詳解RS485通信協(xié)議

RS-485是美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）在1983年批準(zhǔn)了一個新的平衡傳輸標(biāo)準(zhǔn)（balanced transmission standard），EIA一開始將RS（Recommended Standard）做為標(biāo)準(zhǔn)的前綴，不過后來為了便于識別標(biāo)準(zhǔn)的來源，已將RS改為EIA/TIA。目前標(biāo)準(zhǔn)名稱為TIA-485，但工程師及應(yīng)用指南仍繼續(xù)使用RS-485來稱呼此標(biāo)準(zhǔn)。

RS-485僅是一個電氣標(biāo)準(zhǔn)，描述了接口的物理層，像協(xié)議、時序、串行或并行數(shù)據(jù)以及鏈路全部由設(shè)計者或更高層協(xié)議定義。RS-485定義的是使用平衡（也稱作差分）多點(diǎn)傳輸線的驅(qū)動器（driver）和接收器（receiver）的電氣特性。

關(guān)鍵特性

差分傳輸增加噪聲抗擾度，減少噪聲輻射

長距離鏈路，最長可達(dá)4000英尺（約1219米）

數(shù)據(jù)速率高達(dá)10Mbps（40英寸內(nèi)，約12.2米）

同一總線可以連接多個驅(qū)動器和接收器

寬共模范圍允許驅(qū)動器和接收器之間存在地電位差異，允許最大共模電壓-7-12V

信號電平

RS-485能夠進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸主要得益于使用差分信號進(jìn)行傳輸，當(dāng)有噪聲干擾時仍可以使用線路上兩者差值進(jìn)行判斷，使傳輸數(shù)據(jù)不受噪聲干擾。

RS-485差分線路包括以下2個信號：

A：非反向（non-inverting）信號

B：反向（inverting）信號

也可能會有第3個信號，為了平衡線路正常動作要求所有平衡線路上有一個共同參考點(diǎn)，稱為SC或者G。該信號可以限制接收端收到的共模信號，收發(fā)器會以此信號作為基準(zhǔn)值來測量AB線路上的電壓。
RS-485標(biāo)準(zhǔn)中提到：

若是MARK（邏輯1），線路B信號電壓比線路A高

若是SPACE（邏輯0），線路A信號電壓比線路B高

注：不同的IC使用的信號標(biāo)示方式不同，不過EIA的標(biāo)準(zhǔn)中只使用A和B的名稱。數(shù)據(jù)為1時，信號B會比信號A要高。不過因為標(biāo)準(zhǔn)其中也提到信號A是“非反向信號”，信號B是“反向信號”。因此信號A、B的定義就更容易混淆了，許多組件制造商（錯誤的）依循了這個A/B的命名原則，所以具體定義需要實際參考設(shè)計廠家芯片手冊。

為了不引起分歧，一種常用的命名方式是：

TX+ / RX+ 或D+來代替B（信號1時為高電平）

TX- / RX- 或D-來代替A（信號0時為低電平）

下圖列出在RS-485利用“異步開始-停止”方式發(fā)送一個字符（0xD3，最低比特先發(fā)送）時，U+端子及 U?端子上的電壓變化。

閾值電壓

如果發(fā)射器輸入端收到邏輯高電平（DI=1）,則線路A電壓高于線路B（VOA>VOB）；
如果發(fā)射器輸入端接收到邏輯低電平（DI=0），則線路B電壓高于線路A（VOB>VOA）。
如果接收器的輸入端線路A電壓高于線路B（VIA-VIB>200mV），則接收器輸出為邏輯高電平（RO=1）；
如果接收器的輸入端線路B電壓高于線路A（VIB-VIA>200mV），則接收器輸出邏輯低電平（RO=0）。

符合RS-485標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動器能夠提供不小于1.5V的差分輸出（在54Ω負(fù)載下），符合RS-485標(biāo)準(zhǔn)的接收器能檢測小到200mV的差分信號輸入。即便是在線纜和連接器嚴(yán)重降級的情況下，這兩個值仍能為高可靠性的數(shù)據(jù)傳輸提供充足的余量。

