RS485为何需要三线制？差分信号传输中的接地原理与实践
RS485为何需要三线制？差分信号传输中的接地原理与实践
RS-485是一种广泛应用的通信协议，其采用差分信号传输方式，具有较强的抗干扰能力和远距离通信能力。然而，尽管RS-485采用差分传输，为什么还需要地线？本文将从差分信号原理、电磁干扰分析到实际布线规范，为您详细解析这一问题。
差分信号与共模干扰
RS-485通信协议采用差分信号传输方式，即通过一对大小相等而极性相反的对称信号来传输有用信息。差分信号在接收端通过差分放大器检测，只对两路输入信号之间的差值起放大作用，而对两路输入信号共同对地的电位不起作用。这种传输方式能够有效抵抗外部干扰，因为干扰信号一般会同时作用在两根信号线上，形成共模信号，而差分放大器对共模信号不敏感。
然而，共模干扰问题不容忽视。RS-485收发器有一定的共模电压范围（-7V至+12V），当网络线路中共模电压超出此范围时，会影响通信的稳定可靠，甚至损坏接口。因此，RS-485网络需要一条低阻的信号地，将两个接口的工作地连接起来，使共模干扰电压被短路。
RS485接口接地的重要性
RS485接口通常包含A、B和GND三根线。虽然差分传输理论上不需要地线，但实际应用中不接地会带来两大隐患：
共模干扰问题：RS-485收发器对共模电压范围有要求，如果不接地，不同设备间的地电位差可能导致共模电压超出允许范围，影响通信稳定性。
EMI电磁兼容性问题：发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路，如果没有信号地这个低阻通道，信号中的共模部分会以辐射形式返回源端，导致电磁波辐射。
即使接地后，接口仍可能因雷击、电源波动等因素受损，因此建议采用磁隔离等保护措施。
电磁干扰源与传播途径
电磁干扰源可分为自然干扰源和人为干扰源两大类。人为干扰源又可分为有意发射干扰源和无意发射干扰源。从干扰属性来看，可分为功能型和非功能性干扰源；从频谱宽度来看，可分为宽带干扰源和窄带干扰源；从频率范围来看，可分为工频与音频干扰源、甚低频干扰源、射频及视频干扰源等。
电磁干扰传播途径主要有两种：传导耦合和辐射耦合。传导传输需要完整的电路连接，而辐射传输则通过电磁波形式传播。
接地的分类与作用
接地在电力系统和电气设备中扮演着重要角色，主要分为以下几类：
- 工作接地：保证电力系统和设备的可靠运行。
- 保护接地：防止电气设备金属外壳带电造成人身触电事故。
- 防静电接地：防止静电积累引发火灾或爆炸。
- 防雷及防过电压接地：保护设备免受雷击或过电压损害。
- 屏蔽接地：减少电磁干扰对设备的影响。
RS485通讯的正确接线方式
RS485采用平衡发送和差分接收方式实现通信，最大通信距离约为1219米，最大传输速率为10Mbps。RS485总线网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，支持多点数据通信。在布线时需要注意以下规范：
- 485信号线不可与电源线一同走线，以避免强电干扰。
- 可使用屏蔽线或非屏蔽双绞线，利用差分传输原理抵抗外部干扰。
- 建议使用标准的485线，其为屏蔽双绞线，传输线由多股铜丝绞合而成，可靠性更高。
- 借助485集线器和中继器可实现星型或树形布线，但需避免直接布设成星型连接和树形连接，以防信号反射。
- 485总线必须单点可靠接地，以保持地线电压一致，防止共模干扰。
通过遵循这些规范，可以确保RS485通信系统的稳定性和可靠性。