RS485基本知識介紹 RS485常用電路設計

一、RS485基本知識

RS-485接口芯片已廣泛應用于工業控制、儀器、儀表、多媒體網絡、機電一體化產品等諸多領域?？捎糜?a href="http://www.qd573.com/tags/rs/" target="_blank">RS-485接口的芯片種類也越來越多。如何在種類繁多的接口芯片中找到最合適的芯片，是擺在每一個使用者面前的一個問題。RS-485接口在不同的使用場合，對芯片的要求和使用方法也有所不同。使用者在芯片的選型和電路的設計上應考慮哪些因素，由于某些芯片的固有特性，通信中有些故障甚至還需要在軟件上作相應調整，如此等等。希望本文對解決RS-485接口的某些常見問題有所幫助。

1RS-485接口標準

傳輸方式：差分

傳輸介質：雙絞線

標準節點數：32

最遠通信距離：1200m 共模電壓最大、最小值：+12V；-7V

差分輸入范圍：-7V～+12V

接收器輸入靈敏度：±200mV

接收器輸入阻抗：≥12kΩ

2節點數及半雙工和全雙工通信

2.1 節點數

所謂節點數，即每個RS-485接口芯片的驅動器能驅動多少個標準RS-485負載。根據規定，標準RS-485接口的輸入阻抗為≥12kΩ，相應的標準驅動節點數為32。為適應更多節點的通信場合，有些芯片的輸入阻抗設計成1/2負載（≥24kΩ）、1/4負載（≥48kΩ）甚至1/8負載（≥96kΩ），相應的節點數可增加到64、128和256。表1為一些常見芯片的節點數。

表1

2.2 半雙工和全雙工

RS-485接口可連接成半雙工和全雙工兩種通信方式。半雙工通信的芯片有SN75176、SN75276、SN75LBC184、MAX485、MAX 1487、MAX3082、MAX1483等；

全雙工通信的芯片有SN75179、SN75180、MAX488~MAX491、MAX1482等。

（a）半雙工通信電路

（b）全雙工通信電路

3應用中的常見問題

3.1 抗雷擊和抗靜電沖擊

RS-485接口芯片在使用、焊接或設備的運輸途中都有可能受到靜電的沖擊而損壞。在傳輸線架設于戶外的使用場合，接口芯片乃至整個系統還有可能遭致雷電的襲擊。選用抗靜電或抗雷擊的芯片可有效避免此類損失，常見的芯片有MAX485E、MAX487E、MAX1487E等。特別值得一提的是SN75LBC184，它不但能抗雷電的沖擊而且能承受高達8kV的靜電放電沖擊，是目前市場上不可多得的一款產品。

3.2 限斜率驅動

由于信號在傳輸過程中會產生電磁干擾和終端反射，使有效信號和無效信號在傳輸線上相互迭加，嚴重時會使通信無法正常進行。為解決這一問題，某些芯片的驅動器設計成限斜率方式，使輸出信號邊沿不要過陡，以不致于在傳輸線上產生過多的高頻分量，從而有效地扼制干擾的產生。如MAX487、SN75LBC184等都具有此功能。

3.3 故障保護

故障保護技術是近兩年產生的，一些新的RS-485芯片都采用了此項技術，如SN75276、MAX3080~MAX3089。什么是故障保護，為什么要有故障保護，如果沒有故障保護會產生什么后果？

眾所周知，RS-485接口采用的是一種差分傳輸方式，各節點之間的通信都是通過一對（半雙工）或兩對（全雙工）雙絞線作為傳輸介質。根據RS-485的標準規定，接收器的接收靈敏度為±200mV，即接收端的差分電壓大于、等于+200 mV時，接收器輸出為高電平；小于、等于-200mV時，接收器輸出為低電平；介于±200mV之間時，接收器輸出為不確定狀態。在總線空閑即傳輸線上所有節點都為接收狀態以及在傳輸線開路或短路故障時，若不采取特殊措施，則接收器可能輸出高電平也可能輸出低電平。一旦某個節點的接收器產生低電平就會使串行接收器（UART）找不到起始位，從而引起通信異常，解決此類問題的方法有兩種：

