大规模部署的复杂RS485网络建模分析与关键问题研究.pdf

第5 5 卷第4期2023年7 月智能物联技术Technology of IoT&AlVol.55,No.4Jul.,2023物联网技术与应用大规模部署的复杂RS485网络建模分析与关键问题研究吕军1.2,王威滔,鲁文斐,蒋震（1.中电海康集团有限公司，浙江杭州31 1 1 0 0；2.浙江海康科技有限公司，浙江杭州31 1 1 0 0）摘要：RS485总线因抗干扰能力强、传输距离远、支持多点通信的优势，广泛应用于各类工程领域。工程中大规模部署多节点的应用场合，经常存在故障安全电阻与端接电阻失配导致的通信故障、共模干扰影响复杂RS485网络中设备的稳定性和可靠性。针对目前依赖经验进行RS485两点通信的现场调试、缺乏大规模复杂RS485网络设计指导原则的问题，本文通过建立双端故障安全电阻RS485网络的等效电路，利用等效AC模型和等效DC模型，深人分析故障安全电阻和端接电阻的匹配组合，给出工程设计中RS485电路的故障安全电阻和端接电阻的计算方法；引人共模电压干扰参数，在RS485网络的等效电路基础上详细地分析了设备接地和共模电压对RS485通信的影响；针对不同的共模电压干扰，提出了3种提高RS485通信可靠性的共模抑制方法。工程实践验证了本文方法在复杂RS485网络中的故障安全电阻和端接电阻匹配的有效性，也验证了共模电压抑制措施的效果良好。关键词：RS485；共模电压；故障安全电阻；端接电阻；接地【中图分类号】TP336【文献标识码】A【文章编号】2 0 9 6-6 0 5 9(2 0 2 3)0 4-0 43-0 9Modeling Analysis and Key Issues of Complex RS485 Networks forLarge-Scale DeploymentLYU Jun2,WANG Weitao,LU Wenfei?,JIANG Zhen?(1.CETHIK Group Co.,Ltd.,Hangzhou 311100,China;2.Zhejiang Haikang Science and Technology Co.,Ltd.,Hangzhou 311100,China)Abstract:RS485 bus is widely used in engineering practice due to the advantages of strong anti-interference capabili-ty,long transmission distance,and support for multi-point communication.In large-scale deployment of multi-node appli-cations,there are often communication failures and common mode interference caused by fail-safe resistors and terminationresistor mismatch,which affects the stability and reliability of equipment in complex RS485 networks.In view of the currenttendency to rely on experience to carry out on-site commissioning of RS485 two-point communication,and the lack oflarge-scale design guidelines for complex RS485 networks,this paper analyzed in-depth the matching combinations of fail-safe and termination resistors by establishing an equivalent circuit of double-ended fail-safe resistor RS485 network,andgave a method for calculating the