在RS485网络中使用隔离带来的性能好处

从工业控制系统到路边的交通信息通告板，RS485网络是各类应用进行通信的基础。在高压环境中，从人身安全和设备保护的角度出发，常常在通信总线到逻辑控制器之间进行电气隔离。

隔离对系统性能的正面影响远非保护其免受危险电压那么简单，但这点却总是被人们忽略，事实上，隔离可以使通信在严重地扰动和其它系统级噪声存在的情况下不间断、无差错。

目前市场上有不同厂商提供的隔离式RS485收发器。这些解决方案大多数提供数据隔离，不提供驱动总线接口所需的隔离电源。用户只好自己设计解决方案，但这需要笨重、昂贵的分立组件以形成隔离的DC/DC转换器。总体尺寸、成本、功耗或复杂性可能使设计师不敢在系统中使用隔离，而系统却可能从隔离中真正受益。

凌力尔特公司新的隔离器微型模块(Module)技术采用小型11.25mm x 15mm x 2.8mm表面贴装，提供一个完整的电源和数据隔离解决方案(图1)。LTM2881包含一个可靠的隔离式RS485收发器和一个隔离式DC-DC 转换器，能为总线接口电路和辅助电路提供高达1W的功率。这个微型模块收发器不需要外部组件，甚至去耦电容器和一个可电通断的网络终止电阻器也是内置的。对于为每个通信节点的RS485网络设计隔离来说，易于使用和小的占位面积使LTM2881比以往任何时候都更有吸引力。

图 1: 凌力尔特公司新的隔离器微型模块LTM2881。

本文将讨论在RS485网络中使用隔离带来的性能好处，指出可能受益于隔离的网络特性，解释为了最大化隔离系统的性能，如何在各种配线配置中进行权衡。

地与共模电压干扰

开发和标准化RS485，是为了在地电位差高达±7V的收发器之间实现通信。相对于任意节点的局部“地”，总线上的信号允许承担-7V至+12V的电压。这些地电位差由各种情况引起，包括大地地电位变化，或受负载影响的其它电路所共用的接地回路压降。

在有些情况下，没有直接联系的瞬态事件可能导致远超过±7V的地电位改变。这些情况有可能在接收数据中引入差错，或者更糟，去损坏收发器及有关的系统电路。恰当使用一个诸如凌力尔特LTM2881的隔离式收发器，可扩大所允许的共模电压范围(差分信号线路相对于地的平均电压)，并保护电路免受560V连续高压或持续60秒的3750VDC引起的损坏。当网络线路在建筑物之间经过时，间接的闪电冲击是常见的引起严重电压干扰的原因。瞬态电压抑制器(TVS)常常用来吸收非常高的瞬态电压，同时用隔离提供附加的保护。没有隔离，单次电压浪涌可能损坏一个网络上的所有设备。

多次重复的地和信号干扰，可能源自对邻近RS485总线配线的60Hz AC电源线的耦合，或者60Hz电流可能传导到共用地或电源线中。计算机、打印机、荧光灯、变速马达驱动器和其他的电子非线性负载也会将显著的频率谐波引入功率分配中线、接地线和通信网络线。正如下面的内容将显示的那样，这些干扰可能在 RS485网络中引起真实的数据差错，而隔离可以减轻这个问题。

发送数据不被接受

面向非隔离和隔离网络的RS485配线配置如图2所示。为了方便起见，该图显示了点到点单向通信，但是其中的理念也适用于多节点网络。图2a显示了一个用低成本5e类(Cat 5e)电缆实现的非隔离、无屏蔽双绞线连接。图3显示，在驱动100英尺电缆并在驱动器和接收器之间引入一个地电位差时，在这个网络上的多个点捕捉的示波器波形。波形的颜色对应于图2中探头位置的颜色。接收器输出端的所有信号都相对于大地的地电位测量。

图 2：RS485 配线配置

通道3(绿色)显示在DI引脚进入发送驱动器的数据信号，而通道4(红色)是来自远端收发器RO引脚的数据输出，这个输出应该跟随该数据输入，只是有传输延迟。

图3上部的黄色波形是在具有7V幅度(14VPP)的地电位之间引入的正弦波电压信号。通道2(蓝色)显示穿过 100英尺电缆后在接收器负输入端的“B”信号。叠加在大共模电压信号上的“B”端数字数据与这个大共模电压信号相比，几乎察觉不到。

图3显示出了很明显的差错。有两种因素导致数据丢失，这两种因素都与RS485接收器的有限共模抑制能力有关。首先，共模信号的高频分量(这里大约为1.2MHz)超过了大多数RS485接收器共模抑制的有效带宽；其次，提供给接收器的共模信号的幅度远超过允许的-7V至+12V范围。在这种情况下，在100英尺导线末端的信号幅度将达到±20V的峰值，尽管在近端引入激励的电压峰值仅为±7V。这种幅度峰值在网络配线的谐振频率上被最大限度地提高了。请注意，这不涉及总线的差分特性，就像是一条传输线，但这是与共模阻抗有关的