关于商用空调RS485通讯间共地问题的研究

关于商用空调RS485通讯间共地问题的研究

周葆林

珠海格力电器股份有限公司 广东 珠海 519000

摘要：目前商用空调的控制系统一般包括内机、外机、显示器等部件组成，而各个控制器间使用最多的RS485半双工的通讯方式。在一般情况下RS485之间只是使用一对两芯的双绞线将A、B相连，但实际工程使用中往往需要将控制器的数字地GND相连才可以正常通讯。本文主要对商用空调控制器的实际线路以及相关电路情况进行分析，研究控制器产生电位差的原因以及对RS485通讯的影响。

关键词：RS485通讯；浮地；电位差；共地；共模电压；通讯隔离；

At present：the control system of commercial air-conditioner generally consists of internal unit, external unit, display and other components, and RS485 half duplex communication mode is used most among the controllers. In general, only a pair of two core twisted pairs are used between RS485 to connect A and B, but in actual engineering use, it is often necessary to connect the digital ground GND of the controller for normal communication. This paper mainly analyzes the actual circuit and related circuit of commercial air-conditioning controller, and studies the cause of potential difference of the controller and its influence on RS485 communication.

Key words: RS485 communication; Floating ground; Potential difference; Common land;Common mode voltage;Communication isolation;

一、RS485通讯共地的原因

商用空调一般采用220V或380V的电源制式，其控制器内部一般使用变压器或开关电源将其转换成12V、5V、3.3V等弱电电压，提供给温度、压力传感器，电子膨胀阀等部件使用，也包含RS485通讯电路、嵌入式主控芯片等元器件使用。其弱电电源的GND一般来说为浮地[1]状态，可以防止外来共模噪声对内部电子线路的干扰。但这种浮地状态由于其电路形式的影响，往往导致两个控制器的GND之间存在电压差。

如下图所示，典型的反激式开关电源电路使用高频变压器T1以及光耦U2B实现输出电源与输入电源之间的隔离，其强弱电间的耐压可达1000V以上。但由于高频变压器存在寄生电容存在，加上为解决EMI的问题，一般会在母线以及输出的GND之间增加Y电容C11。这两个电容会使交流电能够通过这个路径，使本应能够完全悬浮的GND与供电的火线、零线间产生交流电流，从而产生交流电压差。这也导致浮地设计的两个控制器之间一般会存在交流的电压差，特别是变频的空调机组，机组运行时会产生谐波，更容易通过电容，使控制器间的交流电压差会更大。

图1 PI公司的TOP26X系列反激式开关电源电路[2]

RS485通讯总线采用平衡发送和差分接收方式[2]实现两个或多个设备间的通讯，接收器识别A-B大于200mV即可识别为信号1，A-B小于-200mV识别为信号0。因此其抗共模干扰的能力较强，一般RS485收发器的共模电压范围为-7~+12V。一般情况下，两个控制器之间连接RS485通讯总线时只使用两芯的双绞线将A、B相连，如下图所示。

图2 RS485收发器间的连接示意图

当两个控制器之间GND存在电压差时，电流会通过两芯的通讯线传递，产生共模电流，促使两个控制器的GND电位差为零。RS485通讯电路中A、B之间常加的匹配电阻Rt只能起增大负载，减小回波反射的作用[3]，而无法减少因电压差导致的共模电流。

但是RS485收发器的输出驱动电流及接受短路电流均不高，一般极限仅为100mA左右，因此当控制器间电位差过大时，收发器难以完全消耗，会导致A、B对地的交流共模电压较高，这个电压可通过示波器测试A-GND以及B-GND测出。

如下图所示，中间较平整的波形为通讯时的波形，左右侧为空闲时候的波形。很明显可以看出，空闲时候的交流干扰比正常通讯时的幅值更大，这主要是因为RS485收发器在发送时的驱动短路电流要高于接收时的短路电流。这个空闲时的交流干扰一般为50Hz，而且由于有较达的高低电平，因此易于小于-7V，超出RS485收发器能够承受的共模电压范围。

图3 某空调机组内外机通讯波形

当此共模电压较大时，轻则导致通讯断续，重则导致RS485收发器无法工作，甚至烧毁。因此，在某些场景下需要在原有的两芯通讯线的基础上增加GND的连接，使两个控制器的电位差通过GND的连接线进行平衡，大幅减小两芯通讯线上的共模电压，保证通讯的质量。同一台机组将内外机的控制器共地后，通讯波形变成如下图所示，虽然仍有一些毛刺，但基本已不存在交流的共模干扰。更重要的是在空闲的时候，A-GND与B-GND的电平比较稳定，A-B的电压也更平稳的保持在5V左右，RS485收发器不容易触发数据的接受，对于软件程序的处理也不容易出现问题。

图4 某空调机组内外机通讯波形——共地后

二、什么情况下无需共地

如上文所述，通讯共地可以解决两个控制器间GND电位差不为零的问题，那是否所有的RS485通讯总线都应该使用3芯线相连呢？其实不然，只要确保控制器之间不存在电位差就可以不共地，以下列举了一些不需要共地的情况。

