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1、RS485系统的失效保护 RS485系统的失效保护在偶然或意外因素造成RS485网络开路或短路时，系统将产生不可预知的错误。为了防止这类问题，可采用多种方式使RS485系统具有“失效保护”功能，即保证RS485接收器在发生开路或短路情况下总是输出“逻辑1”高电平。对于未采取失效保护的RS485网络，由于发送器关闭后，其输出呈高阻状态，因此，在总线上的RS485发送器全部关闭后，将会出现一些问题。由于总线上没有驱动时的电压为0V，而0V输入电压刚好处于接收器的未定义门限区域(UTR)：200mV200mV，因此，可能造成接收器输出状态的不可预测，从而使RS485接收器在受到外部干扰时可能产生一个
2、由高电平到低电平的跳变，接收方CPU的UART会将该跳变误解为一个指令起始位。这样，到发送器真正开始传送数据时，接收器的UART又把真正的发送起始位误解为数据比特位，而导致通讯错误。多种线路故障都可能导致上述错误的发生。比如线路老化、双绞线偶尔发生短路或开路故障、受到外力作用(如拉断或砍断、出现开路故障)等。双线的RS 485线路故障可能为下列3种情况之一：只断了一根线、两根线全断、两根线短路。无论发生哪种故障其结果都是相同的，即差动接收器的输入电压为零或在零电压附近的小范围波动，最后落入UTR区域，而使接收器输出状态不确定。但线路中是否加有匹配电阻，对这些故障产生的结果不尽相同。1 RS48
3、5接收器输出状态的影响在许多异步通信系统中，线驱动器发送的第一比特位为指令发送起始位，RS485 接收器必须根据该第一比特位的边沿跳变产生相应的状态改变，从而正确地恢复原始信号。否则，一旦接收器未接收到起始位跳变信息，RS485接收器驱动的 UART检测到的信号将与实际发送的信号不同步，从而使接收到的信号不能复原，即产生通讯误码。许多通信系统规定，第一个从高到低的跃变为发送起始位，而最后一个由低到高的跃变为指令发送停止位。而当总线发生故障使RS485的接收器输入一直被拉低时，CPU的UART常常处于空闲模式，以等待指令发送停止位，从而不能检测或判断系统总线此时是否发生通信故障。2 不带输入失效
4、保护功能的RS485对于未加外部匹配电阻的RS485系统，当其发生故障时，接收器的输出状态通常使得RS485发送器不会将两条传输线的任何一条驱动至地电位。而当一条传输线开路时，由于接收器内部12k终端电阻的作用，开路线的电压为0V。此时，接收器RO的输出状态与具体是哪条线开路有关(A或B)。如果是同相输入端(A)发生开路，由于B端电位高于A端(0V)，RO将输出逻辑“0”，但是，如果此时发送将B端电压驱动至地电位的200mV以内，则A、B两端的电压差将落在UTR区域，而使RO的输出状态不可预测。反之，当B线发生开路时，接收器将输出逻辑“1“电平，除非A线电压低于200mV。当A、B线均开路或总
5、线上所有发送器均关闭时，由于接收器内部终端电阻的作用，接收器A、B端输入电压相同，电位差落入UTR区域，接收器输出状态不可预测。同样，当发生A、B线短路时，A、B端输入电压也相等，接收器的输出状态同样不能预测。外部线路有匹配电阻的RS485网络如图1所示，由于匹配电阻通常为200或更小，因而在发生单根总线开路时，该匹配电阻将可能把开路线与未开路线仍然连接在一起，以在接收器输入端产生0V的差动输入电压，从而导致输出状态不可预测。当发生两根总线同时开路或所有发送器全部关闭时，该外部匹配电阻会使A、B端电位相同，而且由于接收器内部终端电阻的作用，其电压均为0V，接收器差动输入电压也为0V，从而使接收
6、器输出状态不确定。当线路发生短路故障时，外部匹配电阻不起任何作用，但0V的输入差动电压将导致接收器输出状态不可预知。 3 外加失效保护的RS485接收器 现在已有多种新颖的失效保护方案。对于线路已加终端匹配的电阻网络，目前广泛采用的一种办法是对A、B端提供外部偏置电路，以保证当线路发生开路故障时，A端电压始终比B端电压高。偏置电路如图2所示，偏置电阻的选择无严格要求，只要保证A、B端电压差大于200mV即可，这样，就能使接收器保证在开路故障时输出逻辑“1”。但是，图2电路有一明显的缺陷，即传输线不再是隔离的，且从接收器电源端到地之间会形成一条电流通路，并会产生恒定的功率消耗，这对于电池供电的系
7、统或设备是无法接受的。4内置失效保护电路的RS485最早内置失效保护电路的RS485接收器(如MAX485)，在无终端匹配电阻的网络发生两根总线均开路的故障时，接收器可以保证输出逻辑“1”。 MAX485接收器内部有一个上拉电阻可连接在A端和VCC之间(如图3所示)，由于该上拉电阻比接收器输出电阻大1020倍，因而对接收器的输入阻抗影响很小或忽略不计，这种接收器就是所谓的第一代具有失效故障保护功能的RS485接收器。从图3可以看出：当A、B线都断开或总线上所有发送均关闭时，由于上拉电阻的作用，A、B端将产生至少200mV的压差，从而可保证接收器输出为逻辑“1”。然而，该方案并不能保证在发生上述
8、线路故障时都有效。假设只有A线开路，B线未断开，则接收器输出是不可预测的，因为即使A线电平由于上拉电阻作用产生大于200mV电压，但由于发送器仍在不断发送数据，B线电平可能为0V或高电平输出。而只有B线为低电平或0V时，接收才能输出逻辑“1”，这实际上无法满足实际应用的要求。如果只有B线发生开路故障，此时的接收器与普通接收器并无区别，其输出通常为逻辑“1”，如果此时A端输入为0V电压，则接收器输出将不确定。如果A、B线发生短路故障，接收器输出仍不可预测。对于终端匹配网络，由于内部上拉电阻远远大于匹配电阻，该上拉电阻在系统发生线路故障时无任何作用。继MAX485之后，美国国家半导体公司采用不同门
