RS-485詳解

通信協議

? 通訊協議主要是實現兩個設備之間的數據交換功能，通訊協議分硬件層協議和軟件層協議。硬件層協議決定數據如何傳輸問題，比如要在設備1向設備2發送0x63，0x63的二進制數為0110 0011，這8個二進制數從設備1傳輸到設備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。

? 硬件層協議目前比較多見的有RS-232、RS-485、SPI、IIC等。RS-232規定，線上的電壓為x伏都表示傳輸的是0，y伏傳輸的則是1。再者，比如要選擇多少條線傳輸數據，選擇什么材質的線傳輸輸入，這些也屬于硬件層協議約束的。硬件層協議也叫接口協議

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

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

RS-485通訊協議

? MCU管腳輸出TTL電平，TTL電平的意思是，當MCU管腳輸出0電平時，一般情況下電壓是0V，當MCU管腳輸出1電平時，電壓是5V。因TTL電平的是由一條信號線，一條地線產生，信號線上的干擾信號會跟隨有效信號傳送到接收端，使得有效信號受到干擾，485通訊實際上是把MCU出來的TTL電平通過硬件層的一個轉換器芯片進行轉換:

? 把MCU出來的一條的TTL信號經過芯片轉換為兩根線(線A、線B)上的信號。當MCU給轉換器輸入低TTL電平時，轉換器會使得B的電壓比A的電壓高，反之，A的電壓比B的電壓高。

? 485協議規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是硬件層協議。

? 485協議的接收端可能是另一個MCU，MCU管腳也只接受TTL電平，轉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換為TTL電平。

? 把TTL轉為485，實質是一個集成芯片，其間無任何程序代碼，純粹硬件邏輯。同理，將485電平轉為TTL也是如此。現在很多芯片把接收和轉換都集成到一塊IC，注意，轉換器和接收器依舊是沒有同時工作的，常見的轉換芯片是MAX485。

可以這樣理解，硬件層協議是公路，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，單工通訊是指數據只能朝著一個方向傳輸的通訊方式。而半雙工通訊則是指對于通訊兩端，不能同時相對方法發送數據，必須錯開時間段發送。

? 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只可實現半雙工通訊。485實現半雙工通訊，會遇到一個問題，MCU1向MCU2發數據時，并不知道線上是否正傳來MCU2數據，因為沒有其他線可用來判斷對方的收發狀態，那么可能也會導致數據沖突。因此，RS-485要實現半雙工通訊，就需要上層的軟件協議加以規約，也就是做到”不能你想發數據就發數據”。可以理解，軟件層協議就好像交通規則，它能讓數據有序傳輸。

RS-485介紹

? 電子工業協會（EIA）于1983年制訂并發布RS-485標準，并經通訊工業協會（TIA) 修訂后命名為TIA/EIA-485-A，所以TIA/EIA-485-A才是真正的名字，因為人們已經叫習慣RS-485了，所以后續也一直沿用RS-485這個叫法。
? RS-485標準是為彌補RS-232通信距離短、速率低等缺點而產生的。RS-485標準只規定了平衡發送器和接收器的電特性，而沒有規定接插件、傳輸電纜和應用層通信協議。
? RS-485標準與RS-232不一樣，數據信號采用差分傳輸方式(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。

節點連接示意圖

因為大多數MCU的信號都是TTL信號，且數據是通過串口發送和接收，是不符合RS-485標準的，所以要將數據放在485通信線上傳輸的話，就要將TTL信號轉為RS-485的差分信號，然后在AB線上傳輸，到達節點后再將RS-485的差分信號轉換為TTL信號，給節點的MCU進行數據處理

RS-485數據鏈路示意圖

拓撲結構

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，多采用的是兩線制接線方式，這種接線方式為總線拓撲結構，在同一總線上最多可以掛接32個節點。

RS-485總線同I2C，也是主從模式，支持點對點單從機模式，也支持多從機模式，不支持多主機模式。

電路原理圖

該原理圖是一個基本的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介紹到

微處理器的標準串行口通過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引腳接在一起，只用微處理器的一個引腳控制

U9是TVS管，環境惡劣時可加，做保護作用，平時實驗可以不加

R25是上拉電阻，R27下拉，默認狀態下將A拉高，B拉低，如果不加電阻，那默認情況下是不穩定的，會對單片機的引腳造成干擾

芯片內部圖

收發器內部是一個接收器（上半部分）加一個發送器（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：發送器輸出使能（高電平有效）

DI：發送器輸入

GND：接地連接

A：發送器輸出/接收器輸入反相

B：發送器輸出/接收器輸入反相

Vcc：正極電源（+3.3V<VCC<+3.60V）

發送功能真值表

如果微處理器輸出的信號DE_nRE為高電平，則芯片處于發送模式（發送器/驅動器）,差分輸出A和B遵循數據輸入DI處的邏輯狀態;

當DI為高電平時，導致A轉為高，B轉為低。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DI為低電平時，輸出狀態反轉，B變高，A變低，VOD為負 ，為邏輯0（AB間的電壓差為 -6V ~ -2V）；

當DE低時，兩個輸出都變成高阻抗。在這種情況下，與D處的邏輯狀態是不相關的。

接收功能真值表

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

AB間的電平大于+200mv時，RO引腳輸出邏輯1；

AB間的電平小于-200mv時，RO引腳輸出邏輯0；

當AB間的電平處于-200mv ~ +200mv之間時，則表示不穩定

優點

半雙工通信

差分信號傳輸，更加穩定

RS485內部的物理結構，采用的是平衡驅動器和查分接收器的組合，抗干擾能力大大增加。

可以在總線上進行聯網實現多機通信，總線上允許掛多個收發器，從現有的RS485芯片來看，有可以掛32、64、128、256等不同個設備的驅動器。

通信速度快，數據最高傳輸速率在10Mbps以上

傳輸速率最遠可達到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，才能達到最大的通信距離，如果需要傳輸更遠距離可以使用中繼。

