列车RS-485总线组网应用的可靠性设计分析

侯春阳

（中车株洲电力机车研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

RS-485总线具有噪声抑制能力强、传输速率高、传输距离远、共模范围宽及简便易用等诸多优点，因此在列车控制系统中有着极为广泛的应用。运用RS-485总线进行组网时，由于网络节点和拓扑结构的不同，需要根据实际应用情况采取不同的措施以提高RS-485电路的信号质量，并提供可靠的保护机制。特别要考虑在运行环境恶劣、节点数多、分布距离远、电磁干扰大等不利因素的影响下，如何保证列车运行过程中通信的可靠性。本文重点从总线故障保护和瞬态防护等方面进行了电路的可靠性设计并加以分析和计算，最后通过试验和仿真进行了验证。

1 列车RS-485组网情况概述

列车通信网络多个节点以菊花链方式进行组网，通常采用半双工的模式进行通信，一般需要在RS-485网络的2个端节点各安装1个终端匹配电阻。然而进行单板设计时需要根据组网情况的不同，考虑串接电阻、终端匹配和偏置电阻的添加方式和计算方法。

RS-485总线的数据采用差分信号传输，这样不仅能提升信号的完整性，还能提高信号的抗干扰能力。RS-485标准规定了电气性能参数，差分电压的范围不小于200 mV。组网设计时需要考虑预留有一定的阈量，确保信号经过线缆和连接器后即使发生衰减也能在正常范围内。RS485总线能支持的节点个数和收发器的输入阻抗相关，标准要求接口的输入阻抗大于12 kΩ，对应节点个数最多为32个。不同的收发器能支持的传输速率不同，最高速率可以达10 Mbps。组网应用中传输线的长度与信号的速率成反比，同时传输速率还会受到光电耦合器的影响[1-3]。因此实际的信号传输速率可能会降低，组网设计选择收发器时需要保留一定阈量。

2 RS-485总线防护设计

列车控制系统在实际应用中经常会存在高频瞬态干扰，为了有效地保护信号不受其影响，需要增加一些ESD防护设计。图2为半双工通信方式下的RS-485接口电路框图，电路中的TVS管能够避免恶劣环境下雷击和静电等干扰产生的高压损坏RS-485收发器。通常在差分线上增加串联电阻R1和R2，可以吸收尖峰电压剩余的能量。正负线上分别增加上拉电阻R3和下拉电阻R4，可以起到故障保护的作用，提升通信的可靠性[4]。连接于正负线之间的电阻RT是终端匹配电阻，可以有效地减小信号的反射和噪声。

图1 RS-485接口电路框图

2.1 故障保护电路设计

故障保护是指总线在没有信号输入的情况下接收器具有呈现稳定状态的能力。有3种情况可能引起网络的故障[5]：1）开路。由于线路的暂停或者是收发器从总线上断开而造成的。2）短路。由于两对差分线之间的绝缘失败而造成的。3）空闲。当网络上没有任何一个驱动器工作时为空闲状态。

为解决这一问题，则需采取措施使总线空闲时接收器仍能检测到有效的高电平。虽然现在有些芯片已经内置了这一防护功能，但通常裕量有限，为确保系统的可靠性，须在总线上加装偏置电阻。实际应用中，由于上下拉电阻添加的位置、个数及大小不对，出现多节点通信不正常的情况。本文针对电路的等效模型进行分析和计算，分情况讨论不同应用情况下偏置电阻的添加方式。

RS-485网络的等效电路模型如图2所示，其中RT1、RFS和RIN分别代表终端电阻、偏置电阻和网络所有节点的等效输入阻抗。

图2 RS-485网络等效电路

RS-485标准规定了最大的共模负载（即最小的共模输入阻抗）是375 Ω，当网络有32个节点时，输入阻抗的值是12000÷32=375 Ω,所以RFS和RIN的并联值是375 Ω。在正常情况下，驱动器输出可看成2个偏置电阻串联后和终端并联。因此为了线路的阻抗匹配，它们的值必须和Z0相等，即

实际应用中偏置电阻可以放在网络的任何位置或分别放到网络中的多处节点。系统中，所有偏置电阻并联后的总阻抗必须等于或小于计算出的偏置要求值。

假如网络中有32个节点，并且在网络的两端都加入偏置电阻，则网络的等效电路如图3所示。

图3 RS-485网络等效电路

考虑到总线5%的噪声容限，通常将空闲状态的电平取250 mV，因此选用1.2 kΩ的偏置电阻。假如网络中有N个节点，并且在网络的每个都加入偏置电阻，则按每个节点添加偏置电阻可估算为722N Ω。

2.2 瞬态防护电路设计

在实际应用环境中常常会存在静电泄放(ESD)、电快速脉冲群(EFT)及浪涌(surge)3种瞬态干扰。为改善电磁兼容性能并能使产品通过测试，需为电路设计足够的瞬态防护能力。通常我们采用TVS管加串接小电阻的方式进行RS-485接口电路的瞬态防护[6]。

