深度解析RS485通信協議技術

RS-485

（1）基本概念

RS485總線傳輸協議是一種串行總線通信協議標準，RS485總線采用平衡發送，差分接收的結構設計，因此具有抑制共模干擾的能力。RS485總線的數據傳輸速率最高可達 ，最遠傳輸距離可達1000米左右。RS485不是點對點式的總線結構，而是分布式架構，其總線能夠連接多達128個收發器。

RS-485采用平衡發送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。RS-485采用半雙工工作方式，任何時候只能有一點處于發送狀態，因此，發送電路須由使能信號加以控制。RS-485用于多點互連時非常方便，可以省掉許多信號線。應用RS-485可以聯網構成分布式系統，其允許最多并聯32臺驅動器和32臺接收器。在RS232或RS485設備聯成的設備網中，如果設備數量超過2臺，就必須使用RS485做通訊介質，RS485網的設備間要想互通信息只有通過“主（Master）”設備中轉才能實現，這個主設備通常是PC，而這種設備網中只允許存在一個主設備，其余全部是從（Slave）設備。

RS-485 （ EIA-485 標準）是RS-422的改進，因為它增加了設備的個數，從10個增加到32個，同時定義了在最大設備個數情況下的電氣特性，以保證足夠的信號電壓。有了多個設備的能力，你可以使用一個單個RS-485口建立設備網絡。出色抗噪和多設備能力，在工業應用中建立連向PC機的分布式設備網絡、其他 數據收集 控制器、HMI或者其他操作時，串行連接會選擇RS-485。RS-485是RS-422的超集，因此所有的RS-422設備可以被RS-485控制。RS-485可以用超過4000英尺的線進行串行通行。

為改進RS232通信距離短、速率低的缺點，EIA在基于RS422的基礎上制定了RS485接口標準。RS485是平衡發送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力，它的最大傳輸距離為1200米，實際可達3000米，傳輸速率最高可達10Mbit/s。所以，一般在要求通信距離為幾十米到上千米時，會廣泛采用RS-485串行通信。

RS-485采用半雙工工作方式，允許在簡單的一對屏蔽雙絞線上進行多點、雙向通信，不過任何時候只能有一點處于發送狀態，因此，發送電路須由使能信號加以控制。

與RS232不同的是，RS485的工作方式是差分工作方式，所謂差分工作方式，是指在一堆雙絞線中，一條定義為A，一條定義為B。RS485采用差分信號負邏輯，+2V～+6V表示“0”，- 6V～- 2V表示“1”。RS485有兩線制和四線制兩種接線，四線制是全雙工通訊方式，兩線制是半雙工通訊方式。

RS485和RS232一樣都是基于串口的通訊接口，數據收發的操作是一致的，但是它們在實際應用中通訊模式卻有著很大的區別，RS232接口為全雙工數據通訊模式，而RS485接口為半雙工數據通訊模式，數據的收發不能同時進行，為了保證數據收發的不沖突，在RS485中還有一個使能端，使能端是用于控制發送驅動器與傳輸線的切斷與連接，可以認為是一個開關。當開關即使能端信號為1時，信號就輸出，當使能端信號是0時，信號就無法輸出。相應也要求軟件上必須將收發的過程嚴格地分開。

RS-485與RS-422的不同還在于其共模輸出電壓是不同的，RS-485是-7V至+12V之間，而RS-422在-7V至+7V之間；RS-485滿足所有RS-422的規范，所以RS-485的驅動器可以用在RS-422網絡中應用。RS-485與RS-422一樣，其最大傳輸距離約為1219米，最大傳輸速率為10Mbps。平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在100Kbps速率以下，才可能使用規定最長的電纜長度。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長雙絞線最大傳輸速率僅為1Mbps。

RS485接口組成的半雙工網絡，一般是兩線制（以前有四線制接法，只能實現點對點的通信方式，現很少采用），多采用屏蔽雙絞線傳輸。這種接線方式為總線式拓撲結構在同一總線上最多可以掛接32個結點。在RS485通信網絡中一般采用的是主從通信方式，即一個主機帶多個從機。很多情況下，連接RS-485通信鏈路時只是簡單地用一對雙絞線將各個接口的“A”、“B”端連接起來。RS485接口連接器采用DB-9的9芯插頭座，與智能終端RS485接口采用DB-9（孔），與鍵盤連接的鍵盤接口RS485采用DB-9（針）

(2) RS-485引腳定義

RS-485的兩線制引腳定義：

RS-485的四線制引腳定義：

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RS485標準物理接口也是9個引腳的，對于引腳定義有不同的標識：

英式標識為 TDA(-) 、TDB(+) 、RDA(-) 、RDB(+) 、GND

美式標識為 Y 、Z 、 A 、 B 、 GND

中式標識為 TXD(+)/A 、TXD(-)/B 、RXD(-) 、RXD(+)、GND

RS485兩線一般定義為：“A、B"或"Date+、Date-” ，也就是我們即常說的485+、485- 。

具體還要根據廠家的使用信號針腳而定，有的RS485也可能使用了RTS或DTR等針腳。其中支持RS485接口的芯片（MAX481,MAX483,MAX485,MAX487,MAX1487等）。
? ? （3）通信

? 在 RS485 通信網絡中，通常會使用 485 收發器來轉換 TTL 電平和 RS485 電平。各路節點連接到 485 收發器上，而收發器通過差分線連接到網絡總線，串口控制器與收發器之間一般使用 TTL 信號傳輸，收發器與總線則使用差分信號來傳輸。發送數據時，串口控制器的 TX 信號經過收發器轉換成差分信號傳輸到總線上，而接收數據時，收發器把總線上的差分信號轉化成 TTL 信號通過 RX 引腳傳輸到串口控制器中。通常在這些節點中只能有一個主機，剩下的全為從機。在總線的起止端分別加了一個?120 歐的匹配電阻。