fail-safe and termination resistors of RS485 circuits in the engineering design by utilizingthe equivalent AC model and equivalent DC model.Common mode voltage interference parameters were introduced,and theeffects of equipment grounding and common mode voltage on RS485 communication were analyzed in detail on the basis ofthe equivalent circuit of RS485 network.Three common-mode suppression methods were proposed to improve the reliabilityof RS485 communication under different common-mode voltage disturbances.The engineering practice verified the effec-tiveness of the fail-safe resistor and termination resistor matching in the complex RS485 network,and also verified the goodeffect of the common mode voltage suppression measures of the method in this paper.Key words:RS485;common-mode voltage;failsafe resistor;termination resistor;grounding收稿日期：2 0 2 3-0 8-0 9作者简介：吕军（1 9 8 2-），男，浙江新昌人，硕士研究生，高级工程师，主要研究方向：工业物联网。基金项目：本论文受浙江省科技计划项目(2 0 1 7 C01027)资助。智能物联技术正常工作。然而在大规模的复杂RS485网络中，故参数值有所偏差，也能够在现场调整阻值，使网络05引言TIA/EIA-485（亦称RS485）是由美国电信工业协会/电子工业联盟（Telecommunications Indus-try Association,TIA/Electronics Industry Alliance,EIA）发布的有线通信标准。这个标准定期地由TR-32.0数据终端设备-数据通信设备（TR-30.2DTE-DCE)接口和电信工业协会（TIA)TR-30数据传输系统暨设备委员会草案小组修改。RS-485传输距离远、抗干扰能力强、支持多点通信、成本较低，是工控行业中具有举足轻重地位的串行接口之一 1-4 文献 5 以RS485网络的故障安全电阻、端接电阻、网络节点数量作为研究的关键参数，采用限流法及基尔霍夫电流定律建立等效电路，计算出网络中的故障安全电阻的阻值范围，阐述了故障安全电阻对端接电阻以及网络节点数量的影响，获得了不同单位负载下的故障安全电阻的最佳阻值,并确定了对应的总线中最大节点数量。文献 5 针对含有单端故障安全电阻和端接电阻的网络进行了分析，而对实际工程中常见的双端故障安全电阻、端接电阻的情况未建立电路模型和进行深人分析。文献 6 以故障安全电阻、端接电阻、RS485接收器的等效输人阻抗为参数，在所有节点不考虑共模电压的影响的理想条件下，建立了简化的单端和双端的故障安全电阻和端接电阻的电路模型，分析了单端和双端故障安全电阻下的RS485网络的带负载能力。该研究的基础建立在无共模干扰下的简易模型上。文献 7 研究了RS485总线的网络拓扑结构、总线匹配、失效保护、节点的引出线、地线与接地、瞬态保护等几个问题，指出了RS485应用中不可忽视这些问题，并给出了一些宽泛的指导原则。上述文献 5 6 给出了RS485故障安全电阻的计算方法，研究了典型的RS485电路，未分析实际工程中存在的大规模部署的复杂RS485网络因为端接电阻和故障安全电阻不匹配导致的电路通信失败的状况，尤其是工程中经常存在的无端接电阻的情况。