rs485協議、電路詳解(保姆級)

起源

RS-485即Recommended Standard 485 協議的簡寫。1983年被電子工業協會(EIA)批準為一種通訊接口標準.

數據在通信雙方之間傳輸，本質是傳輸物理的電平，比方說傳輸5V的電壓 -1V的電壓信號，這些物理信號在傳輸過程中會受到很多干擾，比方說你傳輸一個5V的電壓，到了接收端可能就變成了4.8V，并且通信的雙方高低電平的參考電壓可能不同。
那么這個時候就需要一個電平標準，來判斷多少V的電壓是高電平 1，多少V的電壓是低電平 0，這就誕生了 RS-485 RS-232

485接口常用的協議：工業HART總線協議；modbus協議；Profibus DP

信號傳輸模式

信號通過一組雙絞線差模傳輸，源端發出的信號+與信號-相位是相反的，可以有效抵消共模干擾。

電氣參數

電壓范圍為-7～+12V
半雙工通信
最多總線支持256個多點拓撲連接（取決于IC驅動能力），最后面一個接120歐終端電阻。
傳輸1200米時，速率最大到100kbps
最小差分電壓容限：200mV，低于該值則無法識別通訊。
信號A在空閑時候為高電平；信號B在空閑時為低電平。（有的設備上會標識485_A+，485_B-）

應用設計

拓撲結構

發送終端和接收終端是主從結構，主機可以和任何從機通信，讀寫。從機之間不可以通信，從機的狀態也是需要主機輪詢方式來讀取。

通常為兩種結構：

星型結構：所有的設備連接到一個中心點上，中心點一般為主機。此拓撲結構適用于設備數量少，且分布較近的場景。
總線型結構：所有設備連接到同一根總線上，形成一條直線。所有設備均通過總線通信。此拓撲結構適用于數量較多或分布較遠的場景。

端接設計

端接就是在最終端設備上接一個120Ω的電阻來達到匹配阻抗特征的目的。
標準規定的雙絞線的差分特征阻抗在100Ω至150Ω之間，由于RS-485采用雙絞線傳輸，RS-485標準制定者選擇120Ω作為標稱特征阻抗。

如果沒有端接。信號在線路上傳輸其阻抗是連續的，但是到達右側的時候則，等效阻抗變成了接收電路的輸入阻抗，比如是12kΩ（標準可掛載32個設備的驅動IC阻值）,阻抗不連續了，信號的一部分能量就會按照原路徑返回，如返回回去的信號由于容抗及感抗，就會產生相差。反射回去的信號與原信號就會被疊加在一起。這樣就會造成通信發生錯誤的可能，嚴重的時候，通信就無法正確進行。這時候就需要在最終端接一個120Ω電阻（如下圖左邊所示）。

在通信環境比較差的情況下，共模干擾嚴重，可以考慮采用帶屏蔽雙絞線，屏蔽層接大地，
也可以在終端接一組π型的阻容的低通濾波結構（兩個60Ω電阻中間接一個220pF電容）來增加線路的抗噪聲能力。（如下圖右邊所示）

抗干擾設計

市面上485常見于3Pin端口（485A，485B，GND）。通常只是簡單地用一對雙絞線將各個接口的“A”、“B”端連接起來。對于E不接的大多數場景均能正常工作，對于以下兩種場景則會出現問題。

485收發器共模電壓范圍為-7～+12V，當感應電壓加載在共模電壓上，超過范圍就會損壞電路。
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。

隔離設計

現場有大電流開關設備，電機感性設備等，噪聲很可通過通訊的接地耦合進設備，在工業設備中尤其明顯。

所以會采用通訊隔離和電源隔離的設計。

通訊隔離設計

選擇具有隔離功能的芯片，比如ADI的 iCoupler技術產品ADM2481，ADM2485。
也可以采用光耦+普通RS-485收發器的方式,光耦必須要用高速的，低速光耦在高速率下容易丟包。

電源隔離設計

給隔離兩側電路分別供電，兩側的gnd不能直連，可串一個瓷片電容。

安全防護

A、B端串聯保險

接口的信號電平值較高，達到十幾V，容易損壞接口電路的芯片，而且和TTL電平不兼容，因此和單片機電路接起來的話必須加轉換電路。

防雷接口設計

需要在485的A、B連接氣體放電管用以防雷。

IC驅動能力

物理條件下一條485總線上節點數量是有上限的。
一條485總線上節點數量的限制條件是：有源驅動器的總電流負載，485總線負載電阻Rload不能大于375歐姆。
通常是用單位負載來衡量RS485總線驅動能力的，單位負載的定義則是根據標準的485總線接收器的輸入阻抗（12KΩ）來定義的，標準的RS485總線能夠驅動32個單位負載（即32個12KΩ并聯）。
為了能讓一條總線上掛載更多的設備，一些485接收器的輸入阻抗為48Kohm（1/4 unit load）或者是96Kohm（1/8 unit load），那么相應的總線可掛接的節點數分別為128個和256個。
另外，不同輸入阻抗的485接收器可以連接在一起，只要保證并聯輸入阻抗不能超過32個單位負載（即總線負載Rload<=375 Ω），通訊環境不好的情況下需要在最終端設備掛載終端電阻 120 Ω，用來改善總線上的匹配電阻。

