RS485基本知識(shí)介紹 RS485常用電路設(shè)計(jì)

一、RS485基本知識(shí)

RS-485接口芯片已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、儀器、儀表、多媒體網(wǎng)絡(luò)、機(jī)電一體化產(chǎn)品等諸多領(lǐng)域。可用于RS-485接口的芯片種類也越來(lái)越多。如何在種類繁多的接口芯片中找到最合適的芯片，是擺在每一個(gè)使用者面前的一個(gè)問(wèn)題。RS-485接口在不同的使用場(chǎng)合，對(duì)芯片的要求和使用方法也有所不同。使用者在芯片的選型和電路的設(shè)計(jì)上應(yīng)考慮哪些因素，由于某些芯片的固有特性，通信中有些故障甚至還需要在軟件上作相應(yīng)調(diào)整，如此等等。希望本文對(duì)解決RS-485接口的某些常見(jiàn)問(wèn)題有所幫助。

1RS-485接口標(biāo)準(zhǔn)

傳輸方式：差分

傳輸介質(zhì)：雙絞線

標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)數(shù)：32

最遠(yuǎn)通信距離：1200m 共模電壓最大、最小值：+12V；-7V

差分輸入范圍：-7V～+12V

接收器輸入靈敏度：±200mV

接收器輸入阻抗：≥12kΩ

2節(jié)點(diǎn)數(shù)及半雙工和全雙工通信

2.1 節(jié)點(diǎn)數(shù)

所謂節(jié)點(diǎn)數(shù)，即每個(gè)RS-485接口芯片的驅(qū)動(dòng)器能驅(qū)動(dòng)多少個(gè)標(biāo)準(zhǔn)RS-485負(fù)載。根據(jù)規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)RS-485接口的輸入阻抗為≥12kΩ，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為32。為適應(yīng)更多節(jié)點(diǎn)的通信場(chǎng)合，有些芯片的輸入阻抗設(shè)計(jì)成1/2負(fù)載（≥24kΩ）、1/4負(fù)載（≥48kΩ）甚至1/8負(fù)載（≥96kΩ），相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)可增加到64、128和256。表1為一些常見(jiàn)芯片的節(jié)點(diǎn)數(shù)。

表1

2.2 半雙工和全雙工

RS-485接口可連接成半雙工和全雙工兩種通信方式。半雙工通信的芯片有SN75176、SN75276、SN75LBC184、MAX485、MAX 1487、MAX3082、MAX1483等；

全雙工通信的芯片有SN75179、SN75180、MAX488~MAX491、MAX1482等。

（a）半雙工通信電路

（b）全雙工通信電路

3應(yīng)用中的常見(jiàn)問(wèn)題

3.1 抗雷擊和抗靜電沖擊

RS-485接口芯片在使用、焊接或設(shè)備的運(yùn)輸途中都有可能受到靜電的沖擊而損壞。在傳輸線架設(shè)于戶外的使用場(chǎng)合，接口芯片乃至整個(gè)系統(tǒng)還有可能遭致雷電的襲擊。選用抗靜電或抗雷擊的芯片可有效避免此類損失，常見(jiàn)的芯片有MAX485E、MAX487E、MAX1487E等。特別值得一提的是SN75LBC184，它不但能抗雷電的沖擊而且能承受高達(dá)8kV的靜電放電沖擊，是目前市場(chǎng)上不可多得的一款產(chǎn)品。

3.2 限斜率驅(qū)動(dòng)

由于信號(hào)在傳輸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生電磁干擾和終端反射，使有效信號(hào)和無(wú)效信號(hào)在傳輸線上相互迭加，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使通信無(wú)法正常進(jìn)行。為解決這一問(wèn)題，某些芯片的驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)成限斜率方式，使輸出信號(hào)邊沿不要過(guò)陡，以不致于在傳輸線上產(chǎn)生過(guò)多的高頻分量，從而有效地扼制干擾的產(chǎn)生。如MAX487、SN75LBC184等都具有此功能。

3.3 故障保護(hù)

故障保護(hù)技術(shù)是近兩年產(chǎn)生的，一些新的RS-485芯片都采用了此項(xiàng)技術(shù)，如SN75276、MAX3080~MAX3089。什么是故障保護(hù)，為什么要有故障保護(hù)，如果沒(méi)有故障保護(hù)會(huì)產(chǎn)生什么后果？

