和大家聊一聊RS-485總線

大家好，今天來聊聊RS-485總線。RS-485也是應(yīng)用非常廣泛的一種通信接口，本文來討論一下要點(diǎn)，文章稍微有點(diǎn)長，約5000字。

前世今生

RS-485，RS是什么意思呢？是Recommended Standard的縮寫，就是推薦標(biāo)準(zhǔn)的意思。485是標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識號，至于為什么定這個(gè)標(biāo)識號，則無需深究。RS-485又稱為ANSI/TIA/EIA-485，這幾個(gè)前綴是標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會的名稱縮寫，比如EIA就是電子工業(yè)協(xié)會 (Electronics Industries Association EIA)的縮寫。1983年，RS-485通訊接口被電子工業(yè)協(xié)會 (Electronics Industries Association EIA)批準(zhǔn)為一種通訊接口標(biāo)準(zhǔn)。 即便在現(xiàn)在IOT火熱的今天，RS-485仍然有大量的應(yīng)用。很多協(xié)議使用RS-485作為物理層，比如常用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議使用RS-485作為物理層的有哪些呢？比如：

工業(yè)HART總線

modbus協(xié)議

Profibus DP

.......

電氣特性

信號采樣差模傳輸，差模是相對于共模而言的，差模也稱為差分，那么什么樣的傳輸是差模呢？一圖勝千言，看下面兩個(gè)圖就明白了：

共模傳輸

采用共模傳輸方式時(shí)，共模噪聲將會疊加在最終的輸出信號上面，污染了原始的信號。

差模傳輸

而采用差模傳輸方式，則源端發(fā)出的信號+與信號-相位是相反的，而對于共模噪聲而言在+/-兩條線上都會存在，理想情況是等幅同相的，而接收端，相當(dāng)于一個(gè)減法器，有用信號由于相位相反則經(jīng)過減法器仍然保留，而噪聲則會被抵消。而實(shí)際電路中，則會大幅度削弱。 由此可見，差模傳輸相對于共模傳輸方式，優(yōu)勢在于差模方式可以有效抵消共模干擾。 差模方式在有的地方又稱為平衡模式，而共模模式也稱為非平衡模式。 對于這個(gè)干擾，我們來實(shí)際抓個(gè)波形看看：

在A/B信號的邊緣處，波形都略微有些變形，但是你看A-B做差（紅色的為示波器的MATH減功能，為A-B），邊沿則變得非常的干凈！這例子就可以很好地說明差模傳輸可以有效的抵抗共模干擾。

電氣參數(shù)

RS-485的電氣參數(shù)為：

共模電壓范圍為-7～+12V

可支持32個(gè)多點(diǎn)拓?fù)溥B接，見下面的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

使用40英尺線纜時(shí)，傳輸速率可達(dá)10Mbps，1英尺相當(dāng)于30.48cm，這里Mbps是兆bit/s的意思

使用4000英尺線纜時(shí)，傳輸速率可達(dá)到100kbps

半雙工通信

最小差分電壓容限：200mV,也就是說接收端在差分電壓低于200mV時(shí)就無法正確識別0/1了。這句話應(yīng)該怎么理解呢？

上面這個(gè)圖怎么理解呢？RS-485收發(fā)器的發(fā)送電路至少提供1.5V差分電壓輸出能力，經(jīng)由總線線路阻抗衰減，32個(gè)接收電路輸入阻抗，以及120?端接電阻，差分信號的幅度必然逐漸衰減，那么至最末端還需要至少提供200mV的差分電壓給末端接收電路。

：對于接收電路是判決A線共模電壓與B線共模電壓之差：

如果,則接收電路R識別為邏輯 1

如果,則接收電路R識別為邏輯0

簡單說就是，A線的絕對電壓值比B線的至少大于200mV則識別為邏輯1，或者A線的絕對電壓值比B線的至少小200mV，才識別為邏輯0

這里的參數(shù)，應(yīng)該是在一定特征阻抗線纜時(shí)的理論值，實(shí)際工程使用的時(shí)候需要做相應(yīng)的調(diào)整以及現(xiàn)場測試。一般以不超出這個(gè)理論極限為好。 說到電氣特性參數(shù)，首先來看看一般的接口電路：

從這樣一個(gè)接口電路來看，有這么些要點(diǎn)：

RS-485通信從單片機(jī)/DSP/處理器接口而言，是利用UART接口與RS-485收發(fā)器接口。當(dāng)然你說我用FPGA難道不行么？肯定是可以的，用FPGA實(shí)現(xiàn)一個(gè)串口收發(fā)的IP模塊，當(dāng)然也是可以的。甚至你想說，我拿GPIO去模擬一下 UART 是不是就不行？也是能辦得到的，只不過這么干意義不大，需要占用CPU資源實(shí)現(xiàn)底層BIT的收發(fā)。

