嵌入式系统/ARM技术中的RS-485总线通信系统的可靠性措施
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2020-12-13
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嵌入式系统嵌入式系统/ARM技术中的技术中的RS-485总线通信系统的可靠性措施总线通信系统的可靠性措施
1 问题的提出 在工业控制及测量领域较为常用的网络之一就是物理层采用RS-485通信接口所组成的工控设
备网络。这种通信接口可以十分方便地将许多设备组成一个控制网络。从目前解决单片机之间中长距离通信的
诸多方案分析来看，RS-485总线通信模式由于具有结构简单、价格低廉、通信距离和数据传输速率适当等特点
而被广泛应用于仪器仪表、智能化传感器集散控制、楼宇控制、监控报警等领域。但RS485总线存在自适应、
自保护功能脆弱等缺点，如不注意一些细节的处理，常出现通信失败甚至系统瘫痪等故障，因此提高RS-485总
线的运行可靠性至关重要。 图1RS485通信接口原理图2 硬件
1 问题的提出问题的提出
在工业控制及测量领域较为常用的网络之一就是物理层采用RS-485通信接口所组成的工控设备网络。这种通信接口可以
十分方便地将许多设备组成一个控制网络。从目前解决单片机之间中长距离通信的诸多方案分析来看，RS-485总线通信模式
由于具有结构简单、价格低廉、通信距离和数据传输速率适当等特点而被广泛应用于仪器仪表、智能化传感器集散控制、楼宇
控制、监控报警等领域。但RS485总线存在自适应、自保护功能脆弱等缺点，如不注意一些细节的处理，常出现通信失败甚
至系统瘫痪等故障，因此提高RS-485总线的运行可靠性至关重要。
图1RS485通信接口原理图
2 硬件电路设计中需注意的问题硬件电路设计中需注意的问题
2.1 电路基本原理
某节点的硬件电路设计如图1所示，在该电路中，使用了一种RS-485接口芯片SN75LBC184，它采用单一电源Vcc，电压
在＋3～＋5.5 V范围内都能正常工作。与普通的RS-485芯片相比，它不但能抗雷电的冲击而且能承受高达8 kV的静电放电冲
击，片内集成4个瞬时过压保护管，可承受高达400 V的瞬态脉冲电压。因此，它能显著提高防止雷电损坏器件的可靠性。对
一些环境比较恶劣的现场，可直接与传输线相接而不需要任何外加保护元件。该芯片还有一个独特的设计，当输入端开路时，
其输出为高电平，这样可保证接收器输入端电缆有开路故障时，不影响系统的正常工作。另外，它的输入阻抗为RS485标准
输入阻抗的2倍（≥24 kΩ），故可以在总线上连接64个收发器。芯片内部设计了限斜率驱动，使输出信号边沿不会过陡，使传
输线上不会产生过多的高频分量，从而有效扼制电磁干扰。在图1中，四位一体的光电耦合器TLP521让单片机与
SN75LBC184之间完全没有了电的联系，提高了工作的可靠性。基本原理为：当单片机P1.6=0时，光电耦合器的发光二极管
发光，光敏三极管导通，输出高电压（＋5 V），选中RS485接口芯片的DE端，允许发送。当单片机P1.6=1时，光电耦合器
的发光二极管不发光，光敏三极管不导通，输出低电压（0 V），选中RS485接口芯片的RE端，允许接收。SN75LBC184的R
端（接收端）和D端（发送端）的原理与上述类似。
2.2 RS-485的DE控制端设计
在RS-485总线构筑的半双工通信系统中，在整个网络中任一时刻只能有一个节点处于发送状态并向总线发送数据，其他
所有节点都必须处于接收状态。如果有2个节点或2个以上节点同时向总线发送数据，将会导致所有发送方的数据发送失败。
因此，在系统各个节点的硬件设计中，应首先力求避免因异常情况而引起本节点向总线发送数据而导致总线数据冲突。以
MCS51系列的单片机为例，因其在系统复位时，I/O口都输出高电平，如果把I/O口直接与RS-485接口芯片的驱动器使能端DE
相连，会在CPU复位期间使DE为高，从而使本节点处于发送状态。如果此时总线上有其他节点正在发送数据，则此次数据传
输将被打断而告失败，甚至引起整个总线因某一节点的故障而通信阻塞，继而影响整个系统的正常运行。考虑到通信的稳定性
和可靠性，在每个节点的设计中应将控制RS485总线接口芯片的发送引脚设计成DE端的反逻辑，即控制引脚为逻
辑“1”时，DE端为“0”；控制引脚为逻辑“0”时，DE端为“1”。在图1中,将CPU的引脚P1.6通过光电耦合器驱动DE端，这样就可
以使控制引脚为高或者异常复位时使SN75LBC184始终处于接收状态，从而从硬件上有效避免节点因异常情况而对整个系统
造成的影响。这就为整个系统的通信可靠奠定了基础。
此外，电路中还有1片看门狗MAX813L，能在节点发生死循环或其他故障时，自动复位程序，交出RS-485总线控制权。
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