RS-485电路设计及接口防护

 1.1. RS485通讯标准协议.

相信RS485通讯标准大家都已经熟悉了，也不再多说。下面的说明部分在网上广为流传，就抄抄下来吧。

典型的串行通讯标准是RS232和RS485.它们定义了电压,阻抗等。但不对软件协议给予定义，区别于RS232, RS485的特性包括：

a. RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+(2—6) V表示;逻辑“0”以两线间的电压差为-(2—6)V表示。接口信号电平比RS -232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL 电路连接。

b. RS-485的数据最高传输速率为10Mbps

c. RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。

d. RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达 3000米。 RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器，因RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。因为RS485接口组成的半双工网络 ，一般只需二根连线，所以RS485接口均采用屏蔽双绞线传输。

1.2. 典型的RS485通信芯片

以TI为例，通常所用的BC184，内置TVS保护，具有15KV静电防护能力;稍差一点的BC182，则可以防护至8KV ESD冲击;而3082，则只能承受4KV ESD冲击。在选用485芯片时，需注意其ESD防护能力，驱动能力，对485总线差分信号的定义等。

1.3. 485应用电路举例。

如下图：

a. A/B线需拉上下拉，保证总线空闲时，A/B差分信号仍是确定状态，避免杂讯影响。上/下拉电阻取得小，则负载加重，会影响485总路线上节点数量;而取得大，则会影响数据传输的波特率。，一般在几K到几十K之间，具体还在看应用电路的需求。(比如此电路中上/下拉取值为3.3K，在实际带载测试(1200bps)时，485总线上只能挂十几外负载;而换成47K，则可以挂到一百多个负载;但若要在9600bps下通信，则上/下拉要小一些才行，目前的试验发现，10K基本上已经是极限了)

b. 对地TVS用作ESD防护。

c. 尽量不要以上/下拉电阻来驱动负载，最好单独用一路信号控制使能端，以充足发挥IC的驱动能力。

d. V485输出能力要足够。因工业应用领域，485总路线上有可能同时接很多节点，此时A/B线对外输出电流会比较大，若V485前端供电电路输出不够，则差分电压不够而导致无法正常通信。

二、接口防护设计

2.1 ESD防护

以TI 3082为例，芯片本身只能保证4KV HBM的ESD防护，而系统要求为8KV接触放电，此时就需要在A/B线间对地加TVS来保护芯片。TVS管尽量选用高速、低容值、大通流量的，当然够用就好，不必追求过高的性能。启动电压和截止电压选取要恰当，以防止TVS误动作，而干扰485的正常通信(还要考虑到485总线上的共模电压部分)。

在进行PCB布板时，尽量使V485靠近电源输出端，使电源线路尽量短;要保证接线良好，TVS管接地路径也要尽量短。同时在V485前端供电电路输出端，应采用大电容并小电容的方式，平滑输出的同时，还能吸引部分ESD带来的高压尖峰。

总之，好的ESD防护，是用正确的器件以及合理的PCB Layout来实现的。

顺便说说，通常ESD冲击到来，会造成三种类型的芯片损伤。一是击穿，这种是不可恢复的。二是Latch-up，这种重新上电后又会消失，但长时间latch-up状态，则会使芯片烧毁。三是软损伤，这种损伤并不会使芯片马上失效，但会使芯片可靠性降低，这种损伤最隐性，往往要到客户现场合用过一段时间后才会发现，这种损伤是最应该避免的。曾经我们有一款产品，做ESD测试都能过，但往往在客户端使用一段时间后就会出现问题，后来分析才发现是ESD冲击导致芯片软损伤的结果。

2.2 高压防护

很多系统还会要求485接口能耐受市电或者工业电直接接入，保证数分钟通电不损坏。这样的要求是为了保证在应用现场，工作人员不慎将交流电接入到485端口上时，不致引发485电路的损坏。

以本电路为例，以两路PTC+TVS管形成回路，当有大的交流电压灌入时，PTC开始发热，进而形成高阻，保证后续电路。

在布板时，应注意在PTC和TVS管的通路间的线宽要足够大(通常0.5mm线宽可通过1A电流，具体因PCB不同而不同。)，以承受大电流的通过。

2.3 高压高频电磁脉冲防护

A/B线对地的TVS能起到一定的保护作用，但更重要的是PCB布板合理，防止高频高压脉冲耦合进内部线路，这部分可参考高频电路的布板。

2.4 高压冲击防护

这部分防护，一是布板时要留足爬电距离;二是光耦及变压器(有些系统是采用外置电源供电，同理)的隔离效果要好。

三、应用

RS485的理论通信距离可达1200m，速率可达几Mbps，通讯节点可达256个(不同的芯片会有不同，也有支持四五百个节点的产品)。但在实际应用中受电路、接线方式及应用环境影响很大。下面重点说说接线方式(这部分是从网上摘抄的，大家将就着看吧)。

3.1 线材: 采用特性阻抗120±20%欧姆，截面积0.5平方毫米带屏蔽双绞线电缆作总线。(注意此阻值并不特指线路纯电阻，而是特定频率下的线路阻抗，通常485的通信频率在1.2K到几百K之间。)

3.2 布线规则：485总线要采用手拉手结构，而不能采用星形结构，从总线到每个节点的引出线长度应尽量短。

3.3 连续性：应注意总线特性阻抗的连续性，在阻抗不连续点就会发生信号的反射，造成通讯可靠性下降，所以，应该使用一条单一、连续的双绞线作为总线。下列几种情况易产生这种不连续性：

a,总线的不同区段采用了不同电缆。

b,或某一段总线上有过多读卡器紧靠在一起安装。

c,分支线到总线的距离过长。

3.4 阻抗匹配：在RS485组建网络过程中另一个需要注意的问题是终端负载电阻问题，一般终端匹配采用终端电阻方法， RS-485应在总线电缆的开始和末端都并接120Ω终端电阻。

3.5 中继：理论上RS485的最长传输距离能达到1200米，但在实际应用中由于外界的确一些干扰等因素，传输的距离要比1200米短，具体能传输多远视周围环境而定，在传输过程中可以采用增加中继的方法对信号进行放大，延长传输距离。

3.6 接地：将485通讯线的屏蔽层用作地线，将读卡器、RS232-RS485转换器、电脑的地连接在一起，并且将RS485通讯线屏蔽层可靠接地，可接到建筑物避雷器的接地连接线上，接地连接线建议使用截面积4平方毫米以上多股铜线，从通讯线屏蔽层到建筑物避雷器的连接线尽可能短，并且连接时注意一定要可靠，连接点注意防锈。当使用光电隔离型中继器做线路延长或者分支时，各个分支的屏蔽层没有直接连接，此时，每个分支的屏蔽层都应该独立接地，接地要求同上。在同一条总线上或者同一个分支上，只能有一个接地点。