眾所周知，RS-485接口采用的是一種差分傳輸方式，各節(jié)點(diǎn)之間的通信都是通過(guò)一對(duì)（半雙工）或兩對(duì)（全雙工）雙絞線作為傳輸介質(zhì)。根據(jù)RS-485的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，接收器的接收靈敏度為±200mV，即接收端的差分電壓大于、等于+200 mV時(shí)，接收器輸出為高電平；小于、等于-200mV時(shí)，接收器輸出為低電平；介于±200mV之間時(shí)，接收器輸出為不確定狀態(tài)。在總線空閑即傳輸線上所有節(jié)點(diǎn)都為接收狀態(tài)以及在傳輸線開(kāi)路或短路故障時(shí)，若不采取特殊措施，則接收器可能輸出高電平也可能輸出低電平。一旦某個(gè)節(jié)點(diǎn)的接收器產(chǎn)生低電平就會(huì)使串行接收器（UART）找不到起始位，從而引起通信異常，解決此類問(wèn)題的方法有兩種：

（1）使用帶故障保護(hù)的芯片，它會(huì)在總線開(kāi)路、短路和空閑情況下，使接收器的輸出為高電平。確?？偩€空閑、短路時(shí)接收器輸出高電平是由改變接收器輸入門(mén)限來(lái)實(shí)現(xiàn)的。例如，MAX3080～MAX 3089輸入靈敏度為-50mV/-200mV，即差分接收器輸入電壓UA－B≥-50mV時(shí)，接收器輸出邏輯高電平；如果UA－B≤-200mV，則輸出邏輯低電平。當(dāng)接收器輸入端總線短路或總線上所有發(fā)送器被禁止時(shí)，接收器差分輸入端為0V，從而使接收器輸出高電平。同理，SN75276的靈敏度為0mV/-300mV，因而達(dá)到故障保護(hù)的目的。

（2）若使用不帶故障保護(hù)的芯片，如SN75176、MAX1487等時(shí)，可在軟件上作一些處理，從而避免通信異常。即在進(jìn)入正常的數(shù)據(jù)通信之前，由主機(jī)預(yù)先將總線驅(qū)動(dòng)為大于+200mV，并保持一段時(shí)間，使所有節(jié)點(diǎn)的接收器產(chǎn)生高電平輸出。這樣，在發(fā)出有效數(shù)據(jù)時(shí)，所有接收器能夠正確地接收到起始位，進(jìn)而接收到完整的數(shù)據(jù)。

3.4 光電隔離

在某些工業(yè)控制領(lǐng)域，由于現(xiàn)場(chǎng)情況十分復(fù)雜，充分考慮現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜環(huán)境，在電路設(shè)計(jì)中注意了以下三個(gè)問(wèn)題。

二、RS485應(yīng)用設(shè)計(jì)

1SN75176 485芯片DE控制端的設(shè)計(jì)

由于應(yīng)用系統(tǒng)中，主機(jī)與分機(jī)相隔較遠(yuǎn)，通信線路的總長(zhǎng)度往往超過(guò)400米，而分機(jī)系統(tǒng)上電或復(fù)位又常常不在同一個(gè)時(shí)刻完成。如果在此時(shí)某個(gè)75176的DE端電位為“１”，那么它的485總線輸出將會(huì)處于發(fā)送狀態(tài)，也就是占用了通信總線，這樣其它的分機(jī)就無(wú)法與主機(jī)進(jìn)行通信。這種情況尤其表現(xiàn)在某個(gè)分機(jī)出現(xiàn)異常情況下（死機(jī)），會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)通信崩潰。因此在電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保證系統(tǒng)上電復(fù)位時(shí)75176的DE端電位為“0”。由于8031在復(fù)位期間，I/O口輸出高電平，故圖2電路的接法有效地解決復(fù)位期間分機(jī)“咬”總線的問(wèn)題。

2 隔離光耦電路的參數(shù)選取

在應(yīng)用系統(tǒng)中，由于要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控及響應(yīng)，通信數(shù)據(jù)的波特率往往做得較高（通常都在4800波特以上）。限制通信波特率提高的“瓶頸”，并不是現(xiàn)場(chǎng)的導(dǎo)線（現(xiàn)場(chǎng)施工一般使用5類非屏蔽的雙絞線），而是在與單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)隔離的光耦電路上。此處采用TIL117。電路設(shè)計(jì)中可以考慮采用高速光耦，如6N137、6N136等芯片，也可以優(yōu)化普通光耦電路參數(shù)的設(shè)計(jì)，使之能工作在最佳狀態(tài)。例如：電阻R2、R3如果選取得較大，將會(huì)使光耦的發(fā)光管由截止進(jìn)入飽和變得較慢；如果選取得過(guò)小，退出飽和也會(huì)很慢，所以這兩只電阻的數(shù)值要精心選取，不同型號(hào)的光耦及驅(qū)動(dòng)電路使得這兩個(gè)電阻的數(shù)值略有差異，這一點(diǎn)在電路設(shè)計(jì)中要特別慎重，不能隨意，通?？梢杂蓪?shí)驗(yàn)來(lái)定。

