什么是RS-485接口？它比RS-232-C接口相比有何特點(diǎn)？

?RS-485接口是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)制定的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)，主要用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)通信??12。RS-485接口的標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)為EIA/TIA-485，其全稱(chēng)為“Recommended Standard 485”，即“推薦標(biāo)準(zhǔn)485”?13。

RS-485接口的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

?傳輸速率高?：RS-485接口的傳輸速率可以達(dá)到10Mbps，適用于高速數(shù)據(jù)傳輸場(chǎng)景?1。

?傳輸距離遠(yuǎn)?：在理想條件下，RS-485接口的最大傳輸距離可達(dá)1200米，實(shí)際使用中通常在無(wú)中繼的情況下可以達(dá)到幾百米?12。

?支持多點(diǎn)通信?：RS-485接口支持多點(diǎn)拓?fù)溥B接，可以連接多個(gè)設(shè)備進(jìn)行通信?12。

?抗干擾能力強(qiáng)?：采用差分形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，能夠有效抑制共模干擾，適合在干擾較大的工業(yè)環(huán)境中使用?14。

RS-485接口的應(yīng)用場(chǎng)景

RS-485接口廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、監(jiān)控系統(tǒng)、儀器儀表等領(lǐng)域，特別是在需要長(zhǎng)距離、高速率、多點(diǎn)通信的場(chǎng)景中表現(xiàn)出色。例如，在工廠自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化、交通控制等系統(tǒng)中，RS-485接口被廣泛使用?12。

RS-485接口與RS232和RS422的區(qū)別

?RS232?：主要用于低速設(shè)備間的連接，傳輸距離較短，通常不超過(guò)15米。

?RS422?：支持多點(diǎn)通信，傳輸距離較遠(yuǎn)，但不如RS-485抗干擾能力強(qiáng)。

?RS-485?：結(jié)合了RS232和RS422的優(yōu)點(diǎn)，具有更遠(yuǎn)的傳輸距離和更強(qiáng)的抗干擾能力，適用于更多節(jié)點(diǎn)和長(zhǎng)距離通信需求?2。RS485接口組成的半雙工網(wǎng)絡(luò)，一般是兩線(xiàn)制，多采用屏蔽雙絞線(xiàn)傳輸，這種接線(xiàn)方式為總線(xiàn)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在同一總線(xiàn)上最多可以?huà)旖?2個(gè)結(jié)點(diǎn)。我們知道，最初數(shù)據(jù)是模擬信號(hào)輸出簡(jiǎn)單過(guò)程量，后來(lái)儀表接口是RS232接口，這種接口可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式，但這種方式不能實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能，隨后出現(xiàn)的RS485解決了這個(gè)問(wèn)題。為此本文通過(guò)問(wèn)答的形式詳細(xì)介紹RS485接口。

ModbusRTU與RS485是什么關(guān)系?

準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)，兩者應(yīng)該是不同層級(jí)的關(guān)系，ModbusRTU是應(yīng)用層一種通信協(xié)議，RS485是物理層的一種接口標(biāo)準(zhǔn)。

我們常說(shuō)的ModbusRTU通信，通常是指基于RS485，但是ModbusRTU協(xié)議也可以基于RS232/RS422，甚至可以基于以太網(wǎng)TCP/UDP。

同時(shí)，RS485也不是ModbusRTU的專(zhuān)屬，任何協(xié)議都可以基于RS485傳輸，至于能不能實(shí)現(xiàn)一主多從，要看協(xié)議層面有沒(méi)有設(shè)計(jì)設(shè)備地址。

一主多從的實(shí)現(xiàn)有兩個(gè)條件，第一是物理層支持，第二是應(yīng)用層支持，兩者缺一不可。比如，我們物理層使用RS232，即使應(yīng)用層使用ModbusRTU協(xié)議，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)一主多從。

一、什么是RS-485接口?它比RS-232-C接口相比有何特點(diǎn)?

