今天分享一篇RS485接口協(xié)議詳解的文章。徹底搞懂 RS485總線接口協(xié)議。

通信協(xié)議

通訊協(xié)議主要是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換功能，通訊協(xié)議分硬件層協(xié)議和軟件層協(xié)議。

硬件層協(xié)議決定數(shù)據(jù)如何傳輸問題，比如要在設(shè)備1向設(shè)備2發(fā)送0x63，0x63的二進(jìn)制數(shù)為0110 0011，這 8 個(gè)二進(jìn)制數(shù)從設(shè)備1傳輸?shù)皆O(shè)備2，涉及到1怎么傳，0怎么傳的問題，這就是硬件層要解決的問題。

硬件層協(xié)議目前比較多見的有 RS-232、RS-485、SPI、IIC 等。RS-232規(guī)定，線上的電壓為 x 伏都表示傳輸?shù)氖?0，y 伏傳輸?shù)膭t是1。再者，比如要選擇多少條線傳輸數(shù)據(jù)，選擇什么材質(zhì)的線傳輸輸入，這些也屬于硬件層協(xié)議約束的。硬件層協(xié)議也叫接口協(xié)議。

軟件層協(xié)議就指的是通訊雙方在軟件編碼方面約定的通訊規(guī)則，就比如說一個(gè)人說中文，另一個(gè)人也要說中文，兩人才能進(jìn)行交流；常見的軟件層協(xié)議有 Modbus 協(xié)議、TCP/IP協(xié)議、GPRS 等；而 Modbus 協(xié)議可以通過串口、RS-485、以太網(wǎng)等來傳輸；

形象理解為：兩個(gè)用中文（軟件協(xié)議）交流的人，可以通過面對面、打電話、發(fā)短信等不同的方式（硬件協(xié)議）來通信

RS-485通訊協(xié)議

MCU 管腳輸出 TTL 電平，TTL電平的意思是，當(dāng) MCU 管腳輸出0電平時(shí)，一般情況下電壓是 0V，當(dāng)MCU管腳輸出1電平時(shí)，電壓是5V。

因TTL電平的是由一條信號(hào)線，一條地線產(chǎn)生，信號(hào)線上的干擾信號(hào)會(huì)跟隨有效信號(hào)傳送到接收端，使得有效信號(hào)受到干擾，485通訊實(shí)際上是把 MCU 出來的 TTL 電平通過硬件層的一個(gè)轉(zhuǎn)換器芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換:

把MCU出來的一條的TTL信號(hào)經(jīng)過芯片轉(zhuǎn)換為兩根線(線A、線B)上的信號(hào)。

當(dāng)MCU給轉(zhuǎn)換器輸入 低 TTL電平時(shí)，轉(zhuǎn)換器會(huì)使得 B 的電壓比 A 的電壓高，反之，A 的電壓比 B 的電壓高。

485協(xié)議規(guī)約兩條電平線上差值為多少表示0或者1，電壓是通過儀表可以測量得到的，所以說RS-485是硬件層協(xié)議。

485協(xié)議的接收端可能是另一個(gè)MCU，MCU管腳也只接受TTL電平，轉(zhuǎn)換芯片過來的是兩條線的電壓，所以需要對此兩條線差分電壓轉(zhuǎn)換為TTL電平。

把 TTL 轉(zhuǎn)為 485，實(shí)質(zhì)是一個(gè)集成芯片，其間無任何程序代碼，純粹硬件邏輯。同理，將485電平轉(zhuǎn)為TTL也是如此。

現(xiàn)在很多芯片把接收和轉(zhuǎn)換都集成到一塊IC，注意，轉(zhuǎn)換器和接收器依舊是沒有同時(shí)工作的，常見的轉(zhuǎn)換芯片是MAX485。

可以這樣理解，硬件層協(xié)議是公路，路的目的是為了讓車輛能夠過去。

半雙工通訊

首先了解什么是單工通訊，單工通訊是指數(shù)據(jù)只能朝著一個(gè)方向傳輸?shù)耐ㄓ嵎绞?。而半雙工通訊則是指對于通訊兩端，不能同時(shí)相對方法發(fā)送數(shù)據(jù)，必須錯(cuò)開時(shí)間段發(fā)送。