文献 7 指出了影响RS485通信的问题所在，但对这些问题未深入展开讨论。针对目前的研究现状,RS485点对点的两点通信较为简单，即使44障安全电阻和端接电阻的匹配是一个严重影响复杂网络能否可靠工作的重要因素。由于复杂RS485网络通信距离远、网络节点多、节点接地复杂，本文引人共模电压干扰参数，通过建立双端故障安全电阻的RS485网络等效电路，建立等效AC模型和等效DC模型，深人分析实际工程中遇到的故障安全电阻和端接电阻的匹配组合问题，给出工程设计中RS485电路的故障安全电阻和端接电阻的计算方法。鉴于RS485通信中共模电压影响设备长期工作的稳定性和可靠性，在RS485网络等效模型的基础上详细地分析了RS485设备接地和共模电压对RS485通信的影响。针对不同的共模电压干扰，提出了3种改善复杂RS485网络通信的共模抑制方法，其实质是保证RS485通信的信号地稳定在一个确定电平状态,而且要切断因接地形成的环路电流影响。1RS485的基本特性RS485器件内部包含一个接收器R和一个驱动器D，接收器和驱动器都与总线相连。标准RS485器件的接收信号RX将大于+2 0 0 mV（总线A-总线B)的任何差分电压认为逻辑1,将小于-200mV的任何差分电压认为逻辑0。前提是这些输人信号在-7 V至+1 2 V的共模电压范围内。介于-2 0 0 mV与+2 0 0 mV之间的任何输入电压信号，对RX来说,其逻辑状态不确定。接收器设有迟滞电压（一般约为几十毫伏），确保周围的噪声不会在接收器输出端导致逻辑高电平和低电平频繁跃迁。标准RS485器件的发送信号TX通过一个差分输出的驱动器发送信号到总线A和总线B上。驱动器的驱动能力规定为能够在5 4Q的电阻器上产生最小1.5 V的差分输出电压。5 42 差分负载是在最多允许2 个1 2 0 Q端接电阻与32 个单位负载(1UL)接收器并联的负载最重的条件下得出的。驱动器的1.5 V差分输出电压与接收器的200mV阈值间存在较大的电压差，该电压差产生优良的抗噪性和提高传输距离。为了对最大共模负载进行定义，TIA/EIA-485使用了一个单位负载的理论概念，其定义了一个吕军，王威滔，鲁文斐，等：大规模部署的复杂RS485网络建模分析与关键问题研究12k2共模负载电阻。一个单位负载（1 UL)收发器便代表在每个总线端相对于接地有一个RINEQ=12k2的等效输人电阻。2复杂RS485网络拓扑多个RS485设备可以通过总线组成一个网络进行数据通信。图1 所示是基于不同接地状况的复杂RS485网络拓扑。其中，电阻RA，RB，Rc 和RmD是故障安全电阻，出现故障时，能够保护总线不至于瘫痪。电阻Rm和Rr2表示总线的端接电阻,VrA和Vrc提供故障安全电阻的偏置电源。节点1、节点2和节点n表示带有RS485通讯接口的电子设备。此拓扑结构的RS485网络工作在两线制的半双工模式，也是实际工程中应用最多的工作模式。除驱动通过端接电阻器的差分电流以外，驱动器D还必须驱动通过许多接收机R输人阻抗的电流，以及通过位于总线上的故障安全电阻的电流。这些阻抗在差分信号线路和接地之间形成电流通路,同时影响A和B信号线的电流,且影响程度相同。因此，可以将它们表示为共模阻抗RcM。每个节点的接地由于距离远，接地状况不同，因此以G1，G2,G,来表示。3RS485网络的等效电路模型为了分析方便，对图1 的RS485网络拓扑结构建立更为一般的等效电路模型,从而在等效模型的基础上分析电路特性。VFARFASfRCMART1RCMBRCMRFB等效电路如图2 所示，其中VoA和VoB是RS485网络上节点1 的驱动器D的A线输出电压和B线输出电压，Vndur表示RS485总线上的差分噪声电压,RiNEQ1,RINBo2和RiNEOon代表所有连接在RS485网络总线上的节点的接收器R相对信号地Gi,Gz和G,的输人电阻。Va和VFc提供故障安全电阻的偏置正电压，VFB和VFD提供故障安全电阻的偏置负电压。Earth,Earth2和Earth,表示节点所在的大地。Zcl,E1表示节点1 的RS485信号地G与节点1 所在的大地Earth之间的阻抗。Zc2,2,Zcnbr与ZGI,EI同理定义。VcD12表示节点1 与节点2 的大地之间的共模电压。