答：由于RS-232-C接口標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)較早，難免有不足之處，主要有以下四點(diǎn)：

(1)接口的信號(hào)電平值較高，易損壞接口電路的芯片，又因?yàn)榕cTTL電平不兼容故需使用電平轉(zhuǎn)換電路方能與TTL電路連接。

(2)傳輸速率較低，在異步傳輸時(shí)，波特率為20Kbps。

(3)接口使用一根信號(hào)線(xiàn)和一根信號(hào)返回線(xiàn)而構(gòu)成共地的傳輸形式，這種共地傳輸容易產(chǎn)生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱。

(4)傳輸距離有限，最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為50英尺，實(shí)際上也只能用在50米左右。針對(duì)RS-232-C的不足，于是就不斷出現(xiàn)了一些新的接口標(biāo)準(zhǔn)，RS-485就是其中之一，它具有以下特點(diǎn)：

1)RS-485的電氣特性：邏輯“1”以?xún)删€(xiàn)間的電壓差為+(2-6)V表示;邏輯“0”以?xún)删€(xiàn)間的電壓差為-(2-6)V表示。接口信號(hào)電平比RS-232-C降低了，就不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL電路連接。

2)RS-485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps

3)RS-485接口是采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗共模干能力增強(qiáng)，即抗噪聲干擾性好。

4)RS-485接口的最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為4000英尺，實(shí)際上可達(dá)3000米，另外RS-232-C接口在總線(xiàn)上只允許連接1個(gè)收發(fā)器，即單站能力。而RS-485接口在總線(xiàn)上是允許連接多達(dá)128個(gè)收發(fā)器。即具有多站能力，這樣用戶(hù)可以利用單一的RS-485接口方便地建立起設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。

5)因RS-485接口具有良好的抗噪聲干擾性，長(zhǎng)的傳輸距離和多站能力等上述優(yōu)點(diǎn)就使其成為首選的串行接口。因?yàn)镽S485接口組成的半雙工網(wǎng)絡(luò)，一般只需二根連線(xiàn)，所以RS485接口均采用屏蔽雙絞線(xiàn)傳輸。RS485接口連接器采用DB-9的9芯插頭座，與智能終端RS485接口采用DB-9(孔)，與鍵盤(pán)連接的鍵盤(pán)接口RS485采用DB-9(針)。

二、RS-422與RS-485串行接口標(biāo)準(zhǔn)

1、平衡傳輸

RS-422、RS-485與RS-232不一樣，數(shù)據(jù)信號(hào)采用差分傳輸方式，也稱(chēng)作平衡傳輸，它使用一對(duì)雙絞線(xiàn)，將其中一線(xiàn)定義為A，另一線(xiàn)定義為B

通常情況下，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器A、B之間的正電平在+2～+6V，是一個(gè)邏輯狀態(tài)，負(fù)電平在-2～6V，是另一個(gè)邏輯狀態(tài)。另有一個(gè)信號(hào)地C，在RS-485中還有一“使能”端，而在RS-422中這是可用可不用的?！笆鼓堋倍耸怯糜诳刂瓢l(fā)送驅(qū)動(dòng)器與傳輸線(xiàn)的切斷與連接。當(dāng)“使能”端起作用時(shí)，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器處于高阻狀態(tài)，稱(chēng)作“第三態(tài)”，即它是有別于邏輯“1”與“0”的第三態(tài)。

接收器也作與發(fā)送端相對(duì)的規(guī)定，收、發(fā)端通過(guò)平衡雙絞線(xiàn)將AA與BB對(duì)應(yīng)相連，當(dāng)在收端AB之間有大于+200mV的電平時(shí)，輸出正邏輯電平，小于-200mV時(shí)，輸出負(fù)邏輯電平。接收器接收平衡線(xiàn)上的電平范圍通常在200mV至6V之間。