IC的驅動能力


IC型號	掛載能力（個）	單價（元）
SP3285/SP3481	32
SP485R	400
P485R	400
SN75176B	32
SP3485EN-L/TR	32	1.2
THVD1500 /1510/1550	256
MAX1483	256	1.5
WS3088	256	1.5
MAX3085	256	1.5

故而一般的協議，一根總線上最多掛載256個設備（地址碼決定了）。但還有另一種方法就是更改波特率，將在同一總線上的設備改為不同的波特率（1200，2400，4800，9600，19200），就可以允許相同的地址號，設備不同，增加掛載節點數。

IC傳輸方向的使能

由于485為半雙工通信，當主機發送數據時，數據沿著雙絞線傳輸至從機的差分接收電路。當從機發送數據時，數據沿著雙絞線傳輸至主機機的差分電路電路。所有的數據均是差分傳輸并且傳輸介質僅為一條雙絞線，所以在同一時間內數據只會流經一個方向。

通信IC芯片上有兩個使能腳，RE# 和DE。
RE#: Receiver Output Enable,接收器使能，
DE：Driver Output Enable，驅動輸出使能

當兩個使能腳并聯時，可以只通過一個IO來控制數據的傳輸方向(RE為低使能，DE為高使能)。
當兩個使能腳分別控制時（DE=1，RE=0），這樣可以實現發送和接收數據的閉環，常見于主機設備。可以實現收發器以及布線的自診斷，通過接收到的報文與發送出去的報文比較，診斷出芯片焊接，收發器是否損壞或者斷路，以及布線是否存在短路故障。

IC傳輸方向自動切換電路

RS485_RX為高時，SS8050導通，RE/DE接地，進入接收模式；
RS485_RX為低時，SS8050關閉，RE/DE拉高，進入發送模式；

按5V，3082收發芯片來計算的話，100k，0.1μ的電容，時間常數=10mS
High-level input voltage (D, DE, or RE inputs), VIH 2 VCC V
Low-level input voltage (D, DE, or RE inputs), VIL 0 0.8 V

從發送完到不再占用總線，也就是DE降到2V以下，需要9mS。
從發送完到開始接收總線上的數據，也就是RE降到0.8V以下，需要18mS。

所以，在波特率不低于100bps的情況下，看起來不錯。就是怕叢機回數據太快，你的芯片還沒進入接收狀態導致丟數據。
說得好
R10、C8要視情況減小，比如取10K、1nF，盡量小，用示波器看數據線波形，只要有個陡翹的推挽輸出邊沿即可，輸出AB波形大致是這樣：

一、RS485方向切換的方案1：使用反相器自動切換

大部分的低成本RS232-RS485轉換器采用了這種方法。具體的實現方法是:把串口的發送信號TX作為反相器的輸入，反相器的輸出則用來控制RS485收發器的收發控制引腳,同時在RS485收發器的A/B輸出端加上上拉/下拉電阻,

使用反相器自動切換電路

在空閑狀態下,串口的發送信號TXD為高電平,經過反相器后輸出低電平,使485芯片處于接收狀態,而RS485總線由于上下拉電阻的作用處于A高B低的狀態。當發送數據時，TXD信號線上的低電平比特位控制485芯片進入發送狀態,將該比特發送出去。而高電平比特位則使485芯片處于接收狀態,由于RS485總線上下拉電阻把總線置于A高B低的狀態,即表示發送了高電平。

簡單說，這種電路，就是發送低電平時，485芯片是發送狀態，而發送高電平時，485芯片屬于接收狀態。

優勢：

只需要增加一個反相器就可以實現，無需軟件的干預，反相器可以使用一個三極管即可以實現，成本十分低廉（幾分錢）；

劣勢：

由于上下拉電阻不可能選值太小，否則會影響正常發送的數據電平。所以這種換向模式在發送高電平時的驅動能力，并且，理論上我要求方向引腳要比數據先切換方向，但是由于方向引腳經過了反相器，達到芯片的時間變長了，比數據晚到，所以速率太高的情況容易丟包。如果需要驅動多個從設備，就會顯得力不從心，并且驅動能力太弱，只能短距離傳輸；并且傳輸速度不能太快，一般使用9600bps。