VcpD2n亦与VcPD12同理。网络开始工作时，网络中的某个主节点命令某个从节点n发送数据并且该从节点对这种请求做出响应时,数据传输期间存在AC负载。在正常工作期间，总线上出现信号瞬态，其受到总线缆线电容、节点连接器、收发器输人和电源的影响。为了最小化容抗对信号的影响，TIA/EIA-485工作在30 0bps到2 0 kbps的低数据速率下。因此,忽略电容影响，下面内容仅考虑电阻性负载。图3为图2 的RS485网络的等效AC电路。由于节点的偏置电源V和VFc电容较大，可被看作是AC信号的短路状态。所以,对于节点1 来说，两个故障保护电阻器R和Rm串联，并与端接电阻器R并联放置。节点n也是两个故障保护电阻器Rpc和RD串联，并与端接电阻器R2并联放置。RINBo表示所有节点的等效输入电阻。VFCRFCRCMRCMlRCMIRCMIRCMRTRCMRFDIRcMG言节点1Gl图1 基于不同接地状况的复杂RS485网络拓扑Figurel1 Complex RS485 network topology based on different grounding conditions节点2一G2节点Gn.45智能物联技术RFAAVFARTIZBVoAVoBZRFBRGRVFBZG1,E1VGPD12EarthiEarth2图2 RS485网络的等效电路模型Figure2 Equivalent circuit model of RS485 networkART1+ABB图3RS485网络的等效AC电路Figure3 AC equivalent circuit of RS485 network由于EIA-485标准规定了最大差分驱动器负载为Ri=54Q，因此总线所有电阻的并联阻值应满足：1RLRmRA+RBR2Rrc+RmD2*RINFO(1)RS485总线的传输线缆的特征阻抗为Zo,的取值一般是1 0 0 1 2 0 Q。从图3的AC等效电路模型可知：11ZRmRrA+RRB11ZRm2Rrc+RRDRS485网络的等效DC电路如图4所示，假设RS485的传输线缆上的噪声Vnair都为0，即RS485总线无差分干扰电压。A点电位为VoA:46RFARFCndiffRT2RFDVFDZGn,EnZG2,E2VGPD2n7EarthaRFART2ZRFCRFDRFBRINEQ1111RFCAndiffVFAVFCRTIZBRFBii2ZG1,E1.ZG2,E2F中VGPD12VGPD2nEarthiEarth2图4RS485网络的等效DC电路Figure4 DC equivalent circuit of RS485 networkRFAi=1Vo-VGL=0RINEQRINEQiB点电位VoB:Vou-Vm._ Vor-Vm+Vou-Vor+Vou-VorRAVor-Vci=0RINEQi为了保证EIA-485标准的平衡传输，假设故障安全电阻RA,RB,Rc和Rm是对称且相等的,即R,=RA=RB=Rrc=RmD(5)式(3)减去式(4),结合式(5)化简可得式(6)：VEA+VrcVBVmDVAB=RFARcRBRmD111RT2RRFDVFDZGn,En+EarthnRicRmRrcRn11i=RINEQiRmRmD其中，1一1RINEQRINEOi=1式(6)从理论上证明了故障安全电阻与节点的接地方式没有关系，其值取决于网络上节点的个数、故障安全电阻的偏置电压和端接电阻。因此在计算故障安全电阻时，可以直接将图2 中的Gi,G2(2)一直到G，虚拟连接起来，这样能大大简化分析的复杂度,也为文献 6 的简易模型提供了理论依据。故障安全保护电阻RA,RB,Rc和RD接人电路后，相对于总线来说，是个额外的共模负载,从总线B线与参考电位G的网络看过去,RB和R与RS485收发器的总并联阻抗RINEo大于或等于标准VFCR2(3)R2i=1(4)(6)11+21RmRm21(7)VAB(13)吕军，王威滔，鲁文斐，等：大规模部署的复杂RS485网络建模分析与关键问题研究RS485网络要求的RcM,即：1RmRrc11RcM375网络上的RS485节点数量n为：12k2n=RINFO4故障安全电阻与端接电阻的匹配在实际工程应用中，存在各种故障安全电阻和端接电阻匹配的情况，尤其在大规模的RS485网络中，接人节点数量多，有必要对此深人分析。