2、RS-422電氣規(guī)定

RS-422標(biāo)準(zhǔn)全稱(chēng)是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”，它定義了接口電路的特性。圖2是典型的RS-422四線(xiàn)接口。實(shí)際上還有一根信號(hào)地線(xiàn)，共5根線(xiàn)。圖1是其DB9連接器引腳定義。由于接收器采用高輸入阻抗和發(fā)送驅(qū)動(dòng)器比RS232更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，故允許在相同傳輸線(xiàn)上連接多個(gè)接收節(jié)點(diǎn)，最多可接10個(gè)節(jié)點(diǎn)。即一個(gè)主設(shè)備(Master)，其余為從設(shè)備(Salve)，從設(shè)備之間不能通信，所以RS-422支持點(diǎn)對(duì)多的雙向通信。接收器輸入阻抗為4k，故發(fā)端最大負(fù)載能力是10×4k+100Ω(終接電阻)。RS-422四線(xiàn)接口由于采用單獨(dú)的發(fā)送和接收通道，因此不必控制數(shù)據(jù)方向，各裝置之間任何必須的信號(hào)交換均可以按軟件方式(XON/XOFF握手)或硬件方式(一對(duì)單獨(dú)的雙絞線(xiàn))實(shí)現(xiàn)。RS-422的最大傳輸距離為4000英尺(約1219米)，最大傳輸速率為10Mb/s。其平衡雙絞線(xiàn)的長(zhǎng)度與傳輸速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能達(dá)到最大傳輸距離。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長(zhǎng)的雙絞線(xiàn)上所能獲得的最大傳輸速率僅為1Mb/s。

RS-422需要一終接電阻，要求其阻值約等于傳輸電纜的特性阻抗。在矩距離傳輸時(shí)可不需終接電阻，即一般在300米以下不需終接電阻。終接電阻接在傳輸電纜的最遠(yuǎn)端。

3、RS-485電氣規(guī)定

由于RS-485是從RS-422基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，所以RS-485許多電氣規(guī)定與RS-422相仿。如都采用平衡傳輸方式、都需要在傳輸線(xiàn)上接終接電阻等。RS-485可以采用二線(xiàn)與四線(xiàn)方式，二線(xiàn)制可實(shí)現(xiàn)真正的多點(diǎn)雙向通信。

而采用四線(xiàn)連接時(shí)，與RS-422一樣只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多的通信，即只能有一個(gè)主(Master)設(shè)備，其余為從設(shè)備，但它比RS-422有改進(jìn)，無(wú)論四線(xiàn)還是二線(xiàn)連接方式總線(xiàn)上可多接到32個(gè)設(shè)備。

RS-485與RS-422的不同還在于其共模輸出電壓是不同的，RS-485是-7V至+12V之間，而RS-422在-7V至+7V之間，RS-485接收器最小輸入阻抗為12k劍鳵S-422是4k健;舊峽梢運(yùn)礡S-485滿(mǎn)足所有RS-422的規(guī)范，所以RS-485的驅(qū)動(dòng)器可以用在RS-422網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。

RS-485與RS-422一樣，其最大傳輸距離約為1219米，最大傳輸速率為10Mb/s。平衡雙絞線(xiàn)的長(zhǎng)度與傳輸速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能使用規(guī)定最長(zhǎng)的電纜長(zhǎng)度。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長(zhǎng)雙絞線(xiàn)最大傳輸速率僅為1Mb/s。

RS-485需要2個(gè)終接電阻，其阻值要求等于傳輸電纜的特性阻抗。在矩距離傳輸時(shí)可不需終接電阻，即一般在300米以下不需終接電阻。終接電阻接在傳輸總線(xiàn)的兩端。

三、RS-422與RS-485的網(wǎng)絡(luò)安裝注意要點(diǎn)

RS-422可支持10個(gè)節(jié)點(diǎn)，RS-485支持32個(gè)節(jié)點(diǎn)，因此多節(jié)點(diǎn)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟话悴捎媒K端匹配的總線(xiàn)型結(jié)構(gòu)，不支持環(huán)形或星形網(wǎng)絡(luò)。在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)時(shí)，應(yīng)注意如下幾點(diǎn)：