（1）使用帶故障保護的芯片，它會在總線開路、短路和空閑情況下，使接收器的輸出為高電平。確?？偩€空閑、短路時接收器輸出高電平是由改變接收器輸入門限來實現的。例如，MAX3080～MAX 3089輸入靈敏度為-50mV/-200mV，即差分接收器輸入電壓UA－B≥-50mV時，接收器輸出邏輯高電平；如果UA－B≤-200mV，則輸出邏輯低電平。當接收器輸入端總線短路或總線上所有發送器被禁止時，接收器差分輸入端為0V，從而使接收器輸出高電平。同理，SN75276的靈敏度為0mV/-300mV，因而達到故障保護的目的。

（2）若使用不帶故障保護的芯片，如SN75176、MAX1487等時，可在軟件上作一些處理，從而避免通信異常。即在進入正常的數據通信之前，由主機預先將總線驅動為大于+200mV，并保持一段時間，使所有節點的接收器產生高電平輸出。這樣，在發出有效數據時，所有接收器能夠正確地接收到起始位，進而接收到完整的數據。

3.4 光電隔離

在某些工業控制領域，由于現場情況十分復雜，充分考慮現場的復雜環境，在電路設計中注意了以下三個問題。

二、RS485應用設計

1SN75176 485芯片DE控制端的設計

由于應用系統中，主機與分機相隔較遠，通信線路的總長度往往超過400米，而分機系統上電或復位又常常不在同一個時刻完成。如果在此時某個75176的DE端電位為“１”，那么它的485總線輸出將會處于發送狀態，也就是占用了通信總線，這樣其它的分機就無法與主機進行通信。這種情況尤其表現在某個分機出現異常情況下（死機），會使整個系統通信崩潰。因此在電路設計時，應保證系統上電復位時75176的DE端電位為“0”。由于8031在復位期間，I/O口輸出高電平，故圖2電路的接法有效地解決復位期間分機“咬”總線的問題。

2 隔離光耦電路的參數選取

在應用系統中，由于要對現場情況進行實時監控及響應，通信數據的波特率往往做得較高（通常都在4800波特以上）。限制通信波特率提高的“瓶頸”，并不是現場的導線（現場施工一般使用5類非屏蔽的雙絞線），而是在與單片機系統進行信號隔離的光耦電路上。此處采用TIL117。電路設計中可以考慮采用高速光耦，如6N137、6N136等芯片，也可以優化普通光耦電路參數的設計，使之能工作在最佳狀態。例如：電阻R2、R3如果選取得較大，將會使光耦的發光管由截止進入飽和變得較慢；如果選取得過小，退出飽和也會很慢，所以這兩只電阻的數值要精心選取，不同型號的光耦及驅動電路使得這兩個電阻的數值略有差異，這一點在電路設計中要特別慎重，不能隨意，通?？梢杂蓪嶒瀬矶?。

3 485總線輸出電路部分的設計

輸出電路的設計要充分考慮到線路上的各種干擾及線路特性阻抗的匹配。由于工程環境比較復雜，現場常有各種形式的干擾源，所以485總線的傳輸端一定要加有保護措施。在電路設計中采用穩壓管D1、D2組成的吸收回路，也可以選用能夠抗浪涌的TVS瞬態雜波抑制器件，或者直接選用能抗雷擊的485芯片（如SN75LBC184等）。

考慮到線路的特殊情況（如某一臺分機的485芯片被擊穿短路），為防止總線中其它分機的通信受到影響，在75176的485信號輸出端串聯了兩個20Ω的電阻R10、R11。這樣本機的硬件故障就不會使整個總線的通信受到影響。

在應用系統工程的現場施工中，由于通信載體是雙絞線，它的特性阻抗為120Ω左右，所以線路設計時，在RS-485網絡傳輸線的始端和末端各應接1只120Ω的匹配電阻（如圖1中R8），以減少線路上傳輸信號的反射。

由于RS-485芯片的特性，接收器的檢測靈敏度為± 200mV，即差分輸入端VA－VB ≥+200mV，輸出邏輯1，VA－VB ≤－200mV，輸出邏輯0；而A、B端電位差的絕對值小于200mV時，輸出為不確定。如果在總線上所有發送器被禁止時，接收器輸出邏輯0，這會誤認為通信幀的起始引起工作不正常。解決這個問題的辦法是人為地使A端電位高于B兩端電位，這樣RXD的電平在485總線不發送期間（總線懸浮時）呈現唯一的高電平，8031單片機就不會被誤中斷而收到亂字符。通過在485電路的A、B輸出端加接上拉、下拉電阻R7、R9，即可很好地解決這個問題。

