列車RS-485總線組網(wǎng)應(yīng)用的可靠性設(shè)計(jì)分析

侯春陽(yáng)

（中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

RS-485總線具有噪聲抑制能力強(qiáng)、傳輸速率高、傳輸距離遠(yuǎn)、共模范圍寬及簡(jiǎn)便易用等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此在列車控制系統(tǒng)中有著極為廣泛的應(yīng)用。運(yùn)用RS-485總線進(jìn)行組網(wǎng)時(shí)，由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況采取不同的措施以提高RS-485電路的信號(hào)質(zhì)量，并提供可靠的保護(hù)機(jī)制。特別要考慮在運(yùn)行環(huán)境惡劣、節(jié)點(diǎn)數(shù)多、分布距離遠(yuǎn)、電磁干擾大等不利因素的影響下，如何保證列車運(yùn)行過(guò)程中通信的可靠性。本文重點(diǎn)從總線故障保護(hù)和瞬態(tài)防護(hù)等方面進(jìn)行了電路的可靠性設(shè)計(jì)并加以分析和計(jì)算，最后通過(guò)試驗(yàn)和仿真進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 列車RS-485組網(wǎng)情況概述

列車通信網(wǎng)絡(luò)多個(gè)節(jié)點(diǎn)以菊花鏈方式進(jìn)行組網(wǎng)，通常采用半雙工的模式進(jìn)行通信，一般需要在RS-485網(wǎng)絡(luò)的2個(gè)端節(jié)點(diǎn)各安裝1個(gè)終端匹配電阻。然而進(jìn)行單板設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)組網(wǎng)情況的不同，考慮串接電阻、終端匹配和偏置電阻的添加方式和計(jì)算方法。

RS-485總線的數(shù)據(jù)采用差分信號(hào)傳輸，這樣不僅能提升信號(hào)的完整性，還能提高信號(hào)的抗干擾能力。RS-485標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電氣性能參數(shù)，差分電壓的范圍不小于200 mV。組網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮預(yù)留有一定的閾量，確保信號(hào)經(jīng)過(guò)線纜和連接器后即使發(fā)生衰減也能在正常范圍內(nèi)。RS485總線能支持的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)和收發(fā)器的輸入阻抗相關(guān)，標(biāo)準(zhǔn)要求接口的輸入阻抗大于12 kΩ，對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)最多為32個(gè)。不同的收發(fā)器能支持的傳輸速率不同，最高速率可以達(dá)10 Mbps。組網(wǎng)應(yīng)用中傳輸線的長(zhǎng)度與信號(hào)的速率成反比，同時(shí)傳輸速率還會(huì)受到光電耦合器的影響[1-3]。因此實(shí)際的信號(hào)傳輸速率可能會(huì)降低，組網(wǎng)設(shè)計(jì)選擇收發(fā)器時(shí)需要保留一定閾量。

2 RS-485總線防護(hù)設(shè)計(jì)

列車控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常會(huì)存在高頻瞬態(tài)干擾，為了有效地保護(hù)信號(hào)不受其影響，需要增加一些ESD防護(hù)設(shè)計(jì)。圖2為半雙工通信方式下的RS-485接口電路框圖，電路中的TVS管能夠避免惡劣環(huán)境下雷擊和靜電等干擾產(chǎn)生的高壓損壞RS-485收發(fā)器。通常在差分線上增加串聯(lián)電阻R1和R2，可以吸收尖峰電壓剩余的能量。正負(fù)線上分別增加上拉電阻R3和下拉電阻R4，可以起到故障保護(hù)的作用，提升通信的可靠性[4]。連接于正負(fù)線之間的電阻RT是終端匹配電阻，可以有效地減小信號(hào)的反射和噪聲。

圖1 RS-485接口電路框圖

2.1 故障保護(hù)電路設(shè)計(jì)

故障保護(hù)是指總線在沒(méi)有信號(hào)輸入的情況下接收器具有呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)的能力。有3種情況可能引起網(wǎng)絡(luò)的故障[5]：1）開(kāi)路。由于線路的暫停或者是收發(fā)器從總線上斷開(kāi)而造成的。2）短路。由于兩對(duì)差分線之間的絕緣失敗而造成的。3）空閑。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上沒(méi)有任何一個(gè)驅(qū)動(dòng)器工作時(shí)為空閑狀態(tài)。

為解決這一問(wèn)題，則需采取措施使總線空閑時(shí)接收器仍能檢測(cè)到有效的高電平。雖然現(xiàn)在有些芯片已經(jīng)內(nèi)置了這一防護(hù)功能，但通常裕量有限，為確保系統(tǒng)的可靠性，須在總線上加裝偏置電阻。實(shí)際應(yīng)用中，由于上下拉電阻添加的位置、個(gè)數(shù)及大小不對(duì)，出現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)通信不正常的情況。本文針對(duì)電路的等效模型進(jìn)行分析和計(jì)算，分情況討論不同應(yīng)用情況下偏置電阻的添加方式。