前面說到半雙工，有半雙工就有全雙工。什么是半雙工呢？首先半雙工以及全雙工，所界定的對象一定是點(diǎn)對點(diǎn)而言的，這里說點(diǎn)對點(diǎn)就是指在同一時(shí)刻而言，所謂半雙工，就是設(shè)備在同一時(shí)刻要么處于收數(shù)據(jù)狀態(tài)， 要么處于發(fā)數(shù)據(jù)狀態(tài)， 不允許同時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)。 全雙工則剛好相反，允許同時(shí)收發(fā)。比如 I2C 總線就是半雙工總線，4線制 SPI 是全雙工，而三線制SPI則是半雙工總線；又譬如RS-422或者RS-232 是全雙工接口；而CAN總線則是半雙工總線。RS-485就是一種半雙工總線：

當(dāng)Host發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)沿著紅色的線經(jīng)由雙絞線，傳輸至Slave的差分接收電路，當(dāng)slave應(yīng)答時(shí)，數(shù)據(jù)沿著蘭色的方向傳輸至Host的接收電路，但是傳輸介質(zhì)是一對雙絞線，所以一方在傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)候，另一方是無法傳輸信號的，從收發(fā)器的控制角度來看： 控制芯片側(cè)，用一個(gè)GPIO腳來控制收發(fā)使能，來一張芯片內(nèi)部原理框圖，就很容易理解了：

當(dāng)DIR=0時(shí)，接收電路使能，發(fā)送電路禁止DE=0，對總線而言相當(dāng)于高阻；當(dāng) DIR=1 時(shí)，接收電路使能，發(fā)送電路禁止DE=1，對總線A/B信號取決于DI的信號。這里有兩個(gè)問題： 1.為什么芯片要把和設(shè)計(jì)成相反的有效邏輯呢？這樣其實(shí)也是方便用一個(gè)GPIO同時(shí)控制收發(fā)電路的考慮。 2.那收發(fā)器芯片收發(fā)使能為什么不做成一個(gè)腳呢？比如就叫DIR？做成兩個(gè)腳收/發(fā)也可以用兩個(gè)腳單獨(dú)控制，比如：

甚至可以在DE=1的時(shí)候，將設(shè)置為0，這樣是不是就可以自環(huán)了？產(chǎn)品中也可以就這樣設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)收發(fā)器以及布線的自診斷，通過接收到的報(bào)文與發(fā)送出去的報(bào)文比較，可以診斷出芯片焊接，收發(fā)器是否損壞或者斷路，以及布線是否存在短路故障。 或許你會說，瞎扯！你前面才說RS-485不能同時(shí)收發(fā)，這里又說能同時(shí)收發(fā)，豈不是自相矛盾嗎？不矛盾，前面所說的不能同時(shí)收發(fā)，是指發(fā)的同時(shí)不能收來自其他設(shè)備的發(fā)送報(bào)文，這里收的是自身發(fā)出的報(bào)文。

所以半雙工的本質(zhì)，是通訊介質(zhì)不存在雙向通道，在向總線發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，介質(zhì)被占用，即便想發(fā)送也是無法正確的將信號發(fā)送到介質(zhì)上的，如果強(qiáng)行發(fā)送，數(shù)據(jù)將會錯(cuò)亂，甚至收發(fā)器芯片有可能損壞。

: Receiver Output Enable,接收器使能，

DE：Driver Output Enable，驅(qū)動輸出使能

圖中的DIR腳就是控制當(dāng)前RS-485是處于“收”還是處于“發(fā)”模式。

前面說到共模電壓指標(biāo)以及差模傳輸方式，這里來實(shí)際抓抓波形看看：

示波器的CH2接485輸出A端，CH3接485輸出A端，紅色的為示波器的MATH功能：CH2-CH3。大部分示波器都具有數(shù)學(xué)運(yùn)算功能。
如果想看差分信號，就可以利用雙通道示波器加MATH減功能觀測?；蛟S有的示波器沒有MATH功能，那么這里還可以使用一個(gè)技巧：

將B通道，或者說差分信號的負(fù)端反相，然后將B通道上移至空閑電平重合，這樣是不是也就比較直觀的可以看出A-B了？ 通過這個(gè)圖，能發(fā)現(xiàn)哪些有價(jià)值的信號特征呢？

信號A在空閑時(shí)候?yàn)楦唠娖?；信號B在空閑時(shí)為低電平。所以你會看到有設(shè)備上會標(biāo)識485_A+，485_B-。

每個(gè)通道的共模電壓值都在標(biāo)準(zhǔn)要求的-7～12V之內(nèi)，信號A為4V，信號B為5V：

那么數(shù)據(jù)怎么去解讀呢？ 這里抓的數(shù)據(jù)是一個(gè)MODBUS-RTU主端發(fā)送給從設(shè)備的報(bào)文，其內(nèi)容前面兩個(gè)字節(jié)是0x01 0x03，UART模式為1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位，無校驗(yàn)位，低位在前，此例中UART的通訊格式為