系統運行穩定。利用專用通信總線把集中器和主站安全、可靠的連接起來。除非設備接口硬件損壞，或者總線線路斷開，總線抄表系統會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外，再無其他信號。外來的干擾信號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

不支持全雙工

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

維護成本高。比如通信線路的損傷直接影響總線抄表方式的通信效果。所以需要定時的檢查線路，保證其正常運行。特別是架設在外面的線路，一旦斷裂或被腐蝕，要重新敷線。對于新增加的用戶，也要及時敷線，使其進入通信網內

常用芯片

增強型低功耗半雙工RS-485收發器一SP481E/SP485E

特點：
單一的+5V電源
低功耗BiCMOS工藝制造
發送器/接收器可使能多分支結構(Mutli-Drop）配置低功耗關斷模式(SP481E)

描述(SP481E，SP485E)
SP481E 和SP485E是半雙工差分收發器，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標準理想地用于多分支(multi-drop）應用和遠程接口中。它允許在一條數據線上連接32個發送器和接收器，非常適合于多分支應用。由于允許使用4000英尺長的電纜，RS-485收發器可以使用一個寬(一7V~+12V)共模方式范圍來調整零電位偏差。因為RS-485是一個差分接口，所以傳輸數據時完全可以抑制來自發送線的干擾。

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1/10單位負載RS-485收發器一SP481R/SP485R

特點
單一的+5V電源
允許超過400個收發器連接到同一條傳輸線上(1/10單位負載)接收器輸入高阻抗（標準值RIN=150kQ)
半雙工配置與工業標準管腳一致

共模輸入電壓范圍為-7V~+12V
包含關斷模式(ICC<10uA)(適用于SP481R)低功耗（250mW)
獨立發送器和接收器使能

SP485R芯片是由業內專業的通訊接口器件廠商Sipex 公司設計生產的高性能RS-485收發器，能夠替換通用的RS-485收發器，并在許多方面有所增強。
SP481R和SP485R與現有的SP485產品管腳對應相同，而且包含更高的ESD保護和高接收器輸入阻抗等性能。接收器輸入高阻抗可以使400個收發器接到同一條傳輸線上又不會引起RS-485發送器信號的衰減。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斷功能，可將電源電流（Icc）降低到0.5uA 以下。

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+3.3V低功耗半雙工 RS-485收發器一SP3481/SP3485

特點
RS-485和 RS-422收發器工作電源為+3.3V
可與+0.5V的邏輯電路共同工作發送器/接收器使能
低功耗關斷模式(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個收發器與工業標準75176管腳配置兼容
發送器輸出短路保護

描述(SP3481，SP3485)
SP3481和SP3485是+3.3V低功耗半雙工收發器家族的成員，它們完全滿足RS-485和RS-422串行協議的要求。這兩個器件與Sipex 的SP481、SP483和SP485的管腳互相兼容，同時兼容工業標準規范。SP3481和 SP3485由 Sipex特有的BiCMOS工藝制造而成，但性能不受影響。

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增強型低功耗全雙工RS-422收發器一SP490E/SP491E

特點
單一的+5V電源
低功耗BiCMOS工藝制造發送器/接收器使能（SP491E)RS-485和 RS-422發送器/接收器
管腳兼容LTC490和 SN75179(SP490E)管腳兼容LTC491和 SN75180 (SP491E)增強型ESD規范:
正負15kV人體放電模式(Human Body Model)

SP490E是一個低功耗差分收發器，滿足RS-485和RS-422標準規范，數據傳輸速率高達10Mbps。除了增加了發送器和接收器三態使能線外，SP491E和SP490E完全相同。在共模模式的限制范圍內，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，可工作在商業級和工業級溫度范圍內。SP491E包含14腳DIP和14腳 NSOIC兩種封裝，也可工作在商業級和工業級溫度范圍內。

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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

(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。

長距離布線會有信號衰減，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，差值相減就會忽略掉干擾依舊能輸出正常的信號，把這種差分接收器忽略兩條信號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兩根線的電壓都會發生變化，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生改變，仍然是3V，所以接收器檢測到的仍然是正確的信號

相反，像串口和RS232這些單端的通信方式，因為只有一根信號線和一根地線，并會規定某個電平狀態表示一種邏輯，如5V表示1，0V表示0，當在傳輸過程中發生干擾時，5V可能變成了2V，這時候就沒法判斷到底是1還是0了，導致傳輸的數據不正確

此外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。又因為共模電壓范圍是-7V ~ +12V，所以通信的兩邊也需要一根地線來做標準，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網絡盡管采用差分平衡傳輸方式，但對整個RS-485網絡，必須有一條低阻的信號地。一條低阻的信號地將兩個接口的工作地連接起來，使共模干擾電壓被短路。這條信號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

為了匹配網絡的通訊阻抗，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網絡的2個端點各安裝1個終端匹配電阻。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網絡通常采用雙絞線或屏蔽雙絞線作為傳輸介質，其特性阻抗為120歐，因此，RS-485總線上的兩個端點也應各安裝1個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格的系統。在特殊的場合，可以考慮比較省電的并聯“RC”匹配方案，可以節省大部分功率，但電容C的取值是個難點，需要在功耗和匹配質量間進行折衷。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的RS-485接口协议详解的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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