rs485协议、电路详解(保姆级)

起源

RS-485即Recommended Standard 485 协议的简写。1983年被电子工业协会(EIA)批准为一种通讯接口标准.

数据在通信双方之间传输，本质是传输物理的电平，比方说传输5V的电压 -1V的电压信号，这些物理信号在传输过程中会受到很多干扰，比方说你传输一个5V的电压，到了接收端可能就变成了4.8V，并且通信的双方高低电平的参考电压可能不同。
那么这个时候就需要一个电平标准，来判断多少V的电压是高电平 1，多少V的电压是低电平 0，这就诞生了 RS-485 RS-232

485接口常用的协议：工业HART总线协议；modbus协议；Profibus DP

信号传输模式

信号通过一组双绞线差模传输，源端发出的信号+与信号-相位是相反的，可以有效抵消共模干扰。

电气参数

电压范围为-7～+12V
半双工通信
最多总线支持256个多点拓扑连接（取决于IC驱动能力），最后面一个接120欧终端电阻。
传输1200米时，速率最大到100kbps
最小差分电压容限：200mV，低于该值则无法识别通讯。
信号A在空闲时候为高电平；信号B在空闲时为低电平。（有的设备上会标识485_A+，485_B-）

应用设计

拓扑结构

发送终端和接收终端是主从结构，主机可以和任何从机通信，读写。从机之间不可以通信，从机的状态也是需要主机轮询方式来读取。

通常为两种结构：

星型结构：所有的设备连接到一个中心点上，中心点一般为主机。此拓扑结构适用于设备数量少，且分布较近的场景。
总线型结构：所有设备连接到同一根总线上，形成一条直线。所有设备均通过总线通信。此拓扑结构适用于数量较多或分布较远的场景。

端接设计

端接就是在最终端设备上接一个120Ω的电阻来达到匹配阻抗特征的目的。
标准规定的双绞线的差分特征阻抗在100Ω至150Ω之间，由于RS-485采用双绞线传输，RS-485标准制定者选择120Ω作为标称特征阻抗。

如果没有端接。信号在线路上传输其阻抗是连续的，但是到达右侧的时候则，等效阻抗变成了接收电路的输入阻抗，比如是12kΩ（标准可挂载32个设备的驱动IC阻值）,阻抗不连续了，信号的一部分能量就会按照原路径返回，如返回回去的信号由于容抗及感抗，就会产生相差。反射回去的信号与原信号就会被叠加在一起。这样就会造成通信发生错误的可能，严重的时候，通信就无法正确进行。这时候就需要在最终端接一个120Ω电阻（如下图左边所示）。

在通信环境比较差的情况下，共模干扰严重，可以考虑采用带屏蔽双绞线，屏蔽层接大地，
也可以在终端接一组π型的阻容的低通滤波结构（两个60Ω电阻中间接一个220pF电容）来增加线路的抗噪声能力。（如下图右边所示）

抗干扰设计

市面上485常见于3Pin端口（485A，485B，GND）。通常只是简单地用一对双绞线将各个接口的“A”、“B”端连接起来。对于E不接的大多数场景均能正常工作，对于以下两种场景则会出现问题。

485收发器共模电压范围为-7～+12V，当感应电压加载在共模电压上，超过范围就会损坏电路。
EMI问题：发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路，如没有一个低阻的返回通道（信号地），就会以辐射的形式返回源端，整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。

隔离设计

现场有大电流开关设备，电机感性设备等，噪声很可通过通讯的接地耦合进设备，在工业设备中尤其明显。

所以会采用通讯隔离和电源隔离的设计。

通讯隔离设计

选择具有隔离功能的芯片，比如ADI的 iCoupler技术产品ADM2481，ADM2485。
也可以采用光耦+普通RS-485收发器的方式,光耦必须要用高速的，低速光耦在高速率下容易丢包。