（4）硬件設計

? RS485 與RS422 均采用差分平衡傳輸的方式，所以他們的電平方式，一般采用A、B 引腳的方式。

? 電平定義：

以U = A - B 的電壓值為劃分依據

發送端：邏輯1：+2V ~ +6V；邏輯0：-6V ~ -2V

接收端：邏輯1：>= 200mv；邏輯0：<= -200mv

? 信號電平轉換：

在單片機設計系統中，常把信號電平在TTL 與485 之間轉換，獲得良好的傳輸質量，并使MCU更好的處理信號。

下圖是485通信的應用電路設計：

3V3與+5V是兩組不共地的電源，一般用隔離型的DC-DC來實現。通過光耦隔離來實現信號的隔離傳輸，MAX485與MCU系統不共地，完全隔離則有效的抑制了高共模電壓的產生，大大降低485的損壞率，提高了系統穩定性。但也存在電路體積過大、電路繁瑣、分立器件過多，傳輸速率受光電器件限制等缺點，對整個系統的穩定性也有一定影響。
? RS485_DIR：為控制位，控制發送還是接收數據；

當RS485_DIR=1（高電平時），光耦電路U3截止，/RE=1（無效），DE=1（有效），即發送數據；

當RS485_DIR=0 （低電平時），光耦電路U3導通，/RE=0（有效），DE=0（無效），即接收數據；

MAX485芯片管腳定義：
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RO ：串口接收端

DI ：串口傳輸端

/RE：485接收端

DE: 485發送端

（5） RS485通信缺點
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RS485總線是一種常規的通信總線，它不能夠做總線的自動仲裁，也就是不能夠同時發送數據以避免總線競爭，所以整個系統的通信效率必然較低，數據冗余量較大，對于速度要求高的應用場所不適應用RS485總線。同時由于RS485總線上通常只有一臺主機，所以這種總線方式是典型的集中—分散型控制系統。一旦主機出現故障，會使整個系統的通信限于癱瘓狀態，因此做好主機的在線備份是一個重要措施。

RS485有兩線制和四線制兩種接線，四線制只能實現點對點的通信方式，現很少采用，現在多采用的是兩線制接線方式，這種接線方式為總線式拓樸結構在同一總線上最多可以掛接32個結點。在RS485通信網絡中一般采用的是主從通信方式，即一個主機帶多個從機。很多情況下，連接RS-485通信鏈路時只是簡單地用一對雙絞線將各個接口的“A”、“B”端連接起來。而忽略了信號地的連接，這種連接方法在許多場合是能正常工作的，但卻埋下了很大的隱患，有二個原因：

（1）共模干擾問題：RS-485接口采用差分方式傳輸信號方式，并不需要相對于某個參照點來檢測信號，系統只需檢測兩線之間的電位差就可以了。但人們往往忽視了收發器有一定的共模電壓范圍，RS-485收發器共模電壓范圍為-7～+12V，只有滿足上述條件，整個網絡才能正常工作。當網絡線路中共模電壓超出此范圍時就會影響通信的穩定可靠，甚至損壞接口。

（2）EMI問題：發送驅動器輸出信號中的共模部分需要一個返回通路，如沒有一個低阻的返回通道（信號地），就會以輻射的形式返回源端，整個總線就會像一個巨大的天線向外輻射電磁波。

由于PC機默認的只帶有RS232接口，有兩種方法可以得到PC上位機的RS485電路：

（1）通過RS232/RS485轉換電路將PC機串口RS232信號轉換成RS485信號，對于情況比較復雜的工業環境最好是選用防浪涌帶隔離珊的產品。（2）通過PCI多串口卡，可以直接選用輸出信號為RS485類型的擴展卡。
? 因為采用兩線制，數據的發送和接收都要用到這對差分信號線，發送和接收不能同時進行，所以只能采用半雙工的方式工作。
? ? （6）優點

? RS485標準規定采用差分信號進行數據傳輸，兩線間的電壓差為+2v到+6v表示邏輯“1”，兩線間的電壓差為-2v到-6v表示邏輯“0”。使用差分信號能有效的減少噪音信號的干擾，延長通信距離，RS485的通信距離可以達到1500m，RS485接口信號的電平比RS232降低了，所以不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便地與TTL電路連接。

? RS485采用兩線制，這種接線方式為總線式拓撲結構，在同一總線上，可以同時存在多個節點。

? 由于RS-485是從RS-422基礎上發展而來的，所以RS-485許多電氣規定與RS-422相仿。如都采用平衡傳輸方式、都需要在傳輸線上接終接電阻等。RS-485可以采用二線與四線方式，二線制可實現真正的多點雙向通信。RS-485總線，在要求通信距離為幾十米到上千米時，廣泛采用RS-485 串行總線標準。RS-485采用平衡發送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發器具有高靈敏度，能檢測低至200mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復。RS-485采用半雙工工作方式，任何時候只能有一點處于發送狀態，因此，發送電路須由使能信號加以控制。RS-485用于多點互連時非常方便，可以省掉許多信號線。應用RS-485可以聯網構成分布式系統，其允許最多并聯32臺驅動器和32臺接收器。

? RS-485使用該標準的數字通信網絡能在遠距離條件下以及電子噪聲大的環境下有效傳輸信號。RS-485使得連接本地網絡以及多支路通信鏈路的配置成為可能。
? 該標準允許連接多個收發器，即具有多站能力，這樣可以利用單一的RS485接口方便地建立起一個設備網絡。
審核編輯：黃飛