RS-485的通訊線只有2條，且這兩條通訊線在一次傳輸中都需要用到，因此485只可實(shí)現(xiàn)半雙工通訊。

485實(shí)現(xiàn)半雙工通訊，會(huì)遇到一個(gè)問題，MCU1 向 MCU2 發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，并不知道線上是否正傳來 MCU2 數(shù)據(jù)，因?yàn)闆]有其他線可用來判斷對方的收發(fā)狀態(tài)，那么可能也會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)沖突。

因此，RS-485要實(shí)現(xiàn)半雙工通訊，就需要上層的軟件協(xié)議加以規(guī)約，也就是做到”不能你想發(fā)數(shù)據(jù)就發(fā)數(shù)據(jù)”?？梢岳斫猓浖訁f(xié)議就好像交通規(guī)則，它能讓數(shù)據(jù)有序傳輸。

RS-485介紹

電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）于1983年制訂并發(fā)布 RS-485 標(biāo)準(zhǔn)，并經(jīng)通訊工業(yè)協(xié)會(huì)（TIA) 修訂后命名為TIA/EIA-485-A，所以TIA/EIA-485-A才是真正的名字，因?yàn)槿藗円呀?jīng)叫習(xí)慣RS-485了，所以后續(xù)也一直沿用RS-485這個(gè)叫法。

RS-485標(biāo)準(zhǔn)是為彌補(bǔ)RS-232通信距離短、速率低等缺點(diǎn)而產(chǎn)生的。RS-485標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了平衡發(fā)送器和接收器的電特性，而沒有規(guī)定接插件、傳輸電纜和應(yīng)用層通信協(xié)議。

RS-485 標(biāo)準(zhǔn)與 RS-232 不一樣，數(shù)據(jù)信號(hào)采用差分傳輸方式(Differential Driver Modc)，也稱作平衡傳輸，它使用一對雙絞線，將其中一線定義為A，另一線定義為 B，如圖所示。

傳輸方式以及電平邏輯

RS-485傳輸方式：半雙工通信、==（邏輯1：+2V ~ +6V 邏輯0：-6V ~ -2V）==這里的電平指AB 兩線間的電壓差。

節(jié)點(diǎn)連接示意圖

因?yàn)榇蠖鄶?shù)MCU的信號(hào)都是TTL信號(hào)，且數(shù)據(jù)是通過串口發(fā)送和接收，是不符合RS-485標(biāo)準(zhǔn)的。

所以要將數(shù)據(jù)放在485通信線上傳輸?shù)脑?，就要將TTL信號(hào)轉(zhuǎn)為RS-485的差分信號(hào)，然后在AB線上傳輸，到達(dá)節(jié)點(diǎn)后再將RS-485的差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為TTL信號(hào)，給節(jié)點(diǎn)的MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理

RS-485數(shù)據(jù)鏈路示意圖

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

RS485有兩線制和四線制兩種接線，四線制只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的通信方式，現(xiàn)很少采用，多采用的是兩線制接線方式，這種接線方式為總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在同一總線上最多可以掛接32個(gè)節(jié)點(diǎn)。

RS-485總線同I2C，也是主從模式，支持點(diǎn)對點(diǎn)單從機(jī)模式，也支持多從機(jī)模式，不支持多主機(jī)模式。

電路原理圖

該原理圖是一個(gè)基本的RS-485電路，采用的是Sipex公司的SP3485芯片，是一款低功耗的，工作電壓為3.3V的芯片，該芯片的一些特性后面會(huì)介紹到。

微處理器的標(biāo)準(zhǔn)串行口通過RXD直接連接SP3485芯片的RO引腳，通過TXD直接連接SP485R芯片的DI引腳。

讓該芯片處于發(fā)送模式還是接收模式的選擇位是DE/!RE，一般情況下把這兩個(gè)引腳接在一起，只用微處理器的一個(gè)引腳控制。

U9 是 TVS 管，環(huán)境惡劣時(shí)可加，做保護(hù)作用，平時(shí)實(shí)驗(yàn)可以不加。

R25 是上拉電阻，R27 下拉，默認(rèn)狀態(tài)下將A拉高，B拉低，如果不加電阻，那默認(rèn)情況下是不穩(wěn)定的，會(huì)對單片機(jī)的引腳造成干擾。