單位負(fù)載（UL）

RS-485總線上的驅(qū)動器和接收器最大數(shù)量取決于它們的負(fù)載特性。驅(qū)動器和接收器的負(fù)載都是相對單位負(fù)載而衡量的。485標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定一根傳輸總線上最多可以掛接32個單位負(fù)載。

單位負(fù)載定義為：在12V共模電壓環(huán)境中，允許通過穩(wěn)態(tài)負(fù)載1mA電流，或者是在-7V共模電壓環(huán)境中，允許通過穩(wěn)態(tài)負(fù)載0.8mA電流。將接收器輸入阻抗看作12 k?并給收發(fā)器1mA電流，這可以代表一個單位負(fù)載。部分RS-485接收器額定具有1/4或1/8UL，意味著可以掛載多數(shù)量的連接器。有關(guān)UL和接收器輸入阻抗對應(yīng)關(guān)系如下圖所示：

工作模式

總線接口可以設(shè)計為如下兩種方式：

半雙工（Half-Duplex）RS-485

全雙工（Full-Duplex）RS-485

關(guān)于多個半雙工總線配置如下圖所示，一次只能在一個方向傳輸數(shù)據(jù)。

關(guān)于全雙工總線配置如下圖所示，允許主從節(jié)點(diǎn)之間雙向同時通信。

總線終端和分支長度

為避免信號反射，當(dāng)線纜長度很長時數(shù)據(jù)傳輸線必須有終點(diǎn)，并且分支長度盡可能的短。正確的終端需要終端電阻RT匹配，其值為傳輸線的特性阻抗Z0。RS-485標(biāo)準(zhǔn)建議線纜的Z0=120Ω。電纜干線通常終端匹配120Ω的電阻，線纜的末尾處各一個。見下圖示意：

分支的電氣長度（收發(fā)器和電纜干線的導(dǎo)線距離）應(yīng)小于驅(qū)動器上升沿時間的十分之一：

LStub ≤ tr * v * c/10

LStub= 最大分支長度（單位英尺）
tr= 驅(qū)動器（10/90）上升沿時間（單位ns）
v = 信號在電纜上傳輸?shù)乃俾氏鄬τ诠馑俚谋嚷?br /> c = 光速（9.8*10^8ft/s）
太長的分支長度會導(dǎo)致信號發(fā)射反射影響阻抗，下圖是長分支長度與短分支長度波形對比

數(shù)據(jù)速率和電纜長度

使用高數(shù)據(jù)速率時，只能使用較短線纜。使用低數(shù)據(jù)速率時，可以使用較長的線纜。對應(yīng)低速率應(yīng)用，電纜的直流電阻通過在電纜壓降增加了噪聲裕量，限制了電纜長度。使用高速率應(yīng)用時，電纜的交流效應(yīng)限制了信號質(zhì)量，限制電纜長度。下圖提供了較為保守的電纜長度和數(shù)據(jù)速率變化曲線。

故障安全（Fail-Safe）

總線空閑期間，沒有器件驅(qū)動總線，接收器輸出處于未定義狀態(tài)。這會導(dǎo)致UART上接收到隨機(jī)數(shù)據(jù)，進(jìn)而影響無效起始位或幀錯誤。為了解決該問題，可以在總線上放置上拉下拉電阻進(jìn)行偏置，具體上下拉電阻大小選擇后面會講到，如下圖所示：

R1和R2計算如下（假設(shè)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值有較低值（VIA-VIB>200mV），系統(tǒng)有更大的噪聲裕量。當(dāng)然上下拉電阻會導(dǎo)致DC電流偏置，增加Tx負(fù)載，使得節(jié)點(diǎn)數(shù)量減少。有關(guān)總線狀態(tài)和差分輸入電壓圖形如下圖所示：

真故障安全接收器（Ture Fail-Safe Receivers）

新一代RS-485接收器經(jīng)過改進(jìn)，使差分輸入閾值電壓從±200mV調(diào)整至-200mV和-30mV，這樣就可以省去使用上下拉電阻。在總線空閑期間，VIA-VIB=0（大于-30mV）導(dǎo)致接收器輸出處于高電平（RO=1），處于確定狀態(tài)。

隔離

RS-485通常使用