提供故障安全电阻的偏置正电压Vm和Vrc往往和RS485芯片的供电电源是同一个电源，而提供故障安全电阻的偏置负电压Vm和Vmp出于成本的考虑，设置为0 V，即与RS485芯片的信号地相连。假设Vm=Vrc=VFo双端故障安全电阻，端接电阻有Rm和Rm2的情况。由式(2)、式(6)、式(7)、式(8)和式(9)可得到双端有故障安全电阻的RS485网络的参数如式(10)所示：R,=2VABRn=R122R,-Zo2R;Z12n=12000RcMRF双端故障安全电阻，有1 个端接电阻R的情况。令R8,式(6)可化简为：VAB=VrAVrcRFARnc由式(2)、式(7）、式(8）式(9)和式(1 1)可得到式(1 2):R1FRm,R12=2R,-Zo12n=12000RcMR双端故障安全电阻，无端接电阻R和Rm2的情况。令Rm,Rz,式(6)可化简为：VEAVrC11RINQRmRmD4RcMZ111RINBQRmRmRn2(11)22RcMZ2RZ01(8)RINEORBRm由式(2)、式(7)、式(8)、式(9)和式（1 3)可得到式(1 4):(9)RFRm,R120012n=12000RcMRF单端故障安全电阻，有端接电阻Rm和Rm2的情况。假设总线中存在故障安全电阻是Rm和Rm,令Rc,RR 则式(6)可化简为：VFAVAB=RARINEQRBRmR2由式(2)、式(7)、式(8）、式(9)和式（1 5)可得到有2 个端接电阻时的参数式(1 6)：VFR,+1VABRmRZ,R12=ZoR,-Z1n=12000RcMRF单端故障安全电阻，端接电阻R2的情况。(10)假设总线中存在故障安全电阻R和Rm，令Rm0,Rr2=Zo,则式(6)可化简为:VAVAB=RFA由(2）式(7）式(8）式(9)和式（1 7)可得到1个端接电阻时的参数式(1 8)：121.RcMAB114RcMZ2111+2RINEQRmR21VFRF=VABRcMZoRm8,R2=Zo1n=12000RcMRF单端故障安全电阻，没有端接电阻Rm和Rz的情况。假设总线中存在故障安全电阻Rm和RB,令Rm8,R12,则式(6)可化简为:(12)VrAVAB=RARINEQRB由(2）式(7)、式(8）、式(9)和式（1 9)可得到无端接电阻时的参数式(2 0)为：471111+211111(14)(15)1(16)(17)(18)(19)智能物联技术VFRcMRF=VABRm8,R20011n=12000RcMRr工程实际应用中，常常存在5 V供电和3.3V供电的RS485芯片。比较此两种电压供电下网络拓扑中的故障安全电阻的差异性，假设5 V和3.3V的电源电压稳定,RS485总线的电压差VAB=200mV+50mV=250mV，留有5 0 mV的噪声裕量。表1 给出了RS485电路的故障安全电阻、端接电阻、节点数量和驱动器负载R的计算值，在E96电阻系列中选择合适的电阻。从表1 可以得知，RS485总线采用双端故障安全电阻且有端接电阻R和R时，差模负载R几乎接近RS485标准要求的5 4Q,RS485的驱动器D的负载较重，不宜采用。在3.3V供电的状况下，节点数量几乎已经不能完成点对点的通信。因此在某些高可靠性的情况，需要提高RS485的供电电源电压。RS485网络上能挂载的节点数量，无端接电阻的情况优于一个端接电阻的情况，一个端接电阻的情况要优于两个端接电阻的情况。从表1 中可看出，无端接电阻时，节点数量约为30 个，比理论值的节点数量32 个少2 个。正是由于故障安全电阻的等效作用，相当于2 个节点的负载。RS485总线的双端故障安全电阻与单端故障安全电阻这两种状态，在无端接电阻时是等效的，在实际应用中需要注意故障安全电阻的取值。当RS485网络的信号上升沿或者下降沿时间超过信号沿着线缆传输时间的4倍以上时，RS485总线上可不加端接电阻。标准CAT5电缆的传播延迟为4.8 ns/m至5.3ns/m之间。常用的SP3485器件的最大上升/下降时间为2 0 ns。因此,对于长度小于1.0 4m的线路，不使用端接。某些应用场合中，对信号的传输速率要求较低，因此有限摆率的RS485器件8 其最小上升/下降时间可以到7 5 0 ns,在此种情况下,对于长度小于39m的线路，可以不使用端接电阻。