【避坑指南】产品批量后，发现大约有1%通信不良，深入理...

谷谷小师妹

【避坑指南】产品批量后，发现大约有1%通信不良，深入理解RS485的使能延迟和传输延迟



本文介绍RS485的使能延迟和传输延迟引发的通信故障，涉及软件和硬件领域，至少有90%的工程师都忽略，本文将深入探讨。

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问题描述

系统由一台HMI和一台PLC组成，两者通过RS485进行通信，在产品批量后，发现大约有1%的产品通信不良，主要表现是丢包，并且随着数据的速率提高，丢包越严重，现场已排查：1)  信号质量OK；2)  波特率误差在标准内，小于3%3)  驱动能力OK，没有发生信号畸变； 图1 ：系统通信图

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知识扫盲

RS485芯片的有两个重要的参数：使能延迟和传输延迟。我们知道RS485通信是半双工通信，因此同一时间只有一个方向可以传输数据，RS485芯片同一时间只能处于发送模式或者是接收模式，在空闲的时候，需要处于接收模式。方向的控制一般由软件进行控制较多。 图2：485 总线示意图
2.1 使能延迟

主芯片需要发送数据时，需要先发送DE/RE为高再发送数据信号D，但是由于RS485芯片原来处于接收模式，突然收到主芯片命令需要切换到发送模式，由于芯片内部的逻辑内部固有的延迟，切换需要时间。以TI的TI-SN65LBC184为例，见下图，图中意思是，将芯片的TX固定为3V，然后在DE、RE引脚上输入一个高电平，当输入上升50%后为基线，测量出输出A总线上电平到2.3V需要的时间，这个时间tPZH就是使能延迟。该芯片数值为3.5uS。换个说法就是，芯片从接收模式，切换到发送模式，需要经过3.5uS才能有驱动能力输出。如果换向后总线马上送出数据而不延迟，有3.5uS时间总线AB是没有驱动能力的，还是处于高阻状态，串口协议起始标志是TX由高到低跳变，如果不考虑改值，将会损失该占空比。

图3：手册对使能延迟和传输延迟的定义
2.2 传输延迟主芯片发送数据时，从TX上升到50%，测试输出A上升到50%需要的时间，就是传输延迟。该芯片的值是1.3uS。 图4：手册对使能延迟和传输延迟的定义

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原因分析

经过分析，主要原因是软件工程师忽略了芯片的使能延迟，数据发送太早。具体的理解如下。以TI的TI-SN65LBC184为例，芯片的使能延迟（切换时间）为3.5uS，软件以DE为基准，假设软件延迟1uS后再发数据，波特率为115200bps，一位低电平宽度为8.68uS，此时低电平损失为：3.5uS-1uS=2.5uS，损失率为2.5/8.68=28.8%，由于串口是以每一帧的起始位开始计时，这将会导致波特率误差出错，关于波特率误差，可以参考之前的文档《深入理解波特率误差》。使用示波器的余晖模式（知道余晖模式是什么意思的评论区互相发一发）经过实测，软件工程师发送数据比方向引脚延迟最短只有1uS，导致了第一位起始位的低电平脉宽严重不足，导致对方PLC采样起始位时候出现了偏差，这种情况会随着波特率的提高，脉宽损失率会越严重。 图5：数据发送太早，导致起始位损失

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解决方案

主要原因是由于软件工程师在配置方向DE和数据D之间的匹配上出现了问题，通过余晖模式可以看到，发送延时时间误差非常大，在1uS~10uS之间摇摆，如果延迟时间小于芯片要求的3.5US，就很有可能导致对方的设备采样低电平起始位出错。解决方案有2个：1)  更换使能延迟更小的RS485芯片，例如同时TI的芯片，TI-SN65LBC184的使能延迟是3.5uS，同系列的SN65LBC176A使能延迟只有22nS，基本可以做到无缝切换。2) 软件修改发送数据D延迟，并且延迟时间需要大于芯片要求的使能延迟，使用余晖模式观察1小时以上，不允许出现小于芯片使能延迟的情况。上述案例，将D比DE延迟到稳定的4us，通信不再出错。

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总结

上述问题由于时发送起始位时数据提早引起的问题，还有一种情况：数据帧发送结束后，方向DE切换为接收模式的时间也要考虑，如果方向比数据提早，最后一位数据将会无法发出去，如果方向比数据延迟太多，对方的设备收到数据后马上回复，会因为己方没有切换到接收模式而导致数据丢失。我们的建议是，针对发送结束后两者的配合条件是，发送结束后，方向DE和数据D延迟的时间T：0≤T＜8t，其中t为一位数据的宽度，如115200的t为8.68us。为何大于等于0即可，同样是因为有使能延迟的存在，从发送模式切换到接收模式，芯片也有延迟，例如TI-SN65LBC184是3.5uS。也就是即使数据和方向同步，也不用担心方向比数据早，至少会晚3.5us后才会切换到接收模式。当然有些芯片使能延迟非常小，是ns级别，此时可以考虑稍微增加1~2uS的延迟。为何需要小于10t，主要有两个原因考虑：一是大部分的方向DE都是软件控制，串口驱动在软件内部优先级较低，很难做到精准的时间控制，10t对软件要求较小，比较容易实现。二是RS485通信基本追求的不是速率，一问一答之间的回复时间并不是很快，对方收到数据后，对方的串口优先级也不是最高，收到数据后还需要进行处理，处理完成后才会回复数据。10t基本是一帧数据，目前还没有发现那个品牌的设备RS485的回复时间小于一帧数据需要的时间，也就是10t。当然，如果软件做到小于10t有难度，可以根据实际情况要求，但是肯定要小于1ms，否则兼容性将会很差。本文原创作者：创易栈啊甘，感谢啊甘的精彩分析！