剖析RS-485原理以及与其他总线的区别

浅浅的花香味﹌ 2023-01-08 11:22 126阅读 0赞

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转自 | 记得城

RS-485在很多场景都有，特别是在一些工业设备中，本文带你深入理解RS-485的原理。

**▉ RS-485概述**

RS-485和RS-232一样，都是串行通信标准，现在的标准名称是TIA485/EIA-485-A，但是人们会习惯称为RS-485标准，RS-485常用在工业、自动化、汽车和建筑物管理等领域。

RS-485总线弥补了RS-232通信距离短，速率低的缺点，RS-485的速率可高达10Mbit/s，理论通讯距离可达1200米；RS-485和RS-232的单端传输不一样，是**差分传输**，使用一对双绞线，其中一根线定义为**A**，另一个定义为**B**。

![format_png 1][]

双绞线

**▉ RS-485物理层**

RS-485的物理层负责在设备和物理传输介质之间传输原始数据。它处理电信号到数字数据的转换，同时定义电压、时序、数据速率等。

**① 差分信号**

长距离布线会有信号衰减，而且引入噪声和干扰的可能性更大，在线缆A和B上的表现就是电压幅度的变化，但是，采用差分线的好处就是，差值相减就会忽略掉干扰依旧能输出正常的信号，把这种差分接收器忽略两条信号线上相同电压的能力称为**共模抑制**。

![format_png 2][]

标准规定了，逻辑1：+2V to +6V；逻辑0：-6V to -2V。

RS-485不需要使用特定的总线电压，只看最小差分电压，在较长的电缆长度上，接收器接收到的电压可能会降低到+/- 200 mV，这对于RS-485仍然是完全可以接受的，这也是RS-485的优点之一。

![format_png 3][]

很多收发器的标准达到甚至超过TIA/EIA-485A规范，在实际使用中，以器件的SPEC参数为主，如下某收发器的负输入阈值最小也是-200mV。

![format_png 4][]

**② 信号定义**

现在很多的RS-485转换器都是兼容RS-422的，所以看到很多转换器上面的信号都是T/R+、T/R-，即对应RS-485的A+和B-。

![format_png 5][]

对于DB9针型的母头，RS-485有如下的接线定义示意，Pin6~Pin9为N/A不接。

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>DB9<br></td> 
   <td>输出信号<br></td> 
   <td>RS-422全双工接线<br></td> 
   <td>RS-485半双工接线<br></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>1<br></td> 
   <td>T/R+<br></td> 
   <td>发（A+）<br></td> 
   <td>RS-485（A+）<br></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>2</td> 
   <td>T/R-<br></td> 
   <td>发（B-）<br></td> 
   <td>RS-485（B-）<br></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>3</td> 
   <td>RXD+<br></td> 
   <td>收（A+）<br></td> 
   <td>空<br></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>4<br></td> 
   <td>RXD-<br></td> 
   <td>收（B-）<br></td> 
   <td>空<br></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>5<br></td> 
   <td>GND<br></td> 
   <td>地线<br></td> 
   <td>地线<br></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

**③ 拓扑结构**

RS485有两线制和四线制两种接线，四线制只能实现点对点的通信方式，现很少采用，多采用的是两线制接线方式，这种接线方式为总线拓扑结构，在同一总线上最多可以挂接32个节点。

RS-485总线同I2C，也是主从模式，支持点对点单从机模式，也支持多从机模式，不支持多主机模式。

![format_png 6][]

**▉ RS-485收发器**

RS-485是差分传输，如果用单片机控制RS-485接口的设备，需要用到**收发器**，这一点和CAN总线是类似的，如下是一个MCU控制一个RS-485的图示。

![format_png 7][]

收发器内部是一个接收器（上半部分）加一个发送器（下半部分），下面简单说说收发器的原理，便于理解MCU是如何和485设备通信的。

![format_png 8][]

RS-485收发器内部结构

其中：

*  A和B为总线；
 *  R为接收器输入；
 *  RE为接收器使能信号；
 *  DE为发送器使能信号；
 *  D为发送器输出；

对于使能信号，字母上面加一横的为低电平有效（如上图RE），不加的为高电平有效（如DE）。

**对于发送器，有如下的真值表：**

1、当驱动器使能引脚DE为逻辑高时，差分输出A和B遵循数据输入D处的逻辑状态。D处的逻辑高导致A转为高，B转为低。在这种情况下，定义为VOD=VA-VB的差分输出电压为正。当D为低时，输出状态反转，B变高，A变低，VOD为负。

2、当DE低时，两个输出都变成高阻抗。在这种情况下，与D处的逻辑状态是不相关的。

![format_png 9][]

发送器真值表

**对于接收器，有如下的真值表：**

1、当接收器使能引脚RE逻辑低时，接收器被激活。当定义为VID=VA–VB的差分输入电压为正且高于正输入阈值VIT+时，接收机输出R变高。当VID为负且低于负输入阈值VIT-，接收机输出R变低。如果VID在VIT+和VIT-之间，则输出不确定。