当增加终端电阻后，可以发现RS485总线的共模负载没有发生变化，但差模负载R急剧减小。上述是理论计算值，实际使用时没有遇到信号反射48表1 故障安全电阻和端接电阻的匹配情况Tab 1 Matching of fail-safe and terminating resistors(20)电阻匹配类型双端故障安Rn全电阻+端接电R2阻R和R2nRLRrRm双端故障安全电阻+端接电Rm2阻R2,无RmnRLRrRm双端故障安全电阻，无端接R2电阻nRLRRT单端故障安全电阻+端接电R2阻R和RT2nRRrRm单端故障安全电阻+端接电Rn2阻Rm2,无RmnRLRrRm单端故障安全电阻+无端接R2电阻nRL备注：电阻单位为Q。影响通信丢包或者识别错误问题时，尽量不要使用终端电阻。5提高RS485通信可靠性的共模电压抑制方法RS485网络的收发器只有在共模电压不超出-7V至+1 2 V的条件下才能正常工作。无论如何都要参数5V偏置电源3.3V偏置电源R115012712711.1358.54210012420.57106.4150030.475059015012011.6661.221k12020103.457.5k30.47507871301301.5059.811.4k12414.85106.410k29.67503921741201.3961.2268112014.38103.45499029.60750吕军，王威滔，鲁文斐，等：大规模部署的复杂RS485网络建模分析与关键问题研究VFD保证RS485网络里各个节点的共模电压在RS485规范要求范围内。一种典型的错误观点是RS485通信网络不需要信号地，只要用2 根双绞线将各个接口的“A”和“B”全部连起来就可通信。这种处理方式在某些场合下可以使用。如图4中的RS485节点i与节点计1 的信号地之间的共模电压差Vci.C(i+1)=iZc,h+Vcp+i+Zc(i+),(i+1),该电压小于 RS485标准中规定的共模电压范围时可以通信，但存在传输可靠性方面的一些隐患。一方面,共模干扰是时变参数,如果超出了RS485规范的条件，通信在某个时段内会不正常。另一方面,RS485驱动器中的输出信号中的共模信号需要一个返回源端的通路，如果没有一个低阻的通路返回到RS485驱动器所在的信号地，就会以辐射的方式返回源端，整个RS485总线会像一根天线一样向周围空间辐射出电磁波。为了解决上述隐患，首先想到的是提供低阻的信号地，将总线上的节点的信号地通过一根接地导线全部连接在一起，如图5 所示。信号地G1,G2和G,通过导线连起来，将RS485各个节点的信号地电平强制为一个确定的电平。将图5 的接地环路重新改画成等效电路进行分析，如图6 所示。Zc1.2和Zc2,m分别表示节点1 与节点2 之间以及节点2 与节点n之间的接地线缆阻抗。ZcDPI2和ZGDP2n分别表示节点1 与节点2 之间以及节点2 与节点n之间的大地共模电压源的等效内阻。RFAAVFACRT1BVOAIVoB2RFAVFB+ZG1,E1lloop.0ZG2,E2VGPD12中VGPD2nEarthiEarth2图5 RS485节点的信号地通过导线连接Figure5 A direct connection between remote groundsof RS485 network直接导线相连的这种方式，只对高阻态的共模干扰有效，即ZGDPI2和ZGDPam阻抗值很大，由于共模干扰源的内阻大，短接后，接地导线中不会形成很大的环路电流Iop，也就不会影响敷设线缆中邻近的信号线“A”和“B的正常通信。多节点的RS485网络，采用导线直接将每个节点的信号地连接起来的方式，有可能存在多个节点之间互相形成的环路电流，使得某些节点所在的环路电流叠加起来过大以致瘫痪而无法通信。GZG1,G2G2ZG1,E1ZG2,E2IIooP.VGPD12中ZopDyEarthiEarth2图6 接地环路Figure6 Grounding loop如果共模干扰源的ZCDP12和ZcDPn内阻不是很小，形成的环路电流也不是很大时，可以在接地导线的两端插入一个电阻来限制环路电流，如图7 所示,电阻RuMIr为限流电阻。