杨宗军
（合肥阳光新能源科技有限公司 230000）
摘要：RS485作为差分总线通信结构，具有距离长，抗干扰强等特征，在工业领域广泛应用。在构建RS-485传输网络时，需要认真考虑接地问题，若接地设计不合理，整个网络的稳定性和安全性将受到影响。本文针对目前主要的几种接地方案进行对比分析，供不同场景下使用做参考。
关键词：RS485、差分总线、共模、接地、组网。
1分析背景
在构建RS-485传输网络时，需要认真考虑接地问题。如果接地设计不合理，整个网络的稳定性将受到影响，尤其是在工作环境比较恶劣和传输距离较远的情况下，接口器件的损坏率也会变高。
由于RS-485接口采用差分方式传输信号方式，并不需要相对于某个参照点来检测信号，系统只需检测两线之间的电位差就可以了。但收发器有一定的共模电压范围，RS-485为-7～+12V，只有满足上述条件，整个网络才能正常工作。当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠，甚至损坏接口器件。
下面，将对几种组网接地的方案进行分析：
2组网接地分析
2.1 无接地系统
这类系统类似于手持设备，本身对外是绝缘的，内部电路没有接地系统，对外通信只有AB两根信号线，如下图所示：
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图 1 无接地系统拓扑
这种连接最简单，在实际中也可以使用，但存在的隐患是共模问题。已知两个节点之间的电源系统是相互独立的，GND1与GND2不连接，两者有可能存在一个共模电压差。通信时，A节点相对于GND1发送的数据，在B节点相对于GND2就有可能超出共模范围。所以，一般这类应用都采用隔离电源， GND1和GND2之间电位相互浮动，相对来说压差不会很大，对通信没什么影响。
一个完全消除隐患的方法是将GND1与GND2互连，即让两个电源等电位。但不方便的是，需要多传输一个GND线，可能在现场不易实施。
另外，由于该电路没有接地系统，整个设备的电位相对于PE是浮动的，在带电热插拔接口的情况可能会触电。而且，由于没有地泄放回路，外界浪涌对设备的冲击会施加在内部隔离器件上，对内部电路的耐压、隔离等性能有要求。
2.2 直接接地系统
在一些系统设计中，为了确保接口电位相对人身处于安全范围内，人手触碰不带电，会将GND短接到PE端，降低系统对地的共模，如下图所示。
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图 2 直接接地系统拓扑
当发送器A向接收器B发送数据时，发送器A的输出共模电压为VOS，由于两个系统具有各自独立的接地系统，存在着地电位差VGPD。那么，接收器输入端的共模电压VCM就会达到VCM=VOS+VGPD。如果两地之间的共模电压差较大的话，轻则影响正常通信，重则损坏通信接口电路。该问题与情况A是一样的，只是GND被强制拉到不同的PE，电压差相对于浮动电源来说可能更大。不过，这种连接的优势就是消除了GND与PE的电势差，对人体安全。
2.3 多点接地系统
在系统布线时，一般除了互连AB线之外，还会将屏蔽线连接在机箱上，进而接入大地。由于多台设备不在同一处，每个设备都会接地，就产生了如下这种拓扑连接：
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图 3 多点接地系统拓扑
由于屏蔽线的存在，可以起到对外界干扰屏蔽的作用，但多点接地可能存在一定隐患。
假如PE之间存在电势差，通过屏蔽线短路两点电势，对于高阻型共模干扰，由于干扰源内阻大，短接后不会形成很大的接地环路电流，对通信不会有很大影响；当共模干扰源内阻较低时，会在接地线上形成较大的环路电流，影响正常通信。这种情况，无论GND与PE连接不连接，结果都是一样的。
由于是多点接地系统，可能保证人接触时处于安全电压范围。
2.4 单点接地系统
为避免上述的环流问题，一般会采用单点接地方案，即多个节点之间通过屏蔽线互连，直到最后一个节点再单点接地，示意图如下：
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图 4 单点接地系统拓扑
这种接法，一方面将地平面引入到屏蔽层中包裹着AB总线，可以起到很好的屏蔽作用，另一方面因为是单点接地，故不存在环流问题。
这种连接也需要面对地之间共模差的问题。如果PE之间存在较大的电势差，可能会导致在接线时，远端过来的屏蔽线和本地机壳之间打火，电压过高的话人体触碰会造成伤害，这是所有单点接地系统都可能存在的问题。
3结论
基于上述分析，RS-485网络尽管采用差分平衡传输方式，但在接地和屏蔽问题上仍存在一些问题，关键是各节点PE之间存在较大电势差时难以解决。
1、所有的单点接地系统，都面临人手接线触碰可能触电的问题，多点接地不存在该问题，但多点接地可能存在环流问题；
2、如果电势差很小，那么单点接地和多点接地差别不大，如果是电势差较大，那建议采用单点接地；
3、无接地系统将失去一部分的防护能力，当相应的消除了GDT打火等问题；
4、最本质的解决方式还是处理好PE之间的电势差。
多种接地方案当前在现场都有应用，没有哪一个方案是最佳的，最终是在现场根据需要进行折中选择。
【参考文献】
[1] The RS-485 Design Guide. TI. SLLA272B；
[2] RS-485电路实施指南.ADI. AN-960；
[3] 422和485标准概述和系统结构. TI. zhca028;
作者介绍：
杨宗军（1987.12.18），性别：男；籍贯：安徽合肥；民族：汉；学历：硕士研究生；职称：中级工程师；公司职务：高级硬件工程师；研究方向：功率变换器嵌入式硬件开发。