详解RS485通信协议

RS-485是美国电子工业协会（EIA）在1983年批准了一个新的平衡传输标准（balanced transmission standard），EIA一开始将RS（Recommended Standard）做为标准的前缀，不过后来为了便于识别标准的来源，已将RS改为EIA/TIA。目前标准名称为TIA-485，但工程师及应用指南仍继续使用RS-485来称呼此标准。

RS-485仅是一个电气标准，描述了接口的物理层，像协议、时序、串行或并行数据以及链路全部由设计者或更高层协议定义。RS-485定义的是使用平衡（也称作差分）多点传输线的驱动器（driver）和接收器（receiver）的电气特性。

关键特性

差分传输增加噪声抗扰度，减少噪声辐射

长距离链路，最长可达4000英尺（约1219米）

数据速率高达10Mbps（40英寸内，约12.2米）

同一总线可以连接多个驱动器和接收器

宽共模范围允许驱动器和接收器之间存在地电位差异，允许最大共模电压-7-12V

信号电平

RS-485能够进行远距离传输主要得益于使用差分信号进行传输，当有噪声干扰时仍可以使用线路上两者差值进行判断，使传输数据不受噪声干扰。

RS-485差分线路包括以下2个信号：

A：非反向（non-inverting）信号

B：反向（inverting）信号

也可能会有第3个信号，为了平衡线路正常动作要求所有平衡线路上有一个共同参考点，称为SC或者G。该信号可以限制接收端收到的共模信号，收发器会以此信号作为基准值来测量AB线路上的电压。
RS-485标准中提到：

若是MARK（逻辑1），线路B信号电压比线路A高

若是SPACE（逻辑0），线路A信号电压比线路B高

注：不同的IC使用的信号标示方式不同，不过EIA的标准中只使用A和B的名称。数据为1时，信号B会比信号A要高。不过因为标准其中也提到信号A是“非反向信号”，信号B是“反向信号”。因此信号A、B的定义就更容易混淆了，许多组件制造商（错误的）依循了这个A/B的命名原则，所以具体定义需要实际参考设计厂家芯片手册。

为了不引起分歧，一种常用的命名方式是：

TX+ / RX+ 或D+来代替B（信号1时为高电平）

TX- / RX- 或D-来代替A（信号0时为低电平）

下图列出在RS-485利用“异步开始-停止”方式发送一个字符（0xD3，最低比特先发送）时，U+端子及 U−端子上的电压变化。

阈值电压

如果发射器输入端收到逻辑高电平（DI=1）,则线路A电压高于线路B（VOA>VOB）；
如果发射器输入端接收到逻辑低电平（DI=0），则线路B电压高于线路A（VOB>VOA）。
如果接收器的输入端线路A电压高于线路B（VIA-VIB>200mV），则接收器输出为逻辑高电平（RO=1）；
如果接收器的输入端线路B电压高于线路A（VIB-VIA>200mV），则接收器输出逻辑低电平（RO=0）。

符合RS-485标准的驱动器能够提供不小于1.5V的差分输出（在54Ω负载下），符合RS-485标准的接收器能检测小到200mV的差分信号输入。即便是在线缆和连接器严重降级的情况下，这两个值仍能为高可靠性的数据传输提供充足的余量。

单位负载（UL）

RS-485总线上的驱动器和接收器最大数量取决于它们的负载特性。驱动器和接收器的负载都是相对单位负载而衡量的。485标准规定一根传输总线上最多可以挂接32个单位负载。

单位负载定义为：在12V共模电压环境中，允许通过稳态负载1mA电流，或者是在-7V共模电压环境中，允许通过稳态负载0.8mA电流。将接收器输入阻抗看作12 kΩ并给收发器1mA电流，这可以代表一个单位负载。 部分RS-485接收器额定具有1/4或1/8UL，意味着可以挂载多数量的连接器。有关UL和接收器输入阻抗对应关系如下图所示：

工作模式

总线接口可以设计为如下两种方式：

半双工（Half-Duplex）RS-485

全双工（Full-Duplex）RS-485

关于多个半双工总线配置如下图所示，一次只能在一个方向传输数据。

  关于全双工总线配置如下图所示，允许主从节点之间双向同时通信。  

总线终端和分支长度

为避免信号反射，当线缆长度很长时数据传输线必须有终点，并且分支长度尽可能的短。正确的终端需要终端电阻RT匹配，其值为传输线的特性阻抗Z0。RS-485标准建议线缆的Z0=120Ω。电缆干线通常终端匹配120Ω的电阻，线缆的末尾处各一个。见下图示意：