9、限的方法，开发了完备的失效保护RS485接收器，即所谓的第二代失效保护接收器。而RS485总线标准定义200mV为接收器差动输入门限(VAVB)，并以此判断有效逻辑电平输出，因此，如果差动接收电压落在200mV范围之内，接收器输出状态将不可预测。如图4所示，由于第二代接收器采取不同的0V500mV门限电平，因此对于所有正的差动输入电压，接收器都输出逻辑“1”，而超出500mV差动输入电压，则输出逻辑“0”。这样，对于终端匹配网络而言，发生上述所有故障，接收器都能输出逻辑“1”，因为这些线路故障发生时，接收器输入的差动电压总是0V。对于未接终端匹配电阻的网络，当发生双线开路故障时，接收器差动输入
10、电压为0V，输出为逻辑“1”。而只有B线断开时，由于B端电压为0V，而差动输入电压通常为正电压，接收器通常也输出逻辑“1”。然而，如果只有A线开路，接收器输出状态则会变为逻辑“0”，这是由于内部下拉电阻的作用，A端输入电压将是0V，而B端电压通常为正电压。由此可见进行了第二代接收器在第一代接收器的基础上已有许多改善，因而在实际应用中被广泛采用。 通过上述分析可以看出：第二代接收器主要有三个问题，且都与(500mV0V)门限电平有关。首先，500mV门限不能满足RS485规范( 200mV)；其次，由于0V电平包含在UTR内，这样，如果接收器差动输入电压刚好为0V，就不能保证其输出一定为逻辑“1
11、”；500mV的差动接收门限会限制通信速率，且可能导致高速有效信号不能被正确接收。因此，虽然第二代接收器比第一代产品有很大改进，但不能完全解决上述故障中存在的问题，故需进一步改进，这就促使开发商开始了对第三代接收器的研制。 1996年，Maxim公司开发出了MAX3080系列产品，它们属于第三代RS485接收器。第三代产品与第二代产品类似，同样采用负电压门限，但范围不同，为50mV200mV，从而解决了第二代产品中存在的问题。首先，低电平门限200mV与RS485标准一致；其次，高电平门限50mV又把0V电平排除在UTR区域；第三，正是由于其UTR的 200mV门限遵从RS485标准，不会限制
12、RS485标准的通讯速率。因此，第三代产品MAX3080系列产品为全面解决RS485总线的失效保护提供了有效途径。 表1列出了各种线路故障条件下，接收器差动输入电压的变化以及各种类型接收器逻辑输出状态的比较。该表简单总结了第三代接收器相对于其它类型接收器的优点。5 总结 多年来，设计人员一直在寻求一种廉价、可靠的方案以保证RS485总线在发生线路故障时，接收器输出状态能保证为确定的逻辑“1”。其中一些方案是通过增加外部元件或智能控制器(CPU，MCU， DSP等)来实现的，这样会提高系统成本；通过增加上拉、下拉偏置电阻会增大系统的功率消耗；还有一些方案只是解决了部分问题；而第三代RS485接收
13、器 (MAX3080系列产品)则提供了一种简单、廉价、可靠的低功耗解决方案。一、RS-232、RS-422与RS-485的由来RS-232、RS-422与RS-485都是串行数据接口标准，最初都是由电子工业协会（EIA）制订并发布的，RS-232在1962年发布，命名为EIA-232-E，作为工业标准，以保证不同厂家产品之间的兼容。RS-422由RS-232发展而来，它是为弥补RS-232之不足而提出的。为改进RS-232通信距离短、速率低的缺点，RS-422定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到10Mb/s，传输距离延长到4000英尺（速率低于100kb/s时），并允许在一条平衡总线上连接
14、最多10个接收器。RS-422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范，被命名为TIA/EIA-422-A标准。为扩展应用范围，EIA又于1983年在RS-422基础上制定了RS-485标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，后命名为TIA/EIA-485-A标准。由于EIA提出的建议标准都是以“RS”作为前缀，所以在通讯工业领域，仍然习惯将上述标准以RS作前缀称谓。RS-232、RS-422与RS-485标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信
15、协议。因此在视频界的应用，许多厂家都建立了一套高层通信协议，或公开或厂家独家使用。如录像机厂家中的Sony与松下对录像机的RS-422控制协议是有差异的，视频服务器上的控制协议则更多了，如Louth、Odetis协议是公开的，而ProLINK则是基于Profile上的。二、RS-232串行接口标准目前RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。RS-232被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。RS-232采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。收、发端的数据信号是相对于信号地，如从DTE设备发出的数据在使用DB25连接器时是2脚相对7脚（信号地）的电平，DB25各引脚定义参见图1。典型的RS-232信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在+5+15V，负电平在-5-15V电平。当无数据传输时，线上为TTL，从开始传送数据到结束，线上电平从TTL电平到RS-232 电平再返回TTL电平。接收器典型的工作电平在+3+12V与-3-12V。由于发送电平与接收电平的差仅为2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大为约15米，最高速率为20kb/s。RS-232是为点对点（即只用一对收、发设备）通讯而设计的，其驱动器负载为37k。所以RS-232适合本地设备之间的通信。其有关电气参数参见表1。