lop=VcD12/(RLIMm+Zc1,Ei+Zc2,E2+Zl,C2+ZcPD12），可知插入限流电阻RuMIT后可以降低环路电流。根据经验，限流电阻RuMr常常选择1002,1/2W的电阻接人接地线缆中。这个接地线缆往往和信号线“A”和“B共用一根线缆，可以是传输双绞线的外披屏蔽金属层。引人限流电阻后有可能会使共模电压升高，需要将各节点的共模电压RFC合理控制在适当的范围内。RFAVFCRT2RFDZGn,EnEarthnZG2.GnVGPD2nZGPD2nEarthnRFCAndiffVFART1BVoAVoRZVFDRFVFBZG1,E1RLIMYlloop.VGPD12VGPD2nEarthiEarth2图7 第一种方式：串接限流电阻的接地方式Figure7 First method:local system ground via theinsertion of resistors如果共模干扰源的内阻很小,形成的环路电流：49GZGn,EnRT2VFCLGRFDZG2,E2RLIMITI ZGn,ErEarthn智能物联技术非常大时，即使采用限流电阻也无法保证整个网络RFA中形成的环路电流不对通信信号造成影响。此时可A以采用浮地隔离技术，将节点的RS485信号地通VFAO过导线连接，如8 图所示，将环路切断，无法形成电流通路，也就减少了环路电流的干扰。每个节点的RS485信号地GiG2和G,连接起来，可以允许其中某一个节点与大地相连接，但其他节点的信号地与大地不可连接。若连接，就会产生图5 所示的环路电流干扰。因此，在设计浮地的RS485设备时，必须注意节点设备的信号地与大地之间的关系。工程中有两种处理办法：一是信号地与大地之间完全隔离；二是节点设备无可靠接大地的接地点，其本身是一个浮地设备，比如塑料外壳的RS485设备。工程上的处理办法其本质是将Zcn,En的等效内阻变得非常大，将环路电流降下来。RFAAVFACRT1BVOAVoBRFE1G1VFBOVGPD12中VGPD2nT7EarthiEarth2图8 第二种方式：RS485节点浮地的接法Figure8 Second method:floating RS485 bus浮地不能解决全部问题，也会遇到某些情况下不能浮地，这些应用场合要求保证大地与信号地必须相连，此时可采用光耦或者磁隔离技术1 9.1 0。如图9所示，将RS485通信电路部分的信号地与大地隔离开来，所有的RS485信号地ISO_Gi,ISO_G和ISO_G通过一根导线连接在一起。实际的隔离操作中，工程上也存在一种变通的操作方式，即只对通信信号进行隔离，而对RS485的供电电源没有完全隔离，此种情况也存在环路电流的影响，没有起到隔离应有的作用，也不宜采用。如果没有接地参考，RS485总线收发器由浮地电源供电。实际工程中，接地故障、雷击浪涌、闪电或其他恶劣环境导致的电压和电流突波将会把浮地总线共模提升到危险的高电平。这种高电平电压50RFCndiffRT1BVOARFBVFBOISO_GVGPD127VGPD2nmEarthtEarth2图9 第三种方式：隔离RS485的接地方式Figure9 Third method:Isolated data-transmissionsystem using multiple transceivers不会击穿损伤与总线连接的器件，原因在于其信号和电源电平都是以总线共模电压为参考，在不断变化的共模参考电压上起伏波动。RFCRS485总线存在的浮地高电压没有泄放途径ndiff的话，会产生放电电弧，这种放电现象极易损坏RT2VFCAN一G2GRFDOVFDEarthnZRT2INRFDISO_G2ISO_GEarthnRS485总线邻近的PCB(Printed Circuit Board)器件。要想抑制总线共模上的电流和电压瞬态，可以将总线以系统接大地为参考。该位置通常位于非隔离收发器节点，也为整个总线系统提供了单点接地参考。图8 和图9 中节点1 的信号地与大地即为直接连接，且为单点接地方式。在点对点连接中，为减少成本，只隔离一个节点（另一个节点不隔离)已经足够。但在多点数据链路中，常见做法是隔离总线节点，留一个非隔离节点，实现单点接地。从上述分析可知,RS485网络在长距离、多节点的实际应用中必须注意共模电压的影响，需要通过各种措施来保证共模电压在合适的范围内。