RS-485總線之收發(fā)器與數(shù)據(jù)鏈路基礎(chǔ)知識介紹

**1 **RS-485收發(fā)器

RS-485是差分傳輸，如果用單片機(jī)控制RS-485接口的設(shè)備，需要用到收發(fā)器，這一點(diǎn)和CAN總線是類似的，如下是一個MCU控制一個RS-485的圖示。

圖1

收發(fā)器內(nèi)部是一個接收器（上半部分）加一個發(fā)送器（下半部分），下面簡單說說收發(fā)器的原理，便于理解MCU是如何和485設(shè)備通信的。

圖2 RS-485收發(fā)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

其中：

A和B為總線；

R為接收器輸入；

RE為接收器使能信號；

DE為發(fā)送器使能信號；

D為發(fā)送器輸出；

對于使能信號，字母上面加一橫的為低電平有效（如上圖RE），不加的為高電平有效（如DE）。

對于發(fā)送器，有如下的真值表：

當(dāng)驅(qū)動器使能引腳DE為邏輯高時，差分輸出A和B遵循數(shù)據(jù)輸入D處的邏輯狀態(tài)。D處的邏輯高導(dǎo)致A轉(zhuǎn)為高，B轉(zhuǎn)為低。在這種情況下，定義為VOD=VA-VB的差分輸出電壓為正。當(dāng)D為低時，輸出狀態(tài)反轉(zhuǎn)，B變高，A變低，VOD為負(fù)。

當(dāng)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(tài)是不相關(guān)的。

圖3 發(fā)送器真值表

對于接收器，有如下的真值表：

當(dāng)接收器使能引腳RE邏輯低時，接收器被激活。當(dāng)定義為VID=VA–VB的差分輸入電壓為正且高于正輸入閾值VIT+時，接收機(jī)輸出R變高。當(dāng)VID為負(fù)且低于負(fù)輸入閾值VIT-，接收機(jī)輸出R變低。如果VID在VIT+和VIT-之間，則輸出不確定。

當(dāng)RE為邏輯高或懸空時，接收機(jī)輸出為高阻抗，VID的大小和極性無關(guān)。

圖4 接收器真值表

**2 **RS-485數(shù)據(jù)鏈路

上面講到的RS-485收發(fā)器的工作原理，下面簡單描述RS-485的數(shù)據(jù)鏈路。

圖5

主機(jī)發(fā)送給從機(jī)或者從機(jī)發(fā)送給主機(jī)，都會占用到A和B線，所以RS-485多用在半雙工模式。

主機(jī)的GPIO會控制RS-485收發(fā)器的DE管腳，設(shè)置發(fā)送模式，從UART TXD線向RS-485收發(fā)器的數(shù)據(jù)（D或DI）線發(fā)送一個字節(jié)，收發(fā)器將在A和B線上將單端UART位流轉(zhuǎn)換為差分位流，數(shù)據(jù)離開收發(fā)器后，主機(jī)立即將收發(fā)器的模式切換為接收模式。

從機(jī)和主機(jī)是類似的，從機(jī)控制RS-485收發(fā)器的/RE管腳，設(shè)置為接收模式，接收主機(jī)發(fā)送的比特流，將其轉(zhuǎn)換為單端信號，通過從機(jī)的UART RXD線接收，當(dāng)從機(jī)準(zhǔn)備好響應(yīng)時，它按主機(jī)原來的方式進(jìn)行發(fā)送，而主機(jī)變?yōu)榻邮铡?/p>

**3 **RS-232和RS-485轉(zhuǎn)換

RS-232和RS-485之間可以轉(zhuǎn)換，一個方法是RS-232轉(zhuǎn)換成TTL，再由TTL轉(zhuǎn)換為RS-485，當(dāng)然也有芯片支持將RS-232直接轉(zhuǎn)換成RS-485，網(wǎng)上有很多模塊。

4 RS485和RS422

RS232接口是一種用于近距離(最大30-60米)、慢速度、點(diǎn)對點(diǎn)通訊的通訊協(xié)議，在RS232中一個信號只用到一條信號線，采取與地電壓參考的方式，因而在長距離傳輸后，發(fā)送端和接收端地電壓有出入，容易造成通訊出錯或速度降低。

RS485/422接口采用不同的方式:每個信號都采用雙絞線(兩根信號線)傳送，兩條線間的電壓差用于表示數(shù)字信號。例如把雙絞線中的一根標(biāo)為 A(正)，另一根標(biāo)為B(負(fù))，當(dāng)A為正電壓(通常為+5V)，B為負(fù)電壓時(通常為0)，表示信號“1”;反之，A為負(fù)電壓，B為正電壓時表示信號 “0”。RS485/422允許通訊距離可達(dá)到1200米，采用合適的電路可達(dá)到2.5MB/s的傳輸速率。

RS422與RS485采用相同的通訊協(xié)議，但有所不同:它采用兩根雙絞線，數(shù)據(jù)可以同時雙向傳遞(全雙工)。 而RS485則采用一根雙絞線，輸入輸出信號不能同時進(jìn)行(半雙工)，RS485可用于多點(diǎn)通訊，一條信號線上可連接多個設(shè)備，它通常采用主/從結(jié)構(gòu)。

在RS485(半雙工)通信中， 發(fā)送信號時，由TXD輸出的TTL電平信號經(jīng)RS485轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后，從發(fā)送器(A和B)輸出RS485信號;接收信號時，RS485信號經(jīng)接收器(A和B)接收后，然后RS485轉(zhuǎn)換器將信號轉(zhuǎn)換為TTL電平信號，傳給RXD 。（注意： 2個需要通訊設(shè)備之間是各有一個RS485轉(zhuǎn)換器 ， 并不是它們的信號只經(jīng)過了一個RS485轉(zhuǎn)換器就成功通訊了 ）