RS-485網(wǎng)絡(luò)的等效電路模型如圖2所示，其中RT1、RFS和RIN分別代表終端電阻、偏置電阻和網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)的等效輸入阻抗。

圖2 RS-485網(wǎng)絡(luò)等效電路

RS-485標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了最大的共模負(fù)載（即最小的共模輸入阻抗）是375 Ω，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)有32個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，輸入阻抗的值是12000÷32=375 Ω,所以RFS和RIN的并聯(lián)值是375 Ω。在正常情況下，驅(qū)動(dòng)器輸出可看成2個(gè)偏置電阻串聯(lián)后和終端并聯(lián)。因此為了線路的阻抗匹配，它們的值必須和Z0相等，即

實(shí)際應(yīng)用中偏置電阻可以放在網(wǎng)絡(luò)的任何位置或分別放到網(wǎng)絡(luò)中的多處節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)中，所有偏置電阻并聯(lián)后的總阻抗必須等于或小于計(jì)算出的偏置要求值。

假如網(wǎng)絡(luò)中有32個(gè)節(jié)點(diǎn)，并且在網(wǎng)絡(luò)的兩端都加入偏置電阻，則網(wǎng)絡(luò)的等效電路如圖3所示。

圖3 RS-485網(wǎng)絡(luò)等效電路

考慮到總線5%的噪聲容限，通常將空閑狀態(tài)的電平取250 mV，因此選用1.2 kΩ的偏置電阻。假如網(wǎng)絡(luò)中有N個(gè)節(jié)點(diǎn)，并且在網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)都加入偏置電阻，則按每個(gè)節(jié)點(diǎn)添加偏置電阻可估算為722N Ω。

2.2 瞬態(tài)防護(hù)電路設(shè)計(jì)

在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中常常會(huì)存在靜電泄放(ESD)、電快速脈沖群(EFT)及浪涌(surge)3種瞬態(tài)干擾。為改善電磁兼容性能并能使產(chǎn)品通過(guò)測(cè)試，需為電路設(shè)計(jì)足夠的瞬態(tài)防護(hù)能力。通常我們采用TVS管加串接小電阻的方式進(jìn)行RS-485接口電路的瞬態(tài)防護(hù)[6]。

TVS管具有極快的響應(yīng)時(shí)間和高達(dá)幾千伏的瞬態(tài)電壓防護(hù)能力，非常適合于RS-485多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)中，并且不會(huì)降低信號(hào)速率。串接電阻則用于消除TVS管鉗位后的剩余能量，但它同時(shí)也會(huì)影響信號(hào)的傳輸速率及驅(qū)動(dòng)器的差分輸出電壓。組網(wǎng)應(yīng)用中有時(shí)會(huì)發(fā)生由于該串接小電阻的分壓作用，輸出的差分電壓會(huì)有所下降，引起輸出電壓的范圍不符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，進(jìn)而和第三方設(shè)備無(wú)法進(jìn)行通信。可通過(guò)計(jì)算來(lái)分析串接電阻對(duì)差分輸出電壓的影響，從而選擇合適的阻值。圖4所示為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信狀態(tài)下通信線路的等效電路模型。

圖4 RS-485點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信等效電路

Vdiff.out為發(fā)送器的差分輸出電壓，Vdiff.in為接收節(jié)點(diǎn)的差分輸入電壓，V1和V2分別為單端信號(hào)的電壓，VT為發(fā)送器過(guò)電阻后的差分輸出信號(hào)電壓。RT1、RT2為2個(gè)終端電阻（120 Ω），R1、R2、R3、R4為電路中的4個(gè)串聯(lián)電阻，RIN是接收節(jié)點(diǎn)的共模輸入阻抗。RT1=RT2=RT，R1=R2=R3=R4=R。

由于RIN=12000 Ω ，IIN可以忽略不計(jì)，電路可以簡(jiǎn)化，如圖5所示。

圖5 簡(jiǎn)化的等效電路模型

由式（13）可以看出，VT的大小和串接電阻、偏置電阻及終端有關(guān)，隨著串接電阻的增加而減小，隨著偏置電阻的減小而增大。因此在組網(wǎng)設(shè)計(jì)和故障查詢時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)信號(hào)不滿足標(biāo)準(zhǔn)范圍，需要綜合考慮串接電阻、偏置電阻及終端3個(gè)要素進(jìn)行整改。

3 RS-485通信試驗(yàn)及仿真

3.1 RS-485通信測(cè)試

為了進(jìn)一步驗(yàn)證理論分析的正確性和可行性，以2個(gè)通信單板為例，進(jìn)行兩路RS-485電路的相互收發(fā)通信試驗(yàn)。此通信單板的RS485電路中采用120 Ω的終端電阻、1.2 kΩ的偏置電阻。試驗(yàn)中設(shè)置通信的波特率為115 200 bps。

