RS-485网络通信的无极性接线设计

RS-485网络通信的无极性接线设计

殷振东

西安中核核仪器股份有限公司  陕西 710061

摘要：RS-485通讯由于具有数据传输时间长、抗干扰能力好、电缆接头简便的优点，在分布式系统的通讯中得到普遍采用。提供在RS-485中，模块能够接受任何极性直流电源的总线信息的设计方式。这种技术可以实现通信接收器或直流电源线路在运输路上任意极性续接，容忍配线安装时的反接误差，使设备安装极为简便。本文就RS-485网络通信的无极性接线展开研究与设计。

关键字：RS-485；网络通信；无极性接线

RS-485也是工业控制系统中使用最广泛的通信标准之一。两条数据线可以通过平衡传输和差分接收实现数据通信，但数据线极性不同，给连接和使用带来很多困难。在RS-485网络上，带标签的双绞线也可以用作标准接收器，以防止连接错误。当网络传输间隔较长或者节点数量过多时，由于电缆上可能有多个连接盒，在传输过程中非常容易出现信号线反接，导致信号无法正常传输。另外，日常生活中，室内网络线路通常设置在PVC线槽或墙壁中；室外线路是架空或地下的，很难发现和纠正与线路的反接。基于以上原因，RS-485无极性连接方式的实现，不仅可以方便安装，还可以在途中进行无极性随机连接，从而降低调试成本，更快捷方便地建立通信链路，更有利于通信网络的扩展。

一、RS-485通信过程及信号的描述

RS-485是一个串行的通讯标准。收发端电脑或单片机将系统中所传输的并行信息，由异步收发单元(UART)转发成串联式信息，然后再由485电平变换器件把TTL信息数变换成RS-485的信号数，再经过数据接口后发送给受电终端，由收发终端再经过反向变换后进行通讯。但在一些由单片机组成的RS-485通信设备中，可能没有专门的UART，而是用软件来实现串并行信号之间的转换。在一些由计算机组成的通信设备上，可能需要使用安装在计算机上的RS-232串口，需额外的适配器在RS-232和RS-485之间进行切换。但上述方法都无法改善双极性连接的RS-485设备的功能。因此，接下来重点研究线路极性的确定与校正，具体线路模式在图1中显示。对于RS-485多点通信，图中信号线可演化成总线，其他通信节点连接到总线上。

图1 RS-485点对点方式通信

异步串行通讯的特性为:当通信电路上没有数据后，电路上处于逻辑状态;当数据出现后，发送低电压有效的起始位;在从接收端采样的输电线，将路上的信息从逻辑一状态转为逻辑零状态之后，再移动单芯片，重新接受从后面传输的数据信息。由此可知，正确的接收起始位置是保证成功接收信息的重要基础，但若此时差分传输线极性反转，接收到的信息就可能因同步不正确而失真，进而传输失败。因此，如果发送端口在连接错误的信号线后不能接收到正确的起始定位信息，则接收到的逻辑数据是反向的。因此，应该要根据RS-485通信设备的设计原理和特点，选择最合适的方式来校正极性。

二、设置 RS-485网络通信线极性检查功能

在主从分布式系统中，设置RS-485通信线路极性检测模块，即可和其他的通信方法组合应用。由于在通信系统中的特定时间，一个主模块可以和一个从模块进行通讯，所以不需要再去从模块检测通信线路的极性是否接反。因此，主控模块发送检测通讯线路极性的指令，并通过广播系统发送给从模块。在从模块内部，可由一定的模块程序收到。一旦收到正确，可以用某种方法得到；若无反应，则认为是通讯线极性接反，然后可以进行换位。目前，在测控系统的应用中，从模块一般采用接线端子，所以调整接线并不难。但若换位后依然无反应，可能是RS-485网络的通信线路在某处断了，需其他相应的检查才能解决。另外，具有该种检查功能的模块也能在之后使用后隔一段时间检查通信线路，能通过人工干预或定时进行。但该种方法有一个缺点，需有人观察从模块的相应指令，然后进行调整。