1、通讯电路中已使用隔离方案

一般而言，只要是控制系统中的干扰较强，如变频电机驱动板，均会将通讯电路设计成隔离的方案，使用光耦或隔离芯片将MCU与RS485收发器间进行隔离，由于直接切断了共模干扰的路径，能够彻底消除共模电压的影响。隔离型的RS485收发器的共模电压抑制能力可达25kV/us，远大于普通RS485收发器的-7~12V。

如下图所示，一般隔离的RS485通讯电路使用三个光耦分别将RXD、TXD、RE三个线路进行隔离，此外还需要提供两路隔离的电源才有效果。要注意的是这种电路中由于光耦的参数存在一定的波动范围，因此一般需要使用高速光耦。当使用普通光耦进行通讯隔离时，往往会因为光耦的（CTI电流传输比）的偏差，需要调节匹配电阻的参数。实际使用时往往要么通讯的低电平过高，要么波形畸变导致高电平脉宽变窄，单片机无法识别通讯数据，这种情况在高低温的情况下会更为严重。因此，一般情况下9600bps及以上波特率的场合下不建议使用普通光耦进行隔离。

图5 使用光耦隔离的RS485通讯电路

2、多个控制器共用一个弱电电源或已共地

部分大型的商用空调往往有多个控制模块，控制模块之间也常用通讯的方式交互数据，那是否意味着各个控制模块之间的通讯都需要共地呢？其实还是需要具体分析各个控制模块的电源情况。

如下某冷水机组的控制架构图所示，主控模块与显示模块、电子膨胀阀驱动模块间使用的是RS485通讯方式，整个控制系统的电源主要是通过主控模块的线性变压器以及其余模块的24V开关电源组成。

图6 某冷水机组控制架构示意图

首先，显示模块以及电子膨胀阀驱动模块由于共用了一个开关电源，只要其内部的电源没有做额外的隔离处理，则一般可认为两个模块间的GND处于同一个参考点，电位差仅会因为24V供电的线损产生，因此两者的通讯无需共地。再次，主控模块使用的是线性变压器，不是开关电源提供的电源，本应与显示模块、电子膨胀阀驱动模块间会产生电位差。但由于此冷水机组使用的两线制的压力、温度传感器，导致主控模块需要连接至开关电源的24-，使到三个模块之间统一了参考电平。

因此，主控模块、显示模块以及电子膨胀阀驱动模块之间的RS485通讯无需共地，使用两芯通讯线即可。当两个模块之间使用了三芯通讯线进行共地后，反而会形成环路电流（如本应是开关电源给电子膨胀阀驱动模块供电的电流，通讯共地后，会有一部分通过RS485通讯共地线经过主控模块以及24V-线路流回开关电源），使通讯线上产生了本不应存在的不稳定的电流，导致通讯变差。

3、其他情况

除此之外，一般RS485通讯电路会在A、B线上各增加一个上下拉电阻R上、R下，部分隔离RS485收发器甚至会自带上下拉电阻。上下拉电阻除了在空闲时候稳定A、B线上的电平，防止MCU误认为有数据进入接收中断外，还可以帮助吸收一部分的共模干扰信号，降低RS485收发器的共模电压。

但是要注意的是，该上下拉电阻选型太大，则不能起到应有的效果，选型太小，则会增加RS485收发器的驱动电流，降低A、B线上的电压。因此上下拉电阻需根据节点的数量以及控制器间的电位差进行调整，一般选型在1K到10K之间。而且为了避免多个节点都增加上下拉电阻而导致总电阻过小，一般只在上位机上增加这个电阻，下位机上则不增加此上下拉电阻，而是根据工程的实际应用情况进行增加匹配电阻R2，一般只在最远端的两处增加。

另外，当应用环境比较恶劣，如雷击、大功率变频、高压电等环境，一般会要求在通讯电路外增加TVS管，共模电感等器件，而这些器件也能够吸收共模电流或防止共模电压过高损坏RS485收发器。当控制系统中本身产生的干扰较小时，通过上下拉电阻以及EMI的防护器件已足够平衡控制模块间的电位差，则无需共地。

图7 隔离RS485收发器推荐应用电路[4]

三、结论

商用空调的控制系统中因各个控制器的电源不同以及干扰问题会产生电位差，使用RS485总线通讯时会因为电位差产生共模电流，轻则导致通讯断续，重则导致RS485收发器无法工作，甚至烧毁。因此一般需要在原来两芯通讯线的基础上增加共地线，以平衡控制器间的电位差。此外，在使用了隔离通讯方案、控制器间共用一路电源等情况下一般不需要额外的共地，具体需要根据实际情况进行分析。

参考文献：

[1] 丁小东，电子设备的接地和接地设计，电子机械工程，2001.02

[2] Power Integrations公司，TOP264-271系列规格书，2012.08

[3] 瑞萨电子株式会社，RS-485接口器件通信无故障偏置电路的原理和设计，今日电子，2018.09

[4] 广州致远电子有限公司，RSM485M收发器规格书，2017.06