RS485协议

Bin Watson

已于 2022-10-28 11:16:48 修改

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分类专栏：通信协议文章标签：单片机 stm32

于 2022-10-28 11:13:15 首次发布

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本文详细介绍了RS485的电气特性，对比了共模传输和差模传输，指出差模传输可有效抵消共模干扰。还阐述了RS-485的电气参数，如共模电压范围、多点拓扑连接、传输速率等。此外，说明了RS-485的半双工通信特点及收发器控制原理。

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RS485 电气特性

共模传输

在这里插入图片描述

采用共模传输方式时，共模噪声将会叠加在最终的输出信号上面，污染了原始的信号。

差模传输

在这里插入图片描述
而采用差模传输方式，则源端发出的信号+与信号-相位是相反的，而对于共模噪声而言在+/-两条线上都会存在，理想情况是等幅同相的，而接收端，相当于一个减法器，有用信号由于相位相反则经过减法器仍然保留，而噪声则会被抵消。而实际电路中，则会大幅度削弱。

由此可见，差模传输相对于共模传输方式，优势在于差模方式可以有效抵消共模干扰。

电气参数

RS-485 的电气参数为：

共模电压范围为 -7～+12V
可支持 32 个多点拓扑连接，见下面的网络拓扑图
使用 40 英尺线缆时，传输速率可达到 10Mbps，1 英尺相当于 30.48cm，这里 Mbps 是兆 bit/s 的意思
使用 4000 英尺线缆时，传输速率可达到 100kbps
半双工通信

最小差分电压容限：200mV,也就是说接收端在差分电压低于 200mV 时就无法正确识别 0/1 了。这句话应该怎么理解呢？
在这里插入图片描述
上面这个图怎么理解呢？RS-485 收发器的发送电路至少提供 1.5V 差分电压输出能力，经由总线线路阻抗衰减，32 个接收电路输入阻抗，以及 120Ω 端接电阻，差分信号的幅度必然逐渐衰减，那么至最末端还需要至少提供 200mV 的差分电压给末端接收电路。

$V_{AB} = U_{A} - U_{B}$ ：对于接收电路是判决 A 线共模电压与 B 线共模电压之差；

如果 $V_{AB} >= 200mV$ 则接收电路 R 识别为逻辑1；
如果 $V_{AB} <= -200mV$ 则接收电路 R 识别为逻辑0；

简单说就是，A线的绝对电压值比B线的至少大于200mV则识别为逻辑1，或者A线的绝对电压值比B线的至少小200mV，才识别为逻辑0

这里的参数，应该是在一定特征阻抗线缆时的理论值，实际工程使用的时候需要做相应的调整以及现场测试。一般以不超出这个理论极限为好。

说到电气特性参数，首先来看看一般的接口电路：
在这里插入图片描述
从这样一个接口电路来看，有这么些要点：

RS-485 通信从单片机/DSP/处理器接口而言，是利用 UART接口与 RS-485电平收发器接口。

当然你说我用 FPGA 难道不行么？肯定是可以的，用 FPGA 你实现一个串口收发的 IP模块，当然也是可以的。甚至你想说，我拿 GPIO 去模拟一下 UART 是不是就不行？也是能办得到的，只不过这么干意义不大，需要占用 CPU 资源实现底层 BIT 的收发。
前面说到半双工，有半双工就有全双工。

什么是半双工呢？首先半双工以及全双工，所界定的对象一定是点对点而言的，这里说点对点就是指在同一时刻而言，所谓半双工，就是设备在同一时刻要么处于收数据状态，要么处于发数据状态，不允许同时收发数据。

而全双工则刚好相反，允许同时收发。比如 I2C总线就是半双工总线，4线制 SPI 是全双工，而三线制 SPI 则是半双工总线；又譬如 RS-422 或者 RS-232 是全双工接口；而 CAN总线则是半双工总线。RS-485 就是一种半双工总线。

在这里插入图片描述

当 Host 发送数据时，数据沿着红色的线经由双绞线，传输至 Slave 的差分接收电路，当 Slave 应答时，数据沿着兰色的方向传输至 Host 的接收电路，但是传输介质是一对双绞线，所以一方在传输数据的时候，另一方是无法传输信号的，从收发器的控制角度来看：

$\overline{RE}$ ：Receiver Output Enable，接收器使能；
$D E$ ：Driver Output Enable，驱动输出使能；

控制芯片侧，用一个 GPIO 脚来控制和 $\overline{RE}$ 和 $D E$ ，刚学设计 RS-485 的朋友或许不理解，这里来一张芯片内部原理框图，就很容易理解了
在这里插入图片描述

当 DIR=0 时，接收电路使能 $\overline{RE} = 0$ ，发送电路禁止 $D E = 0$ ，对总线而言相当于高阻；

当DIR=1时，接收电路使能 $\overline{RE} = 1$ ，发送电路禁止 $D E = 1$ ，对总线 A/B 信号取决于 DI 的信号。这里有两个问题：

为什么芯片要把 $\overline{RE}$ 和 $D E$ 设计成相反的有效逻辑呢？这样其实也是方便用一个 GPIO 同时控制收发电路的考虑。
那收发器芯片收发使能为什么不做成一个脚呢？比如就叫 DIR？做成两个脚收/发也可以用两个脚单独控制，比如：

甚至可以在 $D E = 1$ 的时候，将 $\overline{RE}$ 设置为0，这样是不是就可以自环了？产品中也可以就这样设计，可以实现收发器以及布线的自诊断，通过接收到的报文与发送出去的报文比较，可以诊断出芯片焊接，收发器是否损坏或者断路，以及布线是否存在短路故障。
或许有人会说，瞎扯！你前面才说 RS-485 不能同时收发，这里又说能同时收发，岂不是自相矛盾吗？不矛盾，前面所说的不能同时收发，是指发的同时不能收来自其他设备的发送报文，这里收的是自身发出的报文。
所以半双工的本质，是通讯介质不存在双向通道，在向总线发送数据的时候，介质被占用，即便想发送也是无法正确的将信号发送到介质上的，如果强行发送，数据将会错乱，甚至收发器芯片有可能损坏。