芯片內(nèi)部圖

收發(fā)器內(nèi)部是一個(gè)接收器（上半部分）加一個(gè)發(fā)送器（下半部分），然后就是引腳功能。

RO：接收器輸出RE：接收器輸出使能（低電平有效）DE：發(fā)送器輸出使能（高電平有效）DI：發(fā)送器輸入GND：接地連接A：發(fā)送器輸出/接收器輸入反相B：發(fā)送器輸出/接收器輸入反相

Vcc：正極電源（+3.3V<VCC<+3.60V）

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發(fā)送功能真值表

如果微處理器輸出的信號(hào) DE_nRE 為高電平，則芯片處于發(fā)送模式（發(fā)送器/驅(qū)動(dòng)器）,差分輸出A和B遵循數(shù)據(jù)輸入DI處的邏輯狀態(tài);

當(dāng)DI為高電平時(shí)，導(dǎo)致A轉(zhuǎn)為高，B轉(zhuǎn)為低。在這種情況下，定義為 VOD=VA-VB 的差分輸出電壓為正，也就是邏輯1（AB間的電壓差為+2V ~ +6V）；

當(dāng) DI 為低電平時(shí)，輸出狀態(tài)反轉(zhuǎn)，B 變高，A 變低，VOD 為負(fù) ，為邏輯 0（AB間的電壓差為 -6V ~ -2V）；

當(dāng) DE 低時(shí)，兩個(gè)輸出都變成高阻抗。在這種情況下，與D處的邏輯狀態(tài)是不相關(guān)的。

接收功能真值表

如果微處理器輸出的信號(hào) DE_nRE 為低電平，則芯片處于接收模式（接收器），如果為高電平，則關(guān)閉接收模式；

AB間的電平大于 +200mv 時(shí)，RO引腳輸出邏輯1；

AB間的電平小于-200mv時(shí)，RO引腳輸出邏輯0；

當(dāng)AB間的電平處于-200mv ~ +200mv之間時(shí)，則表示不穩(wěn)定

優(yōu)點(diǎn)

• 半雙工通信

• 差分信號(hào)傳輸，更加穩(wěn)定

• RS485內(nèi)部的物理結(jié)構(gòu)，采用的是平衡驅(qū)動(dòng)器和查分接收器的組合，抗干擾能力大大增加。

• 可以在總線上進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信，總線上允許掛多個(gè)收發(fā)器，從現(xiàn)有的RS485芯片來看，有可以掛32、64、128、256等不同個(gè)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)器。

• 通信速度快，數(shù)據(jù)最高傳輸速率在10Mbps以上

• 傳輸速率最遠(yuǎn)可達(dá)到1200米左右，但是傳輸速率和傳輸距離是成反比的，只有在100KB/s以下的傳輸速率，才能達(dá)到最大的通信距離，如果需要傳輸更遠(yuǎn)距離可以使用中繼。

• 系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。利用專用通信總線把集中器和主站安全、可靠的連接起來。除非設(shè)備接口硬件損壞，或者總線線路斷開，總線抄表系統(tǒng)會(huì)一直保持很好的通信效果和抄收成功率。

• 通信速率高。由于是專用的有線通信線路連接，線路上除了通信信號(hào)外，再無其他信號(hào)。外來的干擾信號(hào)耦合到線路衰減很大，所以集中器可以以較高的速率與主站通信。

缺點(diǎn)

• 不支持全雙工

• 敷設(shè)困難。比如總線抄表系統(tǒng)需要在集中器與主站之間敷設(shè)通信線路。尤其是電能表比較分散時(shí)，通信線路敷設(shè)的工程量很大，而且架設(shè)在外的通信線路影響美觀。

• 維護(hù)成本高。比如通信線路的損傷直接影響總線抄表方式的通信效果。所以需要定時(shí)的檢查線路，保證其正常運(yùn)行。特別是架設(shè)在外面的線路，一旦斷裂或被腐蝕，要重新敷線。對于新增加的用戶，也要及時(shí)敷線，使其進(jìn)入通信網(wǎng)內(nèi)

常用芯片

（1）增強(qiáng)型低功耗半雙工 RS-485 收發(fā)器一 SP481E/SP485E

特點(diǎn)：

單一的+5V電源

低功耗BiCMOS工藝制造

發(fā)送器/接收器可使能多分支結(jié)構(gòu)(Mutli-Drop）配置低功耗關(guān)斷模式(SP481E)