1、采用一條雙絞線(xiàn)電纜作總線(xiàn)，將各個(gè)節(jié)點(diǎn)串接起來(lái)，從總線(xiàn)到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的引出線(xiàn)長(zhǎng)度應(yīng)盡量短，以便使引出線(xiàn)中的反射信號(hào)對(duì)總線(xiàn)信號(hào)的影響最低。所示為實(shí)際應(yīng)用中常見(jiàn)的一些錯(cuò)誤連接方式(a，c，e)和正確的連接方式(b，d，f)。a，c，e這三種網(wǎng)絡(luò)連接盡管不正確，在短距離、低速率仍可能正常工作，但隨著通信距離的延長(zhǎng)或通信速率的提高，其不良影響會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重，主要原因是信號(hào)在各支路末端反射后與原信號(hào)疊加，會(huì)造成信號(hào)質(zhì)量下降。

2、應(yīng)注意總線(xiàn)特性阻抗的連續(xù)性，在阻抗不連續(xù)點(diǎn)就會(huì)發(fā)生信號(hào)的反射。下列幾種情況易產(chǎn)生這種不連續(xù)性：總線(xiàn)的不同區(qū)段采用了不同電纜，或某一段總線(xiàn)上有過(guò)多收發(fā)器緊靠在一起安裝，再者是過(guò)長(zhǎng)的分支線(xiàn)引出到總線(xiàn)。

總之，應(yīng)該提供一條單一、連續(xù)的信號(hào)通道作為總線(xiàn)。

四、RS-422與RS-485傳輸線(xiàn)上匹配的一些說(shuō)明

對(duì)RS-422與RS-485總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)一般要使用終接電阻進(jìn)行匹配。但在短距離與低速率下可以不用考慮終端匹配。那么在什么情況下不用考慮匹配呢?理論上，在每個(gè)接收數(shù)據(jù)信號(hào)的中點(diǎn)進(jìn)行采樣時(shí)，只要反射信號(hào)在開(kāi)始采樣時(shí)衰減到足夠低就可以不考慮匹配。但這在實(shí)際上難以掌握，有篇文章提到一條經(jīng)驗(yàn)性的原則可以用來(lái)判斷在什么樣的數(shù)據(jù)速率和電纜長(zhǎng)度時(shí)需要進(jìn)行匹配：當(dāng)信號(hào)的轉(zhuǎn)換時(shí)間(上升或下降時(shí)間)超過(guò)電信號(hào)沿總線(xiàn)單向傳輸所需時(shí)間的3倍以上時(shí)就可以不加匹配。例如具有限斜率特性的RS-485接口MAX483輸出信號(hào)的上升或下降時(shí)間最小為250ns，典型雙絞線(xiàn)上的信號(hào)傳輸速率約為0.2m/ns(24AWGPVC電纜)，那么只要數(shù)據(jù)速率在250kb/s以?xún)?nèi)、電纜長(zhǎng)度不超過(guò)16米，采用MAX483作為RS-485接口時(shí)就可以不加終端匹配。

一般終端匹配采用終接電阻方法，RS-422在總線(xiàn)電纜的遠(yuǎn)端并接電阻，RS-485則應(yīng)在總線(xiàn)電纜的開(kāi)始和末端都需并接終接電阻。終接電阻一般在RS-422網(wǎng)絡(luò)中取100Ω，在RS-485網(wǎng)絡(luò)中取120Ω。相當(dāng)于電纜特性阻抗的電阻，因?yàn)榇蠖鄶?shù)雙絞線(xiàn)電纜特性阻抗大約在100～120Ω。這種匹配方法簡(jiǎn)單有效，但有一個(gè)缺點(diǎn)，匹配電阻要消耗較大功率，對(duì)于功耗限制比較嚴(yán)格的系統(tǒng)不太適合。

