西门子电源板C98043-A7002-L1
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六、rs-422与rs-485的接地问题
电子系统接地是很重要的,但常常被忽视。接地处理不当往往会导致电子系统不能稳定工作甚至危及系统安全。rs-422与rs-485传输网络的接地同样也是很重要的,因为接地系统不合理会影响整个网络的稳定性,尤其是在工作环境比较恶劣和传输距离较远的情况下,对于接地的要求更为严格。否则接口损坏率较高。很多情况下,连接rs-422、rs-485通信链路时只是简单地用一对双绞线将各个接口的“a"、“b"端连接起来。而忽略了信号地的连接,这种连接方法在许多场合是能正常工作的,但却埋下了很大的隐患,这有下面二个原因:
1.共模干扰问题:正如前文已述,rs-422与rs-485接口均采用差分方式传输信号方式,并不需要相对于某个参照点来检测信号,系统只需检测两线之间的电位差就可以了。但人们往往忽视了收发器有一定的共模电压范围,如rs-422共模电压范围为-7~+7v,而rs-485收发器共模电压范围为-7~+12v,只有满足上述条件,整个网络才能正常工作。当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠,甚至损坏接口。以图11为例,当发送驱动器a向接收器b发送数据时,发送驱动器a的输出共模电压为vos,由于两个系统具有各自独立的接地系统,存在着地电位差vgpd。那么,接收器输入端的共模电压vcm就会达到vcm=vos+vgpd。rs-422与rs-485标准均规定vos≤3v,但vgpd可能会有很大幅度(十几伏甚至数十伏),并可能伴有强干扰信号,致使接收器共模输入vcm超出正常范围,并在传输线路上产生干扰电流,轻则影响正常通信,重则损坏通信接口电路。
图11
2.(emi)问题:发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路,如没有一个低阻的返回通道(信号地),就会以辐射的形式返回源端,整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。
由于上述原因,rs-422、rs-485采用差分平衡传输方式,但对整个rs-422或rs-485网络,必须有一条低阻的信号地。一条低阻的信号地将两个接口的工作地连接起来,使共模干扰电压vgpd被短路。这条信号地可以是额外的一条线(非屏蔽双绞线),或者是屏蔽双绞线的屏蔽层。这是*通常的接地方法。
这种做法仅对高阻型共模干扰有效,由于干扰源内阻大,短接后不会形成很大的接地环路电流,对于通信不会有很大影响。当共模干扰源内阻较低时,会在接地线上形成较大的环路电流,影响正常通信。笔者认为,可以采取以下三种措施:
(1)如果干扰源内阻不是非常小,可以在接地线上加限流电阻以限制干扰电流。接地电阻的增加可能会使共模电压升高,但只要控制在适当的范围内就不会影响正常通信。
(2)采用浮地技术,隔断接地环路。这是较常用也是十分有效的一种方法,当共模干扰内阻很小时上述方法已不能奏效,此时可以考虑将引入干扰的节点(例如处于恶劣的工作环境的现场设备)浮置起来(也就是系统的电路地与机壳或大地隔离),这样就隔断了接地环路,不会形成很大的环路电流。
(3)采用隔离接口。有些情况下,出于安全或其它方面的考虑,电路地必须与机壳或大地相连,不能悬浮,这时可以采用隔离接口来隔断接地回路,仍然应该有一条地线将隔离侧的公共端与其它接口的工作地相连。参见图12。
图12
七、rs-422与rs-485的网络失效保护
rs-422与rs-485标准都规定了接收器门限为±200mv。这样规定能够提供比较高的噪声抑制能力,如前文所述,当接收器a电平比b电平高+200mv以上时,输出为正逻辑,则输出为负逻辑。但由于第三态的存在,即在主机在发端发完一个信息数据后,将总线置于第三态,即总线空闲时没有任何信号驱动总线,使ab之间的电压在-200~+200mv直至趋于0v,这带来了一个问题:接收器输出状态不确定。如果接收机的输出为0v,网络中从机将把其解释为一个新的启动位,并试图读取后续字节,由于永远不会有停止位,产生一个帧错误结果,不再有设备请求总线,网络陷于瘫痪状态。除上述所述的总线空闲会造成两线电压差低于200mv的情况外,开路或短路时也会出现这种情况。故应采取一定的措施避免接收器处于不确定状态。
图13
通常是在总线上加偏置,当总线空闲或开路时,利用偏置电阻将总线偏置在一个确定的状态(差分电压≥-200mv)。如图13。将a上拉到地,b下拉到5v,电阻的典型值是1kω,具体数值随电缆的电容变化而变化。
上述方法是比较经典的方法,但它仍然不能解决总线短路时的问题,有些厂家将接收门限移到-200mv/-50mv,可解决这个问题。例如maxim公司的max3080系列rs-485接口,不仅省去了外部偏置电阻,解决了总线短路情况下的失效保护问题。
八、rs-422与rs-485的瞬态保护
前文提到的信号接地措施,只对低频率的共模干扰有保护作用,对于频率很高的瞬态干扰就无能为力了。由于传输线对高频信号而言就是相当于电感,对于高频瞬态干扰,接地线实际等同于开路。这样的瞬态干扰持续时间短暂,但可能会有成百上千伏的电压。
实际应用环境下还是存在高频瞬态干扰的可能。一般在切换大功率感性负载如电机、变压器、等或闪电过程中都会产生幅度很高的瞬态干扰,如果不加以适当防护就会损坏rs-422或rs-485通信接口。对于这种瞬态干扰可以采用隔离或旁路的方法加以防护。
1.隔离保护方法。这种方案实际上将瞬态高压转移到隔离接口中的电隔离层上,由于隔离层的高绝缘电阻,不会产生损害性的浪涌电流,起到保护接口的作用。通常采用高频变压器、光耦等元件实现接口的电气隔离,已有器件厂商将所有这些元件集成在一片ic中,使用起来非常简便,如maxim公司的max1480/max1490,隔离电压可达2500v。这种方案的优点是可以承受高电压、持续时间较长的瞬态干扰,实现起来也比较容易,缺点是成本较高。
2.旁路保护方法。这种方案利用瞬态抑制元件(如tvs、mov、气体放电管等)将危害性的瞬态能量旁路到大地,优点是成本较低,缺点是保护能力有限,只能保护一定能量以内的瞬态干扰,持续时间不能很长,需要有一条良好的连接大地的通道,实现起来比较困难。实际应用中是将上述两种方案结合起来灵活加以运用,如图14。在这种方法中,隔离接口对大幅度瞬态干扰进行隔离,旁路元件则保护隔离接口不被过高的瞬态电压击穿。
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