電壓低電平的關(guān)系如表 5所示，當(dāng)上下拉電阻并聯(lián)值小于51Ω時，雖然芯片可以正常輸出，但是輸出信號已大于-200mV，此時可能出現(xiàn)通信錯誤或完全不能通信。上下拉電阻過小會導(dǎo)致RS-485收發(fā)器在功耗過大，發(fā)熱嚴重，有可能導(dǎo)致收發(fā)器過熱保護或者損壞，因此為了保證通信的可靠性，上下拉電阻阻值不宜過小，一般上拉或下拉電阻的并聯(lián)值應(yīng)大于375Ω。
表 5 不同上下拉電阻值驅(qū)動電壓
3）控制腳以及邏輯輸入側(cè)的問題
由于收發(fā)切換需要一定的延時，因此應(yīng)在發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)前增加一段延時（例如RSM485PCHT，需要增加至少25μs）來保證RS-485收發(fā)器已經(jīng)處于發(fā)送或者接收狀態(tài)。
MCU電平應(yīng)與RS-485收發(fā)器輸入邏輯電平匹配，即MCU為5V邏輯電平，應(yīng)使用供電為5V的RSM系列隔離模塊。
2、波形測試方法；
由于RS-485總線應(yīng)用非常廣泛，應(yīng)用問題不僅僅只是上面幾種，當(dāng)排除上面的問題后，可以通過測試總線波形的方法來找到通信異常的位置，判斷異常原因。
1）檢查RS-485收發(fā)器發(fā)送功能
在通信異常時，測量RS-485總線AB差分電壓與模塊TXD、RXD引腳之間波形的對應(yīng)關(guān)系可以判斷異常位置。使用圖 4所示的測試方法得到如圖 5所示波形，TXD為高電平時，A-B為高電平，TXD為低電平時，A-B為低電平，并且模塊輸出電平正常，可以判斷出模塊發(fā)送功能正常。
圖 4 測試發(fā)送功能是否正常
圖 5 發(fā)送功能測試正常波形
2）檢查RS-485收發(fā)器接收功能
使用圖 6所示的測試方法得到如圖 7所示波形，A-B為高電平時，RXD為高電平，A-B為低電平時，RXD為低電平，并且模塊RXD輸出電平正常，可以判斷模塊接收功能正常。
圖 6 測試接收功能是否正常
圖 7 接收功能測試正常波形
3）檢查RS-485收發(fā)器控制引腳與TXD、RXD邏輯關(guān)系
使用如
圖 8所示的方法分別測試TXD、RXD與CON邏輯關(guān)系，得到圖 9和圖 10所示波形，對于RSM485PCHT，發(fā)送或接收信號前，CON引腳應(yīng)至少提前25μs置為低電平或高電平，并且數(shù)據(jù)發(fā)送或接收完成后再切換收發(fā)狀態(tài)。
圖 8 TXD與CON測試
圖 9 發(fā)送數(shù)據(jù)CON波形
圖 10 接收數(shù)據(jù)CON波形
3、收發(fā)器損壞
1）模塊AB引腳超過共模電壓范圍導(dǎo)致的損壞
RS-485收發(fā)器AB引腳的共模電壓范圍一般要求在-7V~+12V范圍內(nèi)，當(dāng)超過此范圍內(nèi)時會造成芯片損壞。由于工業(yè)現(xiàn)場大地經(jīng)常會流過瞬時大電流，若收發(fā)器RGND引腳連接不當(dāng)，則AB引腳的共模電壓會超過其可承受的共模電壓范圍，導(dǎo)致模塊損壞。下面以RSM485PCHT為例進行分析。
圖 11 RGND多點接大地示意圖（錯誤連接）
當(dāng)U1發(fā)送高電平時，以RSM485PCHT為例
由于兩個模塊都直接連接至機殼或者大地，當(dāng)機殼或大地中通過較大電流時，在U1和U2的RGND引腳之間產(chǎn)生了VEARTH電壓差，當(dāng)U1向U2發(fā)送數(shù)據(jù)時，U2的A引腳的電壓為
由于VA1發(fā)送時為5V，當(dāng)VEARTH超過7V時就有可能導(dǎo)致?lián)p壞，因此在實際應(yīng)用中，節(jié)點之間的RGND可以通過屏蔽雙絞線的屏蔽層進行連接，屏蔽層通過阻容單點連接至大地，如圖 12所示。
圖 12 RGND推薦連接
2）高等級的靜電和浪涌造成模塊損壞
在應(yīng)用環(huán)境中有較高等級的靜電和浪涌時，如果只是單純使用RS-485收發(fā)器芯片或者模塊，可能會導(dǎo)致模塊損壞，此時就需要增加外圍保護電路來保護收發(fā)器。但保護電路需要可靠地接地才能將靜電和浪涌能量泄放。下面以進行共模浪涌測試為例，如圖 13所示，若保護電路未連接至大地，則浪涌能量（紅色部分）通過隔離模塊進行釋放，較高的浪涌等級容易導(dǎo)致模塊損壞；當(dāng)保護電路接大地時，如圖 14所示，浪涌能量首先通過GDT泄放到大地，然后通過TVS和電容泄放，剩余很少的能量才會通過模塊釋放，可以起到保護的作用。
圖 13 保護電路未接大地
圖 14 保護電路接大地