三、RS-485的无极性接线设计

2.1 硬件判断、手工修正方法

当RS- 485处于空闲状态时，由于线路上的驱动器均处在高阻状态，线路状态并不确定。为在空闲状况下处于一定的逻辑状态，需要重新设计RS-485通讯系统时，A端与B端之间采用偏置电阻串联到固定的输入输出电平上，即A端接地，B端接电源，接收模块的A端处于相对稳定的低电平。但该方法只适用电路中没有匹配电阻的情况，电路应保持空闲状态。(见图2)。

图2 RS-485电路典型连接

在一些应用中为防止信号反射接入匹配电阻，比如图中的R1，典型的参数是两个偏置电阻为560Ω，匹配电阻为120Ω，以保证A和B之间有200mV的电压差。此时UA和UB在2.5 V左右，LED无法确定极性，在这种情况下，可以在调试过程中切断匹配电流，等LED确定极性后再将对应电流重新接通。以上两种情况也可以通过空载情况下测试电路的A、B端的电压差来判断，电位最高的一端为B端，但必须注意，如果A、B端的电流差较小，特别是线路较长时，容易造成干扰，影响判断。如果采用以上两种方法确定误差，系统可以自动校正连线，确保连线正确。自动调整模块和接收模块的总线一般采用四位拨号连接开关。

2.2软件的判断和自动校正方法

(1)需使用通信协议来检测连接问题，在通信协议中，主机指定测试信号、同步消息和握手信号，并在接收到来自主机的信号时做出响应。但如果没有响应，主机会根据连接问题或线缆故障自动改变连接极性生成检测信号，并利用该技术检测连接问题。当发现错误时，自动改变连接线极性的方法实际上是直接改变DPDT开关的方向，这是利用继电器、循环状态模拟开关和电子开关来完成的。

(2)在RS-485多点通信方式中的数据通信中，如需从机响应主机的握手信息、同步信号或点名数据时，可通过对从机的反馈确定连接的准确。但在多点通信时，有些从机连线正常，但也有些从机连线错误，甚至改变主机的极性都不能解决问题，所以最后的结果便是改变了从机的连线极性。虽然如此，但从机还是可以判断连线极性是否正常：①通过定时触发手段实现的通信，然后每次从机都在自己所约定的时间片内完成沟通，这样，如果从机在一定时期内不能接收到同步信息，就将试图更改其的极性或改善极性。②主机将发出与测试信息一致的字符。因此，可以在硬件异步收发器(UART)的串口中，将“10101010”捕获信息的下沿，作为起始信号进行接受。若从机接地不对，它也将接受乱码。所以可以从机尝试更改极性连接，更改极性的方式如上。

(3)由于RS-485通讯系统采用异步串口，因此，通信设备不采用UART，而是采用软件异步串行通信的方法。当设备接收到乱码时，如果判断可能是由于连接极性问题，可以考虑如下修改:以采集信号作为初始延迟，然后设备就可以接收到所有非数据，这样设备就可以进行数据的双极传输，不需要额外的硬件开销。

四、结束语

硬件检测和纠正的方式一般要求施工和测试人员通过RS-485通信，并由人员直接参与施工和测试工作;而软件检测和自动纠正的方式则必须在使用协议中进行测试，所以要求相应的硬件支持。转变成用其他编码方式进行自由通信的模式需要额外的硬件装置，对用户来说这是很简单的事。但总之，如果在设计时提前充分考虑了RS-485通信的接口稳定性问题，并且做好了适当的保护，将会为使用、调整和应用提供极大的便利。

参考文献：

[1]吴强, 周小芳. RS-485网络通信的无极性接线设计[J]. 电子工程师, 2005, 31(12):2.

[2]高勇华, 李伟杰, 吴秋惠,等. 一种兼容网络,RS485接口的通信线:, 2020.