串接限流电阻的接地方式、RS485浮地的接法和隔离RS485的接地方式这三种方式，其本质都是将挂在RS485总线上的节点的信号地建立在一个确定的电平上,或者切断干扰电流的环路，从而确保各个节点能够稳定工作。这种确定性，排除了各种外在因素的干扰,提高了RS485网络的可靠性。因此在设计RS485电路时，需要综合考虑使用环境、接地情况以及成本，选择合适的接地方式。6工程设计和验证选取SP3485芯片作为节点的通信芯片，供电VFCVFD吕军，王威滔，鲁文斐，等：大规模部署的复杂RS485网络建模分析与关键问题研究R9ORISO_V5UART RXDR8.ORRS485 DIRUART TXD非隔离信号TSOTUART RXDISO RS485 DIRR5.ORISO UART TXDR6.OR隔离后的信号V5隔离电源R100RSW5R4OR11ROVCC27REB36DEA45DIGNDSP3485ENR2R1SW4SW18RS485 BR7SW2RS485 A=C1100NF5QVSW3R111MR121MSW7SW6R37C2ISO_GND100NF,50V电源5 V。总线长度1 0 0 m。用直流电压源提供共模电压来模拟共模干扰。测试电路如图9 所示。图中通过开关SW1,SW和SW3的开闭，将故障安全电阻及端接电阻R1,R，和R3引人或者移除出电路。开关SW4和SW。的闭合，表示电路未采用隔离电源。而开关SW，和SW，的闭合，表示RS485采用了隔离电源。采用9 6 0 0 波特率进行测试，手拉手的拓扑方式构成总线。实际工程应用中，经常采用拨码开关或者空贴器件来实现上述开关的作用。在设计接地电路时，需要预留接地的电阻电容位置，以便调试时可以灵活处置。测试结果表明，故障安全电阻以及共模电压抑制方法有效。7结语虽然RS485电路在工程中较为常用，但在多节点组成的RS485网络中需要精确计算和分析。本文通过建立RS485网络的等效电路，在等效AC模型和等效DC模型基础上，深人分析各种故障安全电阻和端接电阻的匹配组合，给出工程设计中RS485电路的故障安全电阻和端接电阻的阻值选择；引人共模电压干扰参数，详细地分析了接地和共模电压对RS485通信的影响,并且提出了改善RS485通信的共模抑制措施。实际工程上的应用验证了故障安77ISO_GNDC3100NF,50V图1 0）RS 48 5 节点的验证电路Figurel0 Design circuit of RS485 device全电阻和端接电阻匹配的有效性，也验证了共模电压抑制措施的效果良好。参考文献：1】荣亚迪，吴胜华,王强.用于DCS远距离通信的RS485转光纤模块设计 J.仪表技术与传感器，2 0 2 3，(2)：40-49.2王晓燕.基于RS-485通讯的多路温度控制系统的实现 J.火力与指挥控制,2 0 1 9,44(4):1 5 9-1 6 3.3 陈航，严帅,刘胜，等.基于RS485总线的分布式高精度数据采集系统 J.仪表技术与传感器,2 0 2 1(2):7 1-7 9.4张志，李琮琮，王平欣，等.智能电能表RS485接口设计方案综述.电测与仪表,2 0 1 6,5 3(5):1 2 4-1 2 8.5赵亮，张吉礼.提高RS485总线通信可靠性的优化设计方法.大连理工大学学报，2 0 1 5,5 5(4):39 3-39 8.6RS-485 Networks External Fail-Safe Biasing of RS-485NetworksR.Appl.Note AN1986,2017.7徐继红.提高RS-485网络可靠性的若干措施 J.今日电子,2 0 0 1(0 1):1 7-1 9.8Analog Devices,Inc.1.6A,RS-485/RS-422,Half-Duplex,Dfferential Transceiver for Battery-PoweredSystemsR.1998.9 刘希高,刘志民，吕一鸣，等.基于磁隔离技术的RS485隔离中继器的研制 J仪表技术与传感器,2 0 1 6(6):48-5 1.10 Isolated RS-485 Transceiver Reference DesignR.Appl.Note SLLA453A,MAY,2019.51