3 485總線輸出電路部分的設(shè)計(jì)

輸出電路的設(shè)計(jì)要充分考慮到線路上的各種干擾及線路特性阻抗的匹配。由于工程環(huán)境比較復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)常有各種形式的干擾源，所以485總線的傳輸端一定要加有保護(hù)措施。在電路設(shè)計(jì)中采用穩(wěn)壓管D1、D2組成的吸收回路，也可以選用能夠抗浪涌的TVS瞬態(tài)雜波抑制器件，或者直接選用能抗雷擊的485芯片（如SN75LBC184等）。

考慮到線路的特殊情況（如某一臺(tái)分機(jī)的485芯片被擊穿短路），為防止總線中其它分機(jī)的通信受到影響，在75176的485信號(hào)輸出端串聯(lián)了兩個(gè)20Ω的電阻R10、R11。這樣本機(jī)的硬件故障就不會(huì)使整個(gè)總線的通信受到影響。

在應(yīng)用系統(tǒng)工程的現(xiàn)場(chǎng)施工中，由于通信載體是雙絞線，它的特性阻抗為120Ω左右，所以線路設(shè)計(jì)時(shí)，在RS-485網(wǎng)絡(luò)傳輸線的始端和末端各應(yīng)接1只120Ω的匹配電阻（如圖1中R8），以減少線路上傳輸信號(hào)的反射。

由于RS-485芯片的特性，接收器的檢測(cè)靈敏度為± 200mV，即差分輸入端VA－VB ≥+200mV，輸出邏輯1，VA－VB ≤－200mV，輸出邏輯0；而A、B端電位差的絕對(duì)值小于200mV時(shí)，輸出為不確定。如果在總線上所有發(fā)送器被禁止時(shí)，接收器輸出邏輯0，這會(huì)誤認(rèn)為通信幀的起始引起工作不正常。解決這個(gè)問(wèn)題的辦法是人為地使A端電位高于B兩端電位，這樣RXD的電平在485總線不發(fā)送期間（總線懸浮時(shí)）呈現(xiàn)唯一的高電平，8031單片機(jī)就不會(huì)被誤中斷而收到亂字符。通過(guò)在485電路的A、B輸出端加接上拉、下拉電阻R7、R9，即可很好地解決這個(gè)問(wèn)題。

圖1 RS485應(yīng)用典型電路

三、軟件的編程

485芯片的軟件編程對(duì)產(chǎn)品的可靠性也有很大影響。由于485總線是異步半雙工的通信總線，在某一個(gè)時(shí)刻，總線只可能呈現(xiàn)一種狀態(tài)，所以這種方式一般適用于主機(jī)對(duì)分機(jī)的查詢方式通信，總線上必然有一臺(tái)始終處于主機(jī)地位的設(shè)備在巡檢其它的分機(jī)，所以需要制定一套合理的通信協(xié)議來(lái)協(xié)調(diào)總線的分時(shí)共用。這里采用的是數(shù)據(jù)包通信方式。通信數(shù)據(jù)是成幀成包發(fā)送的，每包數(shù)據(jù)都有引導(dǎo)碼、長(zhǎng)度碼、地址碼、命令碼、內(nèi)容、校驗(yàn)碼等部分組成。
其中引導(dǎo)碼是用于同步每一包數(shù)據(jù)的引導(dǎo)頭；長(zhǎng)度碼是這一包數(shù)據(jù)的總長(zhǎng)度；命令碼是主機(jī)對(duì)分機(jī)（或分機(jī)應(yīng)答主機(jī)）的控制命令；地址碼是分機(jī)的本機(jī)地址號(hào)；“內(nèi)容”是這一包數(shù)據(jù)里的各種信息；校驗(yàn)碼是這一包數(shù)據(jù)的校驗(yàn)標(biāo)志，可以采用奇偶校驗(yàn)、和校驗(yàn)等不同的方式。