电源隔离设计

给隔离两侧电路分别供电，两侧的gnd不能直连，可串一个瓷片电容。

安全防护

A、B端串联保险

接口的信号电平值较高，达到十几V，容易损坏接口电路的芯片，而且和TTL电平不兼容，因此和单片机电路接起来的话必须加转换电路。

防雷接口设计

需要在485的A、B连接气体放电管用以防雷。

IC驱动能力

物理条件下一条485总线上节点数量是有上限的。
一条485总线上节点数量的限制条件是：有源驱动器的总电流负载，485总线负载电阻Rload不能大于375欧姆。
通常是用单位负载来衡量RS485总线驱动能力的，单位负载的定义则是根据标准的485总线接收器的输入阻抗（12KΩ）来定义的，标准的RS485总线能够驱动32个单位负载（即32个12KΩ并联）。
为了能让一条总线上挂载更多的设备，一些485接收器的输入阻抗为48Kohm（1/4 unit load）或者是96Kohm（1/8 unit load），那么相应的总线可挂接的节点数分别为128个和256个。
另外，不同输入阻抗的485接收器可以连接在一起，只要保证并联输入阻抗不能超过32个单位负载（即总线负载Rload<=375 Ω），通讯环境不好的情况下需要在最终端设备挂载终端电阻 120 Ω，用来改善总线上的匹配电阻。

IC的驱动能力


IC型号	挂载能力（个）	单价（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

故而一般的协议，一根总线上最多挂载256个设备（地址码决定了）。但还有另一种方法就是更改波特率，将在同一总线上的设备改为不同的波特率（1200，2400，4800，9600，19200），就可以允许相同的地址号，设备不同，增加挂载节点数。

IC传输方向的使能

由于485为半双工通信，当主机发送数据时，数据沿着双绞线传输至从机的差分接收电路。当从机发送数据时，数据沿着双绞线传输至主机机的差分电路电路。所有的数据均是差分传输并且传输介质仅为一条双绞线，所以在同一时间内数据只会流经一个方向。

通信IC芯片上有两个使能脚，RE# 和DE。
RE#: Receiver Output Enable,接收器使能，
DE：Driver Output Enable，驱动输出使能

当两个使能脚并联时，可以只通过一个IO来控制数据的传输方向(RE为低使能，DE为高使能)。
当两个使能脚分别控制时（DE=1，RE=0），这样可以实现发送和接收数据的闭环，常见于主机设备。可以实现收发器以及布线的自诊断，通过接收到的报文与发送出去的报文比较，诊断出芯片焊接，收发器是否损坏或者断路，以及布线是否存在短路故障。

IC传输方向自动切换电路

RS485_RX为高时，SS8050导通，RE/DE接地，进入接收模式；
RS485_RX为低时，SS8050关闭，RE/DE拉高，进入发送模式；

按5V，3082收发芯片来计算的话，100k，0.1μ的电容，时间常数=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

从发送完到不再占用总线，也就是DE降到2V以下，需要9mS。
从发送完到开始接收总线上的数据，也就是RE降到0.8V以下，需要18mS。

所以，在波特率不低于100bps的情况下，看起来不错。就是怕丛机回数据太快，你的芯片还没进入接收状态导致丢数据。
说得好
R10、C8要视情况减小，比如取10K、1nF，尽量小，用示波器看数据线波形，只要有个陡翘的推挽输出边沿即可，输出AB波形大致是这样：

一、RS485方向切换的方案1：使用反相器自动切换

大部分的低成本RS232-RS485转换器采用了这种方法。具体的实现方法是:把串口的发送信号TX作为反相器的输入，反相器的输出则用来控制RS485收发器的收发控制引脚,同时在RS485收发器的A/B输出端加上上拉/下拉电阻,

使用反相器自动切换电路

在空闲状态下,串口的发送信号TXD为高电平,经过反相器后输出低电平,使485芯片处于接收状态,而RS485总线由于上下拉电阻的作用处于A高B低的状态。当发送数据时，TXD信号线上的低电平比特位控制485芯片进入发送状态,将该比特发送出去。而高电平比特位则使485芯片处于接收状态,由于RS485总线上下拉电阻把总线置于A高B低的状态,即表示发送了高电平。

简单说，这种电路，就是发送低电平时，485芯片是发送状态，而发送高电平时，485芯片属于接收状态。

优势：

只需要增加一个反相器就可以实现，无需软件的干预，反相器可以使用一个三极管即可以实现，成本十分低廉（几分钱）；

劣势：

由于上下拉电阻不可能选值太小，否则会影响正常发送的数据电平。所以这种换向模式在发送高电平时的驱动能力，并且，理论上我要求方向引脚要比数据先切换方向，但是由于方向引脚经过了反相器，达到芯片的时间变长了，比数据晚到，所以速率太高的情况容易丢包。如果需要驱动多个从设备，就会显得力不从心，并且驱动能力太弱，只能短距离传输；并且传输速度不能太快，一般使用9600bps。