圖7

在RS422(全雙工)通信中，因信號的輸入和輸出分開，所以需要兩根雙絞線來傳送輸入和輸出信號，標(biāo)為A、B、Y、Z(A為輸入信號的正極，B為輸入信 號的負(fù)極，Y為輸出信號的正極，Z為輸出信號的負(fù)極)。發(fā)送信號時，由TXD輸出的TTL電平信號經(jīng)RS422轉(zhuǎn)換器后，從發(fā)送器(Y和Z)輸出RS485/RS422 信號;接收信號時，RS485/RS422信號經(jīng)接收器(A和B)接收后，RS422轉(zhuǎn)換器將信號轉(zhuǎn)換為TTL電平信號，傳給串口的RXD。

圖8:DM系列RS485/RS422接口轉(zhuǎn)換器原理圖(半雙工)

圖9:DM系列RS485/RS422接口轉(zhuǎn)換器原理圖(全雙工)

以上圖片只是貼出了一半的接線圖，這里給出一張多機(jī)通訊的RS485接線原理圖（半雙工）

圖10

典型接法

DM485的輸出端最多可以連接256個RS485接口，其典型接法如圖3(半雙工)和圖4(全雙工)所示。在最遠(yuǎn)的兩個終端上，輸入和輸出端之間各需接 上一個120歐姆的電阻。在RS485/RS422的接口連接時，甲接口的輸出端接乙接口的輸入端，雙絞線的正極接正極，負(fù)極接負(fù)極;甲接口的輸入端接乙 接口的輸出端，雙絞線的正極接正極，負(fù)極接負(fù)極。

圖11

圖12

注意事項(xiàng)

1、在長距離傳輸中，一定要使用用雙絞線

2、多終端傳輸時，距離最遠(yuǎn)的兩個終端上，輸入和輸出端之間一定連接120歐姆的電阻。

補(bǔ)充：我不知道為什么那么多的資料都沒有說明RS485通信發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時的細(xì)節(jié)，都只說2根線就能發(fā)送和接收數(shù)據(jù)？注意：485芯片有個控制端，控制端高電平時候?yàn)榻邮諗?shù)據(jù)，低電平時候?yàn)榘l(fā)送數(shù)據(jù)。而我們在實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)的時候，在使用RS485通信時，如果自己的電路并沒有設(shè)計(jì)成RS485硬件自收發(fā)切換的電路，則需要自己控制485的收發(fā)使能引腳。即發(fā)送數(shù)據(jù)時，需要拉低485芯片控制端的IO口；相反接收數(shù)據(jù)時，需要拉高控制端的IO口。

需要自己控制收發(fā)的485芯片原理圖:

圖13

控制策略：UART_CON為低電平，485處于接收狀態(tài)；UART_CON為高電平，485處于發(fā)送狀態(tài)。通過切換UART_CON的電平來達(dá)到485收發(fā)狀態(tài)的切換。

485芯片硬件自動收發(fā)切換電路:

圖14

接收：默認(rèn)沒有數(shù)據(jù)時，在接收數(shù)據(jù)的過程中，TXD引腳是一直保持高電平的，三極管導(dǎo)通，RE低電平使能，485芯片處于接收狀態(tài)，然后485芯片的RO引腳（也就是接RXD的引腳）就會反應(yīng)AB傳輸過來的數(shù)據(jù)。

發(fā)送：發(fā)送數(shù)據(jù)時，TX會先有一個下拉的電平（起始位-由高向低），表示開始發(fā)送數(shù)據(jù)，此時三極管截止，DE為高電平發(fā)送使能。當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)“0”時，由于DI接口相當(dāng)于接地，此時數(shù)據(jù)“0”就會傳輸?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，此時三極管導(dǎo)通，RE變?yōu)榈碗娖剑蠢碚f會讓接收使能，但是由于還處于發(fā)送數(shù)據(jù)中，這種狀態(tài)下MAX485處于高阻態(tài)，此時的狀態(tài)通過A上拉電阻(R5)，B下拉電阻(R4)決定，此時A-B>0傳輸“1”，完成高電平的傳輸。

注意：這里面有個疑惑，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，TX由“1”變?yōu)椤?”維持1位的時間，這樣接收方檢測到開始位后，再等待1.5位時間就開始一位一位的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸了，也就是說，已經(jīng)確定好發(fā)送狀態(tài)，電路發(fā)送“1”時RE雖然有效，但是由于它處于發(fā)送階段，芯片也不會收，即芯片處于高阻狀態(tài)。

**5 **RS-485和CAN的區(qū)別

雖說RS-485沒有標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)協(xié)議格式，但和CAN總線在很多地方是有相似的，比如A&B和CANH&CANL都是差分信號，通信都需要收發(fā)器，都需要120歐姆的匹配電阻等等。

**6 **RS-485常用電路

網(wǎng)上找的一個常用的RS-485電路，其中需要注意兩點(diǎn)：

圖15

1）使能信號RE和DE可采用一個GPIO控制，節(jié)省資源，GPIO25輸出高電平，RE=DE=0V，進(jìn)入接收模式；GPIO25輸出低電平，RE=DE=3.3V，進(jìn)入發(fā)送模式。

2）有一些電路中會在A上加上拉，B上加下拉電阻，主要原因是：RS-485總線在idle狀態(tài)，電平是不固定的，即電平在-200mV~+200mV之間，收發(fā)器可能輸出高也可能輸出低，UART在空閑時需要保持高電平的，如果此時收發(fā)器輸出一個低電平，對UART來說是一個start bit，會導(dǎo)致通信異常。