在485芯片的通信中，尤其要注意對(duì)485控制端DE的軟件編程。為了可靠的工作，在485總線狀態(tài)切換時(shí)需要做適當(dāng)延時(shí)，再進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。具體的做法是在數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)下，先將控制端置“1”，延時(shí)1ms左右的時(shí)間，再發(fā)送有效的數(shù)據(jù)，一包數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后再延時(shí)1ms后，將控制端置“0”。這樣的處理會(huì)使總線在狀態(tài)切換時(shí)，有一個(gè)穩(wěn)定的工作過(guò)程。

三種常用電路如下：

1、基本的RS485電路

上圖是最基本的RS485電路，R/D為低電平時(shí)，發(fā)送禁止，接收有效；R/D為高電平時(shí)，則發(fā)送有效，接收截止。通過(guò)軟件控制SP485R的收發(fā)模式。在主從模式下，主機(jī)發(fā)送完命令后，應(yīng)該立即拉低R/D,處于接收模式；而同時(shí)處于從機(jī)的設(shè)備，一班處于接收狀態(tài)，只有收到發(fā)給自己的命令后且需要應(yīng)答的，才拉高R/D，進(jìn)行發(fā)送。

上拉電阻R7和下拉電阻R8，用于保證無(wú)連接的SP485R芯片處于空閑狀態(tài)，提供網(wǎng)絡(luò)失效保護(hù)，提高RS485節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)的可靠性，R7，R8，R9這三個(gè)電阻，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用改變大小，特別是使用120歐或更小的終端電阻時(shí)，R9就不需要了，此時(shí)R7，R8使用680歐電阻。正常情況下，一般R7=R8=4.7K，R9不要。

圖中鉗位于6.8V的管V4，V5，V6，都是為了保護(hù)RS485總線的，避免受外界干擾，也可以選擇集成的總線保護(hù)原件。另外圖中的L1，L2，C1，C2為可選安裝原件，用于提高電路的EMI性能.

2、帶隔離的RS485電路

根本原理與基本電路的原理相似。使用DC-DC器件可以產(chǎn)生1組與微處理器電路完全隔離的電源輸出，用于向RS485收發(fā)器提供+5V電源。電路中的光耦器件速率會(huì)影響RS485電路的通信速率。上圖中選用了NEC的光耦PS2501，受其影響，該電路的通訊速率控制在19200bps下。

3、自動(dòng)切換電路

上圖中，TX，RX引腳均需要上拉電阻，這一點(diǎn)特別重要。

接收：默認(rèn)沒(méi)有數(shù)據(jù)時(shí)，TX為高電平，三極管導(dǎo)通，RE為低電平使能，RO收數(shù)據(jù)有效，MAX485為接收態(tài)。

發(fā)送：發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，TX會(huì)先有一個(gè)下拉的電平（起始位-由高向低），表示開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)，此時(shí)三極管截止，DE為高電平發(fā)送使能。當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)“0”時(shí)，由于DI接口相當(dāng)于接地，此時(shí)數(shù)據(jù)“0”就會(huì)傳輸?shù)紸B扣，A-B<0，則傳輸“0”，完成低電平傳輸，當(dāng)發(fā)送“1”時(shí)，此時(shí)三極管導(dǎo)通，按理說(shuō)RO會(huì)使能，此時(shí)由于還處于發(fā)送數(shù)據(jù)中，這種狀態(tài)下MAX485處于高阻態(tài)，此時(shí)的狀態(tài)通過(guò)A上來(lái)，B下拉電阻決定，此時(shí)A-B>0傳輸“1”，完成高電平的傳輸。

注意：這里面有個(gè)疑惑，發(fā)送數(shù)據(jù)“1”，三極管RE低電平有效，應(yīng)該是接收使能，為什么芯片是高阻態(tài)呢？這是因?yàn)閁ART發(fā)送數(shù)據(jù)是有一定格式的，TX和RX數(shù)據(jù)均以“位”為最小單位進(jìn)行傳輸，在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，UART之間要約定好數(shù)據(jù)傳輸速率，即波特率，數(shù)據(jù)傳輸格式（數(shù)據(jù)位，校驗(yàn)，停止），平時(shí)數(shù)據(jù)線處于空閑狀態(tài)（1狀態(tài)），當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，TX由“1”變?yōu)椤?”維持1位的時(shí)間，這樣接收方檢測(cè)到開(kāi)始位后，再等待1.5位時(shí)間就開(kāi)始一位一位的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸了，也就是說(shuō)，已經(jīng)確定好發(fā)送狀態(tài)，電路發(fā)送“1”時(shí)RE雖然有效，但是由于它處于發(fā)送階段，芯片也不會(huì)收，即芯片處于高阻狀態(tài)。

審核編輯：劉清