RS485方向切換的方案3：使用觸發器控制方向

為了克服反相器換向的缺點,出現了一種由RS觸發器控制的自動換向技術,如圖5所示。這個電路的關鍵是反相器和RS觸發器之間的由二極管、電阻、電容組成的充放電電路。在空閑狀態下,485芯片仍處于接收狀態。

當TXD信號線上發送數據的低電平起始位時,反相器輸出高電平,通過二極管為電容迅速充電,使RS觸發器R端為高電平,S端為低電平,觸發器輸出高電平,把ISL3152E置于發送狀態;當TXD信號線轉換為高電平時,反相器輸出低電平,電容通過電阻緩慢放電,使得R端暫時仍處于高電平狀態,加上S端的高電平狀態,使觸發器的輸出保持前面的高電平狀態,485芯片仍處于發送狀態。電容經過一段時間放電后,R端電壓轉變為低電平,則觸發器輸出低電平,把485芯片置回接收狀態。

通過選擇電阻和電容值,我們可以控制放電速度,使得一個低電平的起始位足以在整個字節發送。此類方案參數一致性非常差，實際使用的都是技高人膽大的。

優勢：
·無需軟件干預切換方向，驅動能力強（取決于RS485芯片）。

劣勢：

·增加的器件較多；

·不同的波特率需要匹配不同的RC參數

·溫度、老化、一致性等問題，會導致RC參數變化，從而導致切換時間錯亂導致丟包。

四、RS485方向切換的方案4：max13487芯片
為了克服軟件參與的方向控制不確定性，美信公司發布了宣稱首款支持芯片自動換向的RS485芯片，如下圖6，對比其他的RS485芯片，MAX16487的/RE引腳有兩個用于：

·/RE為低電平時，打開RO方向的接收數據。

·/RE為高電平時，芯片進入自動方向切換模式。

一般使用我們將/RE連接高電平，即自動換向模式。

由于美信沒有公布內部的邏輯原理，只描述內部有一個狀態機，我們只能外部猜測其工作原理：

·空閑模式下，數據流方向為RO方向；此為狀態1；

·當串口端有數據發送時，由于起始位為低電平，經過邏輯功能D后，A＜B，經過COM

·邏輯功能且反相后，RI為高電平。此狀態為數據發送狀態2。

·經過一系列的邏輯運算（以RI、DI為輸入，但是不知道其內部的原理）；狀態機檢測到數據發送完畢，芯片變成接收狀態1。

優勢：

· 由芯片自動切換方向，無需軟件干預切換方向，驅動能力強，通信速率高，MAX13488 宣稱最高可以到16Mbps，與普通的RS485芯片性能一樣。

劣勢：

·價格比普通的RS485芯片貴一倍以上。

RS485方向切換的方案5：周立功芯片RSM(3)485PHT
周立功公司將RS485的三個相關的功能模塊：DC電源、隔離、RS485芯片三合一，封裝在同一個芯片內部，由于沒有內部的資料，我們無法獲知其內部的邏輯功能。官方資料宣稱最高速率可以達到500Kbps，對于一般的應用足以。

優勢：

由芯片自動切換方向，無需軟件干預切換方向，驅動能力強，通信速率高，DC電源、隔離、RS485芯片功能三合一，節省板卡空間。

劣勢：

價格比分立器件搭建RS485電路貴，且一旦損害需要要整體更換。

二、RS485方向切換的方案2：使用軟件控制方向

市面上大部分的內置RS485的產品基本都是采用此類的方案，如下圖4中的RS_EN引腳。具體的實現方式是：在空閑器件，RS_EN 為低電平，MCU處于接收狀態，在準備發送數據之前，MCU會拉高RS_EN，U1處于發送狀態，發送完畢之后，RS_EN重新處于低電平，U1處于接收狀態。

圖4 使用軟件控制方向切換
此類方案的關鍵是軟件需要掌握好RS_EN引腳的高低電平的時機，假設發送完數據后，沒有及時切換到接收狀態，而此時從機又回復數據，此時就會引起丟包，就會出現文章開頭圖2中的情形。不幸的時，軟件工程師的水平參差不齊，特別是在運行操作系統（Linux、WIndows等）以后，想要十分準確控制方向引腳的高低電平已經十分困難。

優勢：

無需增加任何的硬件成本，且RS485的驅動能力不受影響。

劣勢：

依賴于軟件控制方向引腳，如果運行復雜的操作系統，控制引腳的優先級不夠高，或者軟件的優化的不夠好，都會導致方向引腳的切換不及時，到時數據的丟包。并且，是否丟包還取決于從機的回復時間，測試過程不一定能夠測試出來。