另外一種比較省電的匹配方式是RC匹配，利用一只電容C隔斷直流成分可以節(jié)省大部分功率。但電容C的取值是個(gè)難點(diǎn)，需要在功耗和匹配質(zhì)量間進(jìn)行折衷。

還有一種采用二極管的匹配方法，這種方案雖未實(shí)現(xiàn)真正的“匹配”，但它利用二極管的鉗位作用能迅速削弱反射信號(hào)，達(dá)到改善信號(hào)質(zhì)量的目的。節(jié)能效果顯著。

五、RS-422與RS-485的接地問(wèn)題

電子系統(tǒng)接地是很重要的，但常常被忽視。接地處理不當(dāng)往往會(huì)導(dǎo)致電子系統(tǒng)不能穩(wěn)定工作甚至危及系統(tǒng)安全。RS-422與RS-485傳輸網(wǎng)絡(luò)的接地同樣也是很重要的，因?yàn)榻拥叵到y(tǒng)不合理會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，尤其是在工作環(huán)境比較惡劣和傳輸距離較遠(yuǎn)的情況下，對(duì)于接地的要求更為嚴(yán)格。否則接口損壞率較高。很多情況下，連接RS-422、RS-485通信鏈路時(shí)只是簡(jiǎn)單地用一對(duì)雙絞線(xiàn)將各個(gè)接口的“A”、“B”端連接起來(lái)。而忽略了信號(hào)地的連接，這種連接方法在許多場(chǎng)合是能正常工作的，但卻埋下了很大的隱患，這有下面二個(gè)原因：

共模干擾問(wèn)題：正如前文已述，RS-422與RS-485接口均采用差分方式傳輸信號(hào)方式，并不需要相對(duì)于某個(gè)參照點(diǎn)來(lái)檢測(cè)信號(hào)，系統(tǒng)只需檢測(cè)兩線(xiàn)之間的電位差就可以了。但人們往往忽視了收發(fā)器有一定的共模電壓范圍，如RS-422共模電壓范圍為-7～+7V，而RS-485收發(fā)器共模電壓范圍為-7～+12V，只有滿(mǎn)足上述條件，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)才能正常工作。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)線(xiàn)路中共模電壓超出此范圍時(shí)就會(huì)影響通信的穩(wěn)定可靠，甚至損壞接口。以圖1為例，當(dāng)發(fā)送驅(qū)動(dòng)器A向接收器B發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器A的輸出共模電壓為VOS，由于兩個(gè)系統(tǒng)具有各自獨(dú)立的接地系統(tǒng)，存在著地電位差VGPD。那么，接收器輸入端的共模電壓VCM就會(huì)達(dá)到VCM=VOS+VGPD。RS-422與RS-485標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定VOS≤3V，但VGPD可能會(huì)有很大幅度(十幾伏甚至數(shù)十伏)，并可能伴有強(qiáng)干擾信號(hào)，致使接收器共模輸入VCM超出正常范圍，并在傳輸線(xiàn)路上產(chǎn)生干擾電流，輕則影響正常通信，重則損壞通信接口電路。

2、(EMI)問(wèn)題：發(fā)送驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào)中的共模部分需要一個(gè)返回通路，如沒(méi)有一個(gè)低阻的返回通道(信號(hào)地)，就會(huì)以輻射的形式返回源端，整個(gè)總線(xiàn)就會(huì)像一個(gè)巨大的天線(xiàn)向外輻射電磁波。

由于上述原因，RS-422、RS-485盡管采用差分平衡傳輸方式，但對(duì)整個(gè)RS-422或RS-485網(wǎng)絡(luò)，必須有一條低阻的信號(hào)地。一條低阻的信號(hào)地將兩個(gè)接口的工作地連接起來(lái)，使共模干擾電壓VGPD被短路。

這條信號(hào)地可以是額外的一條線(xiàn)(非屏蔽雙絞線(xiàn))，或者是屏蔽雙絞線(xiàn)的屏蔽層。這是最通常的接地方法。