RS-485協(xié)議的應(yīng)用與基礎(chǔ)

盡管無(wú)線網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越普及，有線串行網(wǎng)絡(luò)依然是最可靠、魯棒性最好的通信方式，特別是在惡劣環(huán)境下。對(duì)于工業(yè)和樓宇自動(dòng)化等要求具備較高的抗干擾、抗靜電能力，以及高壓故障保護(hù)的應(yīng)用環(huán)境，這類網(wǎng)絡(luò)能夠提供更有效通信，進(jìn)而保障設(shè)備的正常運(yùn)行時(shí)間。本指南回顧RS-485協(xié)議并討論其廣泛用于工業(yè)領(lǐng)域的原因，以及常見(jiàn)問(wèn)題的解決途徑。

RS-485的特性使其成為惡劣工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用最廣的接口協(xié)議。
在惡劣的工業(yè)和樓宇自動(dòng)化網(wǎng)中，RS-485收發(fā)器是實(shí)現(xiàn)串口通信最常見(jiàn)的物理層接口。該串行標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)兩根線提供差分信號(hào)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用所需的遠(yuǎn)距離、高速率傳輸。RS-485標(biāo)準(zhǔn)提供的接口可承受惡劣環(huán)境。工業(yè)和樓宇自動(dòng)化應(yīng)用中最常見(jiàn)的問(wèn)題之一是在快速切換電感負(fù)載、靜電放電以及工廠自動(dòng)化設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中頻繁的電壓浪涌，會(huì)產(chǎn)生較大的電氣特性瞬變，進(jìn)而破壞數(shù)據(jù)傳輸或造成物理網(wǎng)絡(luò)損壞。

現(xiàn)在常用的數(shù)據(jù)接口協(xié)議有很多種，每種協(xié)議都是針對(duì)特定的應(yīng)用開(kāi)的，具有特定的協(xié)議規(guī)范和結(jié)構(gòu)。接口包括CAN、RS-232、RS-485/RS-422、I2C、I2S、LIN、SPI和SMBus等。其中，RS-485和RS-422仍然是最可靠的協(xié)議之一，特別適合工廠和樓宇自動(dòng)化等惡劣的工業(yè)電氣環(huán)境。

盡管RS-485與RS-422非常相似，但兩者不同。以下是這兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)之間的一些差異，設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)需要注意。RS-422最適合只需要一個(gè)總線主機(jī)(驅(qū)動(dòng)器)的工業(yè)環(huán)境，提供高達(dá)10Mbps的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。RS-422使用兩根線發(fā)送信號(hào)，提高最大波特率和電纜長(zhǎng)度。RS-422是為多點(diǎn)應(yīng)用設(shè)計(jì)的，總線上只連接一個(gè)發(fā)送器且只有一個(gè)發(fā)送器進(jìn)行發(fā)送，最多10個(gè)接收器(圖1)。典型應(yīng)用包括過(guò)程自動(dòng)化(化工、釀造、造紙廠)、工廠自動(dòng)化(汽車和金屬制造)、HVAC、安防、電機(jī)控制和運(yùn)動(dòng)控制。

圖1. RS-422多點(diǎn)總線

當(dāng)需要多個(gè)總線主機(jī)/驅(qū)動(dòng)器時(shí)，RS-485具有更高的靈活性。該標(biāo)準(zhǔn)在RS-422的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，將設(shè)備數(shù)量從10個(gè)提高到了32個(gè)，擁有更寬的共模和差分電壓范圍，確保在最大負(fù)載下具有足夠的信號(hào)電壓。擁有這種增強(qiáng)的多點(diǎn)功能后，用戶可構(gòu)建連接到單個(gè)RS-485串口的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。較強(qiáng)的抗噪性和多點(diǎn)功能使RS-485成為工業(yè)應(yīng)用中的首選串行鏈路，可將多個(gè)分布式設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接到PC或者其它控制器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、HMI等類似操作。RS-485是RS-422的擴(kuò)展，因此所有RS-422設(shè)備均可通過(guò)RS-485進(jìn)行控制。

RS - 485 與RS - 422的典型應(yīng)用相類似： 過(guò)程自動(dòng)化( 化工、釀造、造紙廠) 、工廠自動(dòng)化( 汽車和金屬制造)、HVAC、安防、電機(jī)控制和運(yùn)動(dòng)控制。由于RS-485提高了靈活性，所以在兩者中更常見(jiàn)。

如上所述，TIA/EIA-485常被稱為RS-485，是工業(yè)中應(yīng)用最廣的接口。RS-485可用于長(zhǎng)達(dá)4000英尺的距離和高達(dá)52 Mbps的速率，理想用于大型工廠環(huán)境，以支持工業(yè)自動(dòng)化所需的高數(shù)據(jù)速率和長(zhǎng)電纜距離。

RS-485接口可使用一對(duì)傳輸線工作在半雙工模式，或使用兩對(duì)線(4線)工作在全雙工模式，以同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。半雙工多點(diǎn)配置時(shí)可支持最多32個(gè)驅(qū)動(dòng)器和多達(dá)32個(gè)接收器。市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)具有1/4單位負(fù)載甚至1/8單位負(fù)載接收器輸入阻抗的新器件，例如MAX13448E，允許一條總線上掛接128至256個(gè)接收器。擁有這種增強(qiáng)的多點(diǎn)功能后，用戶可構(gòu)建大型RS-485串行設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。

圖2：工業(yè)應(yīng)用中常見(jiàn)的多點(diǎn)半雙工收發(fā)器系統(tǒng)

接收器輸入檢測(cè)靈敏度為±200mV，意味著接收器只有檢測(cè)到高于+200mV和低于-200mV的信號(hào)電平才識(shí)別為1或0位(圖3)。在±200mV范圍之內(nèi)的噪聲被有效屏蔽。差分信號(hào)有效消除共模噪聲。最小接收器輸入阻抗為12kΩ，驅(qū)動(dòng)器輸出電壓最小值±1.5V、最大值±5V。

圖3：RS-485的最小總線信號(hào)電平

在可能損壞硬件或?qū)?shù)字通信產(chǎn)生不利影響的環(huán)境條件下，為保證可靠操作，工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師面臨諸多困難。