TVS管具有极快的响应时间和高达几千伏的瞬态电压防护能力，非常适合于RS-485多点网络的每个节点中，并且不会降低信号速率。串接电阻则用于消除TVS管钳位后的剩余能量，但它同时也会影响信号的传输速率及驱动器的差分输出电压。组网应用中有时会发生由于该串接小电阻的分压作用，输出的差分电压会有所下降，引起输出电压的范围不符合标准的规定，进而和第三方设备无法进行通信。可通过计算来分析串接电阻对差分输出电压的影响，从而选择合适的阻值。图4所示为点对点通信状态下通信线路的等效电路模型。

图4 RS-485点对点通信等效电路

Vdiff.out为发送器的差分输出电压，Vdiff.in为接收节点的差分输入电压，V1和V2分别为单端信号的电压，VT为发送器过电阻后的差分输出信号电压。RT1、RT2为2个终端电阻（120 Ω），R1、R2、R3、R4为电路中的4个串联电阻，RIN是接收节点的共模输入阻抗。RT1=RT2=RT，R1=R2=R3=R4=R。

由于RIN=12000 Ω ，IIN可以忽略不计，电路可以简化，如图5所示。

图5 简化的等效电路模型

由式（13）可以看出，VT的大小和串接电阻、偏置电阻及终端有关，随着串接电阻的增加而减小，随着偏置电阻的减小而增大。因此在组网设计和故障查询时，如果发现信号不满足标准范围，需要综合考虑串接电阻、偏置电阻及终端3个要素进行整改。

3 RS-485通信试验及仿真

3.1 RS-485通信测试

为了进一步验证理论分析的正确性和可行性，以2个通信单板为例，进行两路RS-485电路的相互收发通信试验。此通信单板的RS485电路中采用120 Ω的终端电阻、1.2 kΩ的偏置电阻。试验中设置通信的波特率为115 200 bps。

首先对空闲状态下RS-485电路的差分输出电压进行测试。如图6（a）所示，未加偏置电阻时AB线的差分电压为-120 mV。如图6（b）所示，增加了上拉电阻后的AB线的差分电压为242 mV。由此可见，未加上拉电阻前的输出电压处于不定态，通过添加上拉电阻使输出维持在大于200 mV的范围内，从而增加网络抵抗噪声的能力。

图6 RS-485电路空闲状态差分输出波形

接着通过在电路中添加不同阻值的串联电阻，测量输出电压，如表1所示。

由表1的内容可以看出，输出电压的理论值和实际测量值是一致的，当选择33 Ω的电阻时VT的低电平小于1.5 V，从而会引起网络潜在的故障。当电阻值减小时，输出电压上升，因此选择小于10 Ω的电阻可以实现可靠的通信，避免偶发的通信故障。

表1 不同串接电阻下的输出电压VT

3.2 RS-485通信仿真

本例中采用Cadence的PSpice仿真工具对RS-485电路进行通信仿真，仿真主要为了验证在不同节点和不同线缆长度的情况下通信波形的时域参数能否满足RS-485通信标准，比如高低电平、上升沿和下降沿时间等。PSpice作为业界知名的仿真工具，在原理图功能仿真方面除了具有直流分析、交流分析和瞬态分析等基本分析功能之外，还具有参数扫描、温度扫描、蒙特卡洛和最坏情况分析。本仿真中主要用到了瞬态分析和参数扫描仿真。

点对点情况下仿真电路设置5个参数，分别为R、Rcable、Lcable、Ct和pw，分别对应输出电阻、线缆等效电阻、线缆等效电感、线缆等效电容和输入波形占空比。设置输入信号为1 MHz，50%占空比，1 ns上升沿和下降沿的方波。设置参数为R=10、Rcable=0.1、Lcable=1 nH、Ct=3 pF仿真结果如图7所示。

图7 点对点通信仿真波形

为了验证电路容性负载对电路的影响，下面对线缆等效电容进行参数扫描仿真。参数扫描设置如图8所示，将电容从100～1000 pF进行线性变化。

图8 电容参数设置

从图9的仿真结果可以看出，线缆等效电容对波形的边沿有比较明显的影响，尤其是当电容值越来越大的时候，边沿会越来越缓慢。可见电路的容性负载过大会导致信号的上升下降时间增大，进而导致通信异常，当节点增多时影响更为明显。因此进行RS485总线组网时，应该注意线缆的分布电容，尽量选用分布电容较小的线缆进行组网。考虑到多节点应用需要增加许多TVS管进行瞬态防护，因此选择TVS 的时候需要考虑结电容的影响。

图9 线缆电容参数仿真

4 结语

本文重点讨论了组网应用过程中RS-485电路的设计要点。详细讨论了不同组网情况下故障保护和瞬态防护电路的设计，针对不同节点个数情况下偏置电阻和串接电阻的阻值进行理论计算。通过RS-485电路互联试验及仿真验证了理论分析的正确性。根据以上的分析结论，可以指导应用于列车的多节点的RS-485电路的组网和布线设计，排查和消除通信故障，实现准确可靠的数据传输。