淺談RS485接口“共地”的問題

丁元英說：“悟道休言天命，修行勿取真經(jīng)。一悲一喜一枯榮，哪個前生注定？袈裟本無清凈，紅塵不染性空。幽幽古剎千年鐘，都是癡人說夢。”話說485接口我是使用很長時間了，自以為很理解了，卻不想還是碰到了個“接收數(shù)據(jù)亂碼”的問題，懷疑、排查了一通之后，最后發(fā)現(xiàn)是沒有“共地”造成的，因此不得不再好好梳理下RS485接口“共地”的問題了。

差分信號是一對大小相等而極性相反的對稱信號，用于傳輸有用的信號。共模信號是作用于差分信號線上的一對大小相等極性也相同的信號，共模信號往往來自于外部干擾。差分信號在接收端是靠差分放大器來檢測的。差分放大器只對兩路輸入信號之間的差值起放大作用，而對兩路輸入信號共同對地的電位不起作用。在差分信號傳輸過程中會遇到外部干擾信號，但是，由于兩根差分信號線始終在一起，因此干擾信號一般都會同時作用在兩根信號線上，形成疊加在兩根信號線上大小相等相位也相同的共模信號，因此差分傳輸?shù)男盘枌ν獠扛蓴_具備很強的抗干擾能力。而RS-485接口顯著特點是信號采用“差分”的方式傳輸，因此抗干擾能力很強，通信距離也比RS-232遠得多。

共模干擾問題盡管不影響正常通訊，但人們往往忽視了收發(fā)器有一定的共模電壓范圍，如RS-485收發(fā)器共模電壓范圍為-7～+12V，只有滿足上述條件，整個網(wǎng)絡才能正常工作。當網(wǎng)絡線路中共模電壓超出此范圍時就會影響通信的穩(wěn)定可靠，甚至損壞接口。當發(fā)送驅(qū)動器A向接收器B發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送驅(qū)動器A的輸出共模電壓為VOS，由于兩個系統(tǒng)具有各自獨立的接地系統(tǒng)，存在著地電位差VGPD。那么，接收器輸入端的共模電壓VCM就會達到VCM=VOS+VGPD。雖然RS-485標準規(guī)定VOS≤3V，但VGPD可能會有很大幅度（十幾伏甚至數(shù)十伏），并可能伴有強干擾信號，致使接收器共模輸入VCM超出正常范圍，并在傳輸線路上產(chǎn)生干擾電流，輕則影響正常通信，重則損壞通信接口電路。

所以，RS-485盡管采用差分平衡傳輸方式，但對整個RS-485網(wǎng)絡，必須有一條低阻的信號地。一條低阻的信號地將兩個接口的工作地連接起來，使共模干擾電壓VGPD被短路。這條信號地可以是額外的一條線（非屏蔽雙絞線）或者是屏蔽雙絞線的屏蔽層（但抗干擾能力將下降） ，分別連接兩頭網(wǎng)絡設備的網(wǎng)絡平衡線接口 。這樣一來，RS-485通信可以是半雙工的，僅需要3根線（A/B、GND）；也可以是全雙工的，需要5根線（TX+/TX-、RX+/RX-、GND）。當然，不接地線，在很多場合是能正常工作的；所以不少人就認為半雙工只需要A/B信號線就可以了。我這幾天測試，就碰到了RS485共地的問題。我的使用場景是這樣的：

簡單描述下數(shù)據(jù)流：一端PC數(shù)據(jù)經(jīng)USB轉(zhuǎn)485模塊，和電路板1的485接口連接，經(jīng)無線發(fā)射出去；電路板2將接收到的無線數(shù)據(jù)，經(jīng)485接口和USB轉(zhuǎn)485模塊連接，再由USB接口給另一端的PC。反之也成立，是雙向的數(shù)據(jù)流。 供電是采用一個AC/DC電源給電路板1供電，采用另一個AC/DC電源給電路板2供電。 我碰到的問題是這樣的：