描述(SP481E，SP485E)

SP481E 和SP485E是半雙工差分收發(fā)器，完全滿足RS-485和 RS-422的要求。它們由Sipex特有的 BiCMOS工藝制造而成。

RS-485標(biāo)準(zhǔn)理想地用于多分支(multi-drop）應(yīng)用和遠(yuǎn)程接口中。它允許在一條數(shù)據(jù)線上連接32個(gè)發(fā)送器和接收器，非常適合于多分支應(yīng)用。

由于允許使用4000英尺長的電纜，RS-485收發(fā)器可以使用一個(gè)寬(一7V~+12V)共模方式范圍來調(diào)整零電位偏差。因?yàn)镽S-485是一個(gè)差分接口，所以傳輸數(shù)據(jù)時(shí)完全可以抑制來自發(fā)送線的干擾。

（2）1/10單位負(fù)載RS-485收發(fā)器一SP481R/SP485R

特點(diǎn)

單一的+5V電源

允許超過400個(gè)收發(fā)器連接到同一條傳輸線上(1/10單位負(fù)載)接收器輸入高阻抗（標(biāo)準(zhǔn)值RIN=150kQ)

半雙工配置與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)管腳一致

共模輸入電壓范圍為-7V~+12V

包含關(guān)斷模式(ICC<10uA)(適用于SP481R)低功耗（250mW)

獨(dú)立發(fā)送器和接收器使能

SP485R芯片是由業(yè)內(nèi)專業(yè)的通訊接口器件廠商Sipex 公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的高性能RS-485收發(fā)器，能夠替換通用的RS-485收發(fā)器，并在許多方面有所增強(qiáng)。

SP481R和SP485R與現(xiàn)有的SP485產(chǎn)品管腳對應(yīng)相同，而且包含更高的ESD保護(hù)和高接收器輸入阻抗等性能。

接收器輸入高阻抗可以使400個(gè)收發(fā)器接到同一條傳輸線上又不會(huì)引起RS-485發(fā)送器信號(hào)的衰減。各器件封裝為8腳塑料DIP或8腳窄SOIC。SP481R通過使能管腳來提供關(guān)斷功能，可將電源電流（Icc）降低到0.5uA 以下。

（3）+3.3V低功耗半雙工 RS-485收發(fā)器一SP3481/SP3485

特點(diǎn)

RS-485和 RS-422收發(fā)器工作電源為+3.3V

可與+0.5V的邏輯電路共同工作發(fā)送器/接收器使能

低功耗關(guān)斷模式(SP3481)-7V~+12V的共模輸入電壓范圍

允許在同一串行總線上連接32個(gè)收發(fā)器與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)75176管腳配置兼容發(fā)送器輸出短路保護(hù)

描述(SP3481，SP3485)

SP3481和SP3485是 +3.3V 低功耗半雙工收發(fā)器家族的成員，它們完全滿足RS-485和RS-422串行協(xié)議的要求。這兩個(gè)器件與Sipex 的SP481、SP483和SP485的管腳互相兼容，同時(shí)兼容工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

SP3481和 SP3485由 Sipex特有的BiCMOS工藝制造而成，但性能不受影響。

（4）增強(qiáng)型低功耗全雙工RS-422收發(fā)器一SP490E/SP491E

特點(diǎn)

單一的+5V電源

低功耗BiCMOS工藝制造發(fā)送器/接收器使能（SP491E)RS-485和 RS-422發(fā)送器/接收器

管腳兼容LTC490和 SN75179(SP490E)管腳兼容LTC491和 SN75180 (SP491E)增強(qiáng)型ESD規(guī)范:

正負(fù)15kV人體放電模式(Human Body Model)

SP490E是一個(gè)低功耗差分收發(fā)器，滿足RS-485和RS-422標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)10Mbps。除了增加了發(fā)送器和接收器三態(tài)使能線外，SP491E和SP490E完全相同。

在共模模式的限制范圍內(nèi)，兩者的接收器輸入的靈敏度為士200mV.SP490E包含8腳塑料 DIP和8腳 NSOIC兩種封裝形式，可工作在商業(yè)級(jí)和工業(yè)級(jí)溫度范圍內(nèi)。