先根據(jù)UART通訊模式，來計(jì)算一下幾個(gè)參數(shù)，每bit占用時(shí)間，每字節(jié)占用時(shí)間：

這個(gè)圖就是起始位，寬度正好是104us。 對于解析這種異步串行時(shí)序波形而言，最重要就是根據(jù)通信格式計(jì)算位時(shí)間，字節(jié)時(shí)間，進(jìn)而可以直接解析波形數(shù)據(jù)。從這一點(diǎn)思考，假設(shè)要利用FPGA來實(shí)現(xiàn)一個(gè)UART協(xié)議邏輯分析儀，這就是最為核心的指標(biāo)，通過檢測到起始位邊沿，進(jìn)而通過時(shí)間軸將數(shù)據(jù)解析出來。這里我來充當(dāng)一個(gè)肉眼UART邏輯分析儀吧：

8bit數(shù)據(jù)的時(shí)間寬度剛好是832us，由于格式是低位在前，所以要反過來看，與實(shí)際發(fā)送的數(shù)據(jù)0x01 0x03是吻合的。 這里在調(diào)試底層的時(shí)候遇到問題，就可以通過這種方式可以檢查軟件是否正確的驅(qū)動了硬件，譬如在調(diào)試I2C/SPI等等其他底層接口的時(shí)候，都可以類似的去檢查硬件波形，唯一不一樣的是，I2C/SPI屬于同步通信，所謂同步通信，是指其通信底層有同步時(shí)鐘信號，I2C的SCL,SPI的SCK都屬于同步時(shí)鐘。

驅(qū)動能力

電氣參數(shù)里總結(jié)說RS-485最大電氣驅(qū)動能力，在多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，可最大驅(qū)動32個(gè)站點(diǎn)。那么怎么去解讀這一指標(biāo)呢？ 首先來考察一個(gè)站點(diǎn)收發(fā)電路特性，收發(fā)器的接收電路其標(biāo)準(zhǔn)等效輸入阻抗為12k?,比如MAX 485數(shù)據(jù)手冊為例：

至于為什么是32個(gè)呢？主要是由于前面200mV最小驅(qū)動能力的規(guī)定。 也可以這樣理解一下，每一個(gè)接收電路輸入阻抗并非理想的高阻，而是12k?，那么比如其中一個(gè)站點(diǎn)發(fā)送，就相當(dāng)于有32個(gè)站點(diǎn)的輸入阻抗并聯(lián)，為什么是32個(gè)呢？別忘了發(fā)送站點(diǎn)自身也有接收電路，所以在不考慮端接電阻以及線路阻抗的情況下，對于發(fā)送電路接了一個(gè)等效負(fù)載：，而發(fā)送電路驅(qū)動能力肯定是有限的，這樣就好理解了。 下面這個(gè)圖就是所謂的多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，所有的站點(diǎn)都是沿著雙絞線的排布并接在總線上的。

所以，你有可能會在一些地方看到所謂的一個(gè)單位RS-485負(fù)載的說法，這里所謂的單位負(fù)載就是指12k?標(biāo)準(zhǔn)輸入阻抗，這個(gè)12k?就是EIA-485標(biāo)準(zhǔn)定義的。從而看到比如單位負(fù)載之類的說法，就是源于此處。

數(shù)據(jù)監(jiān)控

比如一個(gè)基于RS-485的Modbus-RTU多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中，在做協(xié)議編程或者實(shí)際多站點(diǎn)總線調(diào)試的時(shí)候，有可能需要監(jiān)控總線上所有的報(bào)文。甚至還有可能就像實(shí)現(xiàn)一個(gè)總線報(bào)文的的記錄器，將總線上所有的報(bào)文都記錄下來。應(yīng)該怎么實(shí)現(xiàn)呢？ 買一根USB轉(zhuǎn)RS-485的轉(zhuǎn)換線或者自己做一個(gè)也可以。將A/B線并接在總線上，USB 插入電腦。使用串口監(jiān)控終端或者自己寫一個(gè)串口接收小軟件，就可以監(jiān)控所有總線上的報(bào)文了。 比如這個(gè)AccessPort串口工具就比較好用：

應(yīng)用設(shè)計(jì)

作為應(yīng)用設(shè)計(jì)而言，需要考慮這些維度：

端接設(shè)計(jì)

接口芯片

隔離設(shè)計(jì)

端接設(shè)計(jì)

首先為什么要端接？這是由于RS-485采用雙絞線傳輸，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的雙絞線的差分特征阻抗在100Ω至150Ω之間。RS-485標(biāo)準(zhǔn)制定者選擇120Ω作為標(biāo)稱特征阻抗。