1、若485接口部分只接A/B線（接法一），發(fā)現(xiàn)PC端接收到的數(shù)據(jù)有亂碼。

2、若485接口部分接A/B/GND線（接法二），PC端接收到的數(shù)據(jù)是正常的。

3、分析下整個鏈路，按接法一，電路板1（或電路板2）與USB轉(zhuǎn)485模塊及PC是沒有共地的；而按接法二，電路板1（或電路板2）與USB轉(zhuǎn)485模塊及PC是共地的。這就是問題所在！

下面總結(jié)下：半雙工RS485接口不接地線，是有隱患的，這有二個原因：

（1）共模干擾問題：RS-485接口采用差分方式傳輸信號，并不需要相對于某個參照點來檢測信號，系統(tǒng)只需檢測兩線之間的電位差就可以了。但人們往往忽視了收發(fā)器有一定的共模電壓范圍，RS-485收發(fā)器共模電壓范圍為-7～+12V，只有滿足上述條件，整個網(wǎng)絡才能正常工作。因為RS-485是總線方式的傳輸，總線上有很多的節(jié)點，當網(wǎng)絡線路中共模電壓超出此范圍時就會影響通信的穩(wěn)定可靠，甚至損壞接口。

（2）EMI電磁兼容性問題：發(fā)送驅(qū)動器輸出信號中的共模部分需要一個返回通路，如沒有一個信號地這個低阻的返回通道，信號中的共模部分就會以輻射的形式返回源端，整個總線就會像一個巨大的天線向外輻射電磁波。即使接地后，如果接口不加保護，還是經(jīng)常容易損壞。因為雷擊、電源波動、感應開關(guān)和靜電放電會通過產(chǎn)生較大瞬變電壓和浪涌電流都會對接口造成損害，采用磁隔離是性價比最高的方案。

最后奉上“RS485布線規(guī)范”，可以參考下：

1、485信號線不可以和電源線一同走線。

2、485信號線可以使用屏蔽線作為布線，也可以使用非屏蔽線作為布線。

3、選擇使用普通的超五類屏蔽雙絞線即網(wǎng)線就可以。有不良商人利用某種合金來頂替銅絲來做網(wǎng)線，在外面鍍銅以蒙混客戶。具體區(qū)別方法：看網(wǎng)線截面，如果是銅色的話，就是銅絲，如為白色，則是用合金以次充好。合金一般比較脆，容易斷，而且導電性遠不如銅絲，很容易在工程施工中造成問題。線材一般那建議選擇標準的485線，其為屏蔽雙絞線，傳輸線不是像網(wǎng)線那樣為單股的銅絲，而是多股銅絲絞在一起形成一根線，從而即使某根小銅絲斷掉，也不會影響整個的使用。

4、借助485集線器和485中繼器可以任意布設成星型接線與樹形接線。485布線規(guī)范是必須要手牽手的布線，一旦沒有借助485集線器和485中繼器直接布設成星型連接和樹形連接，很容易造成信號反射導致總線不穩(wěn)定。很多施工方在485布線過程中，使用了星型接線和樹形接線，有的時候整個系統(tǒng)非常穩(wěn)定，但是有的時候則總是出現(xiàn)問題，又很難查找原因，一般都是由于不規(guī)范布線所引起的。

5、485總線必須要接地。嚴格的說，485總線必須要單點可靠接地，即整個485總線上只能是有一個點接地，不能多點接地，因為將其接地是因為要將地線（一般都是屏蔽線作地線）上的電壓保持一致，防止共模干擾，如果多點接地適得其反?？煽拷拥貢r整個485線路的地線必須要有良好的接觸，從而保證電壓一致，因為在實際施工中，為了接線方便，將線剪成多段再連接，但是沒有將屏蔽線作良好的連接，從而使得其地線分成了多段，電壓不能保持一致，導致共模干擾。 編輯：黃飛