分支的电气长度（收发器和电缆干线的导线距离）应小于驱动器上升沿时间的十分之一：

LStub ≤ tr * v * c/10

LStub= 最大分支长度（单位英尺）
tr= 驱动器（10/90）上升沿时间（单位ns）
v = 信号在电缆上传输的速率相对于光速的比率
c = 光速（9.8*10^8ft/s）
太长的分支长度会导致信号发射反射影响阻抗，下图是长分支长度与短分支长度波形对比

数据速率和电缆长度

使用高数据速率时，只能使用较短线缆。使用低数据速率时，可以使用较长的线缆。对应低速率应用，电缆的直流电阻通过在电缆压降增加了噪声裕量，限制了电缆长度。使用高速率应用时，电缆的交流效应限制了信号质量，限制电缆长度。下图提供了较为保守的电缆长度和数据速率变化曲线。

故障安全（Fail-Safe）

总线空闲期间，没有器件驱动总线，接收器输出处于未定义状态。这会导致UART上接收到随机数据，进而影响无效起始位或帧错误。为了解决该问题，可以在总线上放置上拉下拉电阻进行偏置，具体上下拉电阻大小选择后面会讲到，如下图所示：

R1和R2计算如下（假设RT=120Ω）：

R1=R2=R

VIA-VIB ≥ 200mV

VIA-VIB = RT*VCC / (2R+RT) = 200mV

if VCC = 5V,then R = 1440Ω

if VCC = 3V,then R = 960Ω

如果R值有较低值（VIA-VIB>200mV），系统有更大的噪声裕量。当然上下拉电阻会导致DC电流偏置，增加Tx负载，使得节点数量减少。有关总线状态和差分输入电压图形如下图所示：

真故障安全接收器（Ture Fail-Safe Receivers）

新一代RS-485接收器经过改进，使差分输入阈值电压从±200mV调整至-200mV和-30mV，这样就可以省去使用上下拉电阻。在总线空闲期间，VIA-VIB=0（大于-30mV）导致接收器输出处于高电平（RO=1），处于确定状态。

隔离

RS-485通常使用较长链路，这会引起总线上不同节点的地电平略有不同，当有较大地电势差时会以共模干扰的形式叠加到传输线上。如果叠加的干扰信号超出接收器输入共模范围，依靠本地接地作为电流回路是很危险的，最好的解决方式是使用信号和电源隔离来实现健壮的长距离传输，下图是ADI ADM2485隔离RS-485芯片连线示意图：

ESD保护

在工业应用中，雷击、电源波动、静电放电会产生较大的瞬变电压对RS-485收发器造成损害。以下ESD保护、EFT保护和浪涌保护技术规范适用于RS-485应用：

IEC 61000-4-2 ESD protection

IEC 61000-4-4 EFT protection

IEC 61000-4-5 surge protection

使用外部钳位器件（比如TVS二极管），保护程度可进一步提升。在RS-485应用中，TVS是将总线上的电压钳位到RS-485收发器的共模电压范围（-7–12V）。一些TVS器件专门为RS-485Y应用设计。对于更高的电源瞬变，可在受保护器件与输入引脚之间增加电阻RS（10-20Ω）来加强保护。

上面的文章提到了使用上下拉电阻来解决故障安全问题，保证在总线空闲时期不会出现无效起始位等影响，下面的文章介绍上下拉电阻的阻值大小该如何取值。下面分两个网络来介绍。

单故障安全偏置网络设计（Sigle Fail-Safe Biasing Network Design）

下图是上图的等效集总电路，上下拉偏置电阻是

连接到总线所有收发器的等效输入电阻。下面开始计算这种情况下电阻取值选择。

双故障安全偏置网络设计（Dual Fail-Safe Biasing Network Design）

为了在较长电缆长度上保持足够，需要在两端添加偏置网络。电路如下图所示：

单故障安全偏置网络：

双故障安全偏置网络：

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审核编辑 ：李倩