假定信號自左邊站點(diǎn)發(fā)出，如果沒有端接，信號在線路上傳輸其阻抗是連續(xù)的，但是到達(dá)右側(cè)的時(shí)候則，等效阻抗變成了接收電路的輸入阻抗，比如是12kΩ，阻抗不連續(xù)了，阻抗突變！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(chǎn)生相差。反射回去的信號與原信號疊加在一起。這樣就會造成通信發(fā)生錯(cuò)誤，嚴(yán)重的時(shí)候，通信就無法正確進(jìn)行。 要想更深入的了解背后的原理，可以去學(xué)習(xí)一下傳輸線理論。 或許做過Profibus DP（物理層也是采用的RS-485）的朋友會說，你看profibus DP為什么推薦的終端匹配電路是下面這樣的呢？

其實(shí)是因?yàn)镻rofibus DP采用的通信介質(zhì)其標(biāo)稱特征阻抗不一樣。所以實(shí)際工程應(yīng)用的時(shí)候則會有小的差異。 在TI的資料上看到這樣一個(gè)端接接法：

在噪聲比較嚴(yán)重的場合，建議使用右邊的端接方案，利用兩個(gè)60Ω電阻以及220pF電容形成低通濾波器，將增加線路的抗噪聲能力。 在實(shí)際工程布線的時(shí)候，如果遇到噪聲比較嚴(yán)重的時(shí)候，一方面可以利用示波器查看總線信號質(zhì)量，在將端接方式做一些小的調(diào)整。

接口設(shè)計(jì)

RS-485收發(fā)器芯片很多芯片公司都提供，比如TI,Microchip 等廠家都有，選擇接口芯片的時(shí)候需要考慮，芯片的供電電壓輸入邏輯是否與使用的單片機(jī)/DSP的電平兼容，另外就是前面提到的其接收電路的阻抗是否是符合RS-485標(biāo)準(zhǔn)輸入阻抗的。如果不是的，那么在考慮網(wǎng)絡(luò)部署的時(shí)候，所能帶的負(fù)載數(shù)量就有可能需要做調(diào)整。另外注意一下，有的新設(shè)計(jì)RS-485收發(fā)器具備fail-safe功能。 另外，前面說到標(biāo)準(zhǔn)收發(fā)器可以驅(qū)動32個(gè)標(biāo)準(zhǔn)收發(fā)器負(fù)載設(shè)備，也即是（12kΩ)標(biāo)準(zhǔn)單位輸入阻抗。 在做具體接口電路設(shè)計(jì)的時(shí)候還需要考慮EMC要求，在一些設(shè)備現(xiàn)場真的有很強(qiáng)的干擾，比如電網(wǎng)上有大的電機(jī)等感性設(shè)備運(yùn)行，有時(shí)候就會干擾設(shè)備；另外也有可能有空間輻射干擾，這時(shí)候可以考慮采用帶屏蔽雙絞線，屏蔽層接大地，抗干擾方面我了解的不是很深入，僅整理一下。在這里看到一個(gè)防雷接口電路的設(shè)計(jì)方案，可以參考一下：

https://www.programmersought.com/article/95833359295/ 前面說通常標(biāo)準(zhǔn)RS-485可以容納32個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接收阻抗收發(fā)設(shè)備。實(shí)際系統(tǒng)中就是想接入超過32個(gè)站點(diǎn)設(shè)備，怎么辦呢？可以設(shè)計(jì)一個(gè)中繼設(shè)備。想當(dāng)于將兩個(gè)網(wǎng)段利用中繼給銜接起來，以解決驅(qū)動能力不足的問題。當(dāng)然也有這樣的現(xiàn)成產(chǎn)品。

隔離設(shè)計(jì)

為什么要隔離，是為了降低接地噪聲。在很多現(xiàn)場可能有大電流開關(guān)設(shè)備，電機(jī)感性設(shè)備等，噪聲很有可能通過通訊的接地耦合進(jìn)設(shè)備。尤其在工業(yè)設(shè)備中，一般都會設(shè)計(jì)成帶隔離的接口電路。要設(shè)計(jì)隔離接口，可以考慮選擇具有隔離功能的芯片，比如ADI的 iCoupler技術(shù)產(chǎn)品ADM2481，ADM2485。當(dāng)然也可以采用光耦+普通RS-485收發(fā)器的方式。唯一需要注意的是需要設(shè)計(jì)一個(gè)帶隔離的電源，給隔離兩側(cè)電路分別供電。

總結(jié)一下

RS-485看似簡單，實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)的時(shí)候還是有很多需要去理解和注意的地方。做一個(gè)穩(wěn)健的產(chǎn)品，往往所差不是大方向，而是一些細(xì)微處容易導(dǎo)致產(chǎn)品不穩(wěn)定。

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