圖1 RS485應用典型電路

三、軟件的編程

485芯片的軟件編程對產品的可靠性也有很大影響。由于485總線是異步半雙工的通信總線，在某一個時刻，總線只可能呈現一種狀態，所以這種方式一般適用于主機對分機的查詢方式通信，總線上必然有一臺始終處于主機地位的設備在巡檢其它的分機，所以需要制定一套合理的通信協議來協調總線的分時共用。這里采用的是數據包通信方式。通信數據是成幀成包發送的，每包數據都有引導碼、長度碼、地址碼、命令碼、內容、校驗碼等部分組成。
其中引導碼是用于同步每一包數據的引導頭；長度碼是這一包數據的總長度；命令碼是主機對分機（或分機應答主機）的控制命令；地址碼是分機的本機地址號；“內容”是這一包數據里的各種信息；校驗碼是這一包數據的校驗標志，可以采用奇偶校驗、和校驗等不同的方式。

在485芯片的通信中，尤其要注意對485控制端DE的軟件編程。為了可靠的工作，在485總線狀態切換時需要做適當延時，再進行數據的收發。具體的做法是在數據發送狀態下，先將控制端置“1”，延時1ms左右的時間，再發送有效的數據，一包數據發送結束后再延時1ms后，將控制端置“0”。這樣的處理會使總線在狀態切換時，有一個穩定的工作過程。

三種常用電路如下：

1、基本的RS485電路

上圖是最基本的RS485電路，R/D為低電平時，發送禁止，接收有效；R/D為高電平時，則發送有效，接收截止。通過軟件控制SP485R的收發模式。在主從模式下，主機發送完命令后，應該立即拉低R/D,處于接收模式；而同時處于從機的設備，一班處于接收狀態，只有收到發給自己的命令后且需要應答的，才拉高R/D，進行發送。

上拉電阻R7和下拉電阻R8，用于保證無連接的SP485R芯片處于空閑狀態，提供網絡失效保護，提高RS485節點與網絡的可靠性，R7，R8，R9這三個電阻，需要根據實際應用改變大小，特別是使用120歐或更小的終端電阻時，R9就不需要了，此時R7，R8使用680歐電阻。正常情況下，一般R7=R8=4.7K，R9不要。

圖中鉗位于6.8V的管V4，V5，V6，都是為了保護RS485總線的，避免受外界干擾，也可以選擇集成的總線保護原件。另外圖中的L1，L2，C1，C2為可選安裝原件，用于提高電路的EMI性能.

2、帶隔離的RS485電路

根本原理與基本電路的原理相似。使用DC-DC器件可以產生1組與微處理器電路完全隔離的電源輸出，用于向RS485收發器提供+5V電源。電路中的光耦器件速率會影響RS485電路的通信速率。上圖中選用了NEC的光耦PS2501，受其影響，該電路的通訊速率控制在19200bps下。

3、自動切換電路

上圖中，TX，RX引腳均需要上拉電阻，這一點特別重要。

接收：默認沒有數據時，TX為高電平，三極管導通，RE為低電平使能，RO收數據有效，MAX485為接收態。

發送：發送數據時，TX會先有一個下拉的電平（起始位-由高向低），表示開始發送數據，此時三極管截止，DE為高電平發送使能。當發送數據“0”時，由于DI接口相當于接地，此時數據“0”就會傳輸到AB扣，A-B<0，則傳輸“0”，完成低電平傳輸，當發送“1”時，此時三極管導通，按理說RO會使能，此時由于還處于發送數據中，這種狀態下MAX485處于高阻態，此時的狀態通過A上來，B下拉電阻決定，此時A-B>0傳輸“1”，完成高電平的傳輸。

注意：這里面有個疑惑，發送數據“1”，三極管RE低電平有效，應該是接收使能，為什么芯片是高阻態呢？這是因為UART發送數據是有一定格式的，TX和RX數據均以“位”為最小單位進行傳輸，在發送數據之前，UART之間要約定好數據傳輸速率，即波特率，數據傳輸格式（數據位，校驗，停止），平時數據線處于空閑狀態（1狀態），當發送數據時，TX由“1”變為“0”維持1位的時間，這樣接收方檢測到開始位后，再等待1.5位時間就開始一位一位的進行數據傳輸了，也就是說，已經確定好發送狀態，電路發送“1”時RE雖然有效，但是由于它處于發送階段，芯片也不會收，即芯片處于高阻狀態。

審核編輯：劉清