2、当RE为逻辑高或悬空时，接收机输出为高阻抗，VID的大小和极性无关。

![format_png 10][]

接收器真值表

**▉ RS-485数据链路**

上面讲到的RS-485收发器的工作原理，下面简单描述RS-485的数据链路，可以先看一下[通俗易懂的UART协议帧格式][UART]

![format_png 11][]

主机发送给从机或者从机发送给主机，都会占用到A和B线，所以RS-485多用在半双工模式。

主机的GPIO会控制RS-485收发器的DE管脚，设置发送模式，从UART TXD线向RS-485收发器的数据（D或DI）线发送一个字节，收发器将在A和B线上将单端UART位流转换为差分位流，数据离开收发器后，主机立即将收发器的模式切换为接收模式。

从机和主机是类似的，从机控制RS-485收发器的/RE管脚，设置为接收模式，接收主机发送的比特流，将其转换为单端信号，通过从机的UART RXD线接收，当从机准备好响应时，它按主机原来的方式进行发送，而主机变为接收。

**▉ RS-232和RS-485转换**

RS-232和RS-485之间可以转换，一个方法是RS-232转换成TTL，再由TTL转换为RS-485，当然也有芯片支持将RS-232直接转换成RS-485，网上有很多模块。

![format_png 12][]

RS-232和RS-485转换模块

**▉ RS-485和CAN的区别**

虽说RS-485没有标准的数据协议格式，但和CAN总线在很多地方是有相似的，比如A&B和CANH&CANL都是差分信号，通信都需要收发器，都需要120欧姆的匹配电阻等等。

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>总线特性<br></td> 
   <td>CAN总线</td> 
   <td>RS-485总线</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>硬件成本<br></td> 
   <td>稍高<br></td> 
   <td>低廉</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>总线利用率<br></td> 
   <td>优先级自动仲裁，利用率高</td> 
   <td>采用轮询，利用率低</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>数据传输率<br></td> 
   <td>高<br></td> 
   <td>低</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>错误检测机制<br></td> 
   <td>控制器带校验机制，保证底层数据传输正确</td> 
   <td>只有物理层规范，无数据链路层规定</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>单节点故障影响<br></td> 
   <td>&nbsp;总线无影响</td> 
   <td>总线瘫痪</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>开发成本<br></td> 
   <td>软件开发灵活，时间成本低</td> 
   <td>开发难度较大</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>系统成本<br></td> 
   <td>较低&nbsp;</td> 
   <td>高<br></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

**▉ RS-485常用电路**

网上找的一个常用的RS-485电路，其中需要注意两点：

![format_png 13][]

1、使能信号RE和DE可采用一个GPIO控制，节省资源，GPIO25输出高电平，RE=DE=0V，进入接收模式；GPIO25输出低电平，RE=DE=3.3V，进入发送模式。

2、有一些电路中会在A上加上拉，B上加下拉电阻，主要原因是：RS-485总线在idle状态，电平是不固定的，即电平在-200mV~+200mV之间，收发器可能输出高也可能输出低，UART在空闲时需要保持高电平的，如果此时收发器输出一个低电平，对UART来说是一个start bit，会导致通信异常，关于Ru和Rd的阻值在这里不作过多赘述，后面有机会会详细写一篇文章。

关于第二点，需要注意：

① A上加上拉，B上加下拉，接反数据通信也可能出错。

② 某些收发器内部集成上下拉电阻，则外部不需要再添加。

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[format_png 2]: /images/20221119/3f35c7cc1a94422db4f103d1ea796c01.png
[format_png 3]: /images/20221119/d671289990bc456caf756fda600487ac.png
[format_png 4]: /images/20221119/2e2d3a9e28744dce9b825c4d6c8ef3b7.png
[format_png 5]: /images/20221119/6b4b1a0b7d47436fa6b78177ad7bdbd9.png
[format_png 6]: /images/20221119/692f86ba3fb9469c8bd922b9e52c409b.png
[format_png 7]: /images/20221119/03c8adb7ab4347d8a00f960c42039256.png
[format_png 8]: /images/20221119/867590c99f6d4b3bb5376c16d5d0e4d0.png
[format_png 9]: /images/20221119/b4429568ff774ada8a961e6ac8b20c64.png
[format_png 10]: /images/20221119/198561a21d344faf896e81b8350e6dc8.png
[UART]: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIwMDU3MjE2Nw%3D%3D&chksm=8d136099ba64e98f6111bc2e40d634eda0d0517c8ae21a115f337bd2b32b50d854b109e8585c&idx=1&mid=2652695793&scene=21&sn=60d2913da6bfd372a8a08af33301d075#wechat_redirect
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[format_png 12]: /images/20221119/bf80bfebf4a143309311d5d55f98b5f4.png
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