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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。