RS485方向切换的方案3：使用触发器控制方向

为了克服反相器换向的缺点,出现了一种由RS触发器控制的自动换向技术,如图5所示。这个电路的关键是反相器和RS触发器之间的由二极管、电阻、电容组成的充放电电路。在空闲状态下,485芯片仍处于接收状态。

当TXD信号线上发送数据的低电平起始位时,反相器输出高电平,通过二极管为电容迅速充电,使RS触发器R端为高电平,S端为低电平,触发器输出高电平,把ISL3152E置于发送状态;当TXD信号线转换为高电平时,反相器输出低电平,电容通过电阻缓慢放电,使得R端暂时仍处于高电平状态,加上S端的高电平状态,使触发器的输出保持前面的高电平状态,485芯片仍处于发送状态。电容经过一段时间放电后,R端电压转变为低电平,则触发器输出低电平,把485芯片置回接收状态。

通过选择电阻和电容值,我们可以控制放电速度,使得一个低电平的起始位足以在整个字节发送。此类方案参数一致性非常差，实际使用的都是技高人胆大的。

优势：
·无需软件干预切换方向，驱动能力强（取决于RS485芯片）。

劣势：

·增加的器件较多；

·不同的波特率需要匹配不同的RC参数

·温度、老化、一致性等问题，会导致RC参数变化，从而导致切换时间错乱导致丢包。

四、RS485方向切换的方案4：max13487芯片
为了克服软件参与的方向控制不确定性，美信公司发布了宣称首款支持芯片自动换向的RS485芯片，如下图6，对比其他的RS485芯片，MAX16487的/RE引脚有两个用于：

·/RE为低电平时，打开RO方向的接收数据。

·/RE为高电平时，芯片进入自动方向切换模式。

一般使用我们将/RE连接高电平，即自动换向模式。

由于美信没有公布内部的逻辑原理，只描述内部有一个状态机，我们只能外部猜测其工作原理：

·空闲模式下，数据流方向为RO方向；此为状态1；

·当串口端有数据发送时，由于起始位为低电平，经过逻辑功能D后，A＜B，经过COM

·逻辑功能且反相后，RI为高电平。此状态为数据发送状态2。

·经过一系列的逻辑运算（以RI、DI为输入，但是不知道其内部的原理）；状态机检测到数据发送完毕，芯片变成接收状态1。

优势：

· 由芯片自动切换方向，无需软件干预切换方向，驱动能力强，通信速率高，MAX13488 宣称最高可以到16Mbps，与普通的RS485芯片性能一样。

劣势：

·价格比普通的RS485芯片贵一倍以上。

RS485方向切换的方案5：周立功芯片RSM(3)485PHT
周立功公司将RS485的三个相关的功能模块：DC电源、隔离、RS485芯片三合一，封装在同一个芯片内部，由于没有内部的资料，我们无法获知其内部的逻辑功能。官方资料宣称最高速率可以达到500Kbps，对于一般的应用足以。

优势：

由芯片自动切换方向，无需软件干预切换方向，驱动能力强，通信速率高，DC电源、隔离、RS485芯片功能三合一，节省板卡空间。

劣势：

价格比分立器件搭建RS485电路贵，且一旦损害需要要整体更换。

二、RS485方向切换的方案2：使用软件控制方向

市面上大部分的内置RS485的产品基本都是采用此类的方案，如下图4中的RS_EN引脚。具体的实现方式是：在空闲器件，RS_EN 为低电平，MCU处于接收状态，在准备发送数据之前，MCU会拉高RS_EN，U1处于发送状态，发送完毕之后，RS_EN重新处于低电平，U1处于接收状态。

图4 使用软件控制方向切换
此类方案的关键是软件需要掌握好RS_EN引脚的高低电平的时机，假设发送完数据后，没有及时切换到接收状态，而此时从机又回复数据，此时就会引起丢包，就会出现文章开头图2中的情形。不幸的时，软件工程师的水平参差不齐，特别是在运行操作系统（Linux、WIndows等）以后，想要十分准确控制方向引脚的高低电平已经十分困难。

优势：

无需增加任何的硬件成本，且RS485的驱动能力不受影响。

劣势：

依赖于软件控制方向引脚，如果运行复杂的操作系统，控制引脚的优先级不够高，或者软件的优化的不够好，都会导致方向引脚的切换不及时，到时数据的丢包。并且，是否丢包还取决于从机的回复时间，测试过程不一定能够测试出来。