首先對(duì)空閑狀態(tài)下RS-485電路的差分輸出電壓進(jìn)行測(cè)試。如圖6（a）所示，未加偏置電阻時(shí)AB線的差分電壓為-120 mV。如圖6（b）所示，增加了上拉電阻后的AB線的差分電壓為242 mV。由此可見(jiàn)，未加上拉電阻前的輸出電壓處于不定態(tài)，通過(guò)添加上拉電阻使輸出維持在大于200 mV的范圍內(nèi)，從而增加網(wǎng)絡(luò)抵抗噪聲的能力。

圖6 RS-485電路空閑狀態(tài)差分輸出波形

接著通過(guò)在電路中添加不同阻值的串聯(lián)電阻，測(cè)量輸出電壓，如表1所示。

由表1的內(nèi)容可以看出，輸出電壓的理論值和實(shí)際測(cè)量值是一致的，當(dāng)選擇33 Ω的電阻時(shí)VT的低電平小于1.5 V，從而會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)潛在的故障。當(dāng)電阻值減小時(shí)，輸出電壓上升，因此選擇小于10 Ω的電阻可以實(shí)現(xiàn)可靠的通信，避免偶發(fā)的通信故障。

表1 不同串接電阻下的輸出電壓VT

3.2 RS-485通信仿真

本例中采用Cadence的PSpice仿真工具對(duì)RS-485電路進(jìn)行通信仿真，仿真主要為了驗(yàn)證在不同節(jié)點(diǎn)和不同線纜長(zhǎng)度的情況下通信波形的時(shí)域參數(shù)能否滿足RS-485通信標(biāo)準(zhǔn)，比如高低電平、上升沿和下降沿時(shí)間等。PSpice作為業(yè)界知名的仿真工具，在原理圖功能仿真方面除了具有直流分析、交流分析和瞬態(tài)分析等基本分析功能之外，還具有參數(shù)掃描、溫度掃描、蒙特卡洛和最壞情況分析。本仿真中主要用到了瞬態(tài)分析和參數(shù)掃描仿真。

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)情況下仿真電路設(shè)置5個(gè)參數(shù)，分別為R、Rcable、Lcable、Ct和pw，分別對(duì)應(yīng)輸出電阻、線纜等效電阻、線纜等效電感、線纜等效電容和輸入波形占空比。設(shè)置輸入信號(hào)為1 MHz，50%占空比，1 ns上升沿和下降沿的方波。設(shè)置參數(shù)為R=10、Rcable=0.1、Lcable=1 nH、Ct=3 pF仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信仿真波形

為了驗(yàn)證電路容性負(fù)載對(duì)電路的影響，下面對(duì)線纜等效電容進(jìn)行參數(shù)掃描仿真。參數(shù)掃描設(shè)置如圖8所示，將電容從100～1000 pF進(jìn)行線性變化。

圖8 電容參數(shù)設(shè)置

從圖9的仿真結(jié)果可以看出，線纜等效電容對(duì)波形的邊沿有比較明顯的影響，尤其是當(dāng)電容值越來(lái)越大的時(shí)候，邊沿會(huì)越來(lái)越緩慢。可見(jiàn)電路的容性負(fù)載過(guò)大會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的上升下降時(shí)間增大，進(jìn)而導(dǎo)致通信異常，當(dāng)節(jié)點(diǎn)增多時(shí)影響更為明顯。因此進(jìn)行RS485總線組網(wǎng)時(shí)，應(yīng)該注意線纜的分布電容，盡量選用分布電容較小的線纜進(jìn)行組網(wǎng)。考慮到多節(jié)點(diǎn)應(yīng)用需要增加許多TVS管進(jìn)行瞬態(tài)防護(hù)，因此選擇TVS 的時(shí)候需要考慮結(jié)電容的影響。

圖9 線纜電容參數(shù)仿真

4 結(jié)語(yǔ)

本文重點(diǎn)討論了組網(wǎng)應(yīng)用過(guò)程中RS-485電路的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。詳細(xì)討論了不同組網(wǎng)情況下故障保護(hù)和瞬態(tài)防護(hù)電路的設(shè)計(jì)，針對(duì)不同節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)情況下偏置電阻和串接電阻的阻值進(jìn)行理論計(jì)算。通過(guò)RS-485電路互聯(lián)試驗(yàn)及仿真驗(yàn)證了理論分析的正確性。根據(jù)以上的分析結(jié)論，可以指導(dǎo)應(yīng)用于列車的多節(jié)點(diǎn)的RS-485電路的組網(wǎng)和布線設(shè)計(jì)，排查和消除通信故障，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)傳輸。