SP491E包含14腳DIP和14腳 NSOIC兩種封裝，也可工作在商業(yè)級(jí)和工業(yè)級(jí)溫度范圍內(nèi)。

小結(jié)

上訴列舉了幾款常用芯片，引腳都是兼容的，只是性能上有所差異

注意要點(diǎn)

(1)共模干擾問題：

RS-485接口采用差分方式傳輸信號(hào)方式，并不需要相對于某個(gè)參照點(diǎn)來檢測信號(hào)，系統(tǒng)只需檢測兩線之間的電位差就可以。

長距離布線會(huì)有信號(hào)衰減，而且引入噪聲和干擾的可能性更大，在線纜A和B上的表現(xiàn)就是電壓幅度的變化，但是，采用差分線的好處就是，差值相減就會(huì)忽略掉干擾依舊能輸出正常的信號(hào)，把這種差分接收器忽略兩條信號(hào)線上相同電壓的能力稱為共模抑制。

通俗來說，就是如果在傳輸過程中遇到干擾，那A、B兩根線的電壓都會(huì)發(fā)生變化，可能本來A是5V，B是2V，被干擾成了A是8V，B是5V，但由于485通信檢測的是兩根線之間的電壓差，所以AB間的電壓差并沒有發(fā)生改變，仍然是3V，所以接收器檢測到的仍然是正確的信號(hào)

相反，像串口和RS232這些單端的通信方式，因?yàn)橹挥幸桓盘?hào)線和一根地線，并會(huì)規(guī)定某個(gè)電平狀態(tài)表示一種邏輯，如5V表示1，0V表示0，當(dāng)在傳輸過程中發(fā)生干擾時(shí)，5V可能變成了2V，這時(shí)候就沒法判斷到底是1還是0了，導(dǎo)致傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不正確。

此外人們往往忽視了收發(fā)器有一定的共模電壓范圍，RS-485收發(fā)器共模電壓范圍為==-7~+12V==，只有滿足上述條件，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)才能正常工作。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)線路中共模電壓超出此范圍時(shí)就會(huì)影響通信的穩(wěn)定可靠，甚至損壞接口。

（2）EMI問題：

發(fā)送驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào)中的共模部分需要一個(gè)返回通路，如沒有一個(gè)低阻的返回通道(信號(hào)地)，就會(huì)以輻射的形式返回源端。

整個(gè)總線就會(huì)像一個(gè)巨大的天線向外輻射電磁波。又因?yàn)楣材ｋ妷悍秶?7V ~ +12V，所以通信的兩邊也需要一根地線來做標(biāo)準(zhǔn)，不能讓共模電壓超出范圍，防止損壞端口

由于上述原因，RS-485網(wǎng)絡(luò)盡管采用差分平衡傳輸方式，但對整個(gè)RS-485網(wǎng)絡(luò)，必須有一條低阻的信號(hào)地。一條低阻的信號(hào)地將兩個(gè)接口的工作地連接起來，使共模干擾電壓被短路。

這條信號(hào)地可以是額外的一條線（非屏蔽雙絞線），或者是屏蔽雙絞線的屏蔽層。這是最通常的接地方法。

（3）終端匹配電阻

為了匹配網(wǎng)絡(luò)的通訊阻抗，減少由于不匹配而引起的反射、吸收噪聲，有效抑制噪聲干擾，提高RS-485通訊的可靠性，需要在RS-485網(wǎng)絡(luò)的2個(gè)端點(diǎn)各安裝1個(gè)終端匹配電阻。

終端匹配電阻的大小由傳輸電纜的特性阻抗所決定。例如，RS-485網(wǎng)絡(luò)通常采用雙絞線或屏蔽雙絞線作為傳輸介質(zhì)，其特性阻抗為120歐，因此，RS-485總線上的兩個(gè)端點(diǎn)也應(yīng)各安裝1個(gè)120歐的終端匹配電阻。

匹配電阻要消耗較大電流，不適用于功耗限制嚴(yán)格的系統(tǒng)。在特殊的場合，可以考慮比較省電的并聯(lián)“RC”匹配方案，可以節(jié)省大部分功率，但電容C的取值是個(gè)難點(diǎn)，需要在功耗和匹配質(zhì)量間進(jìn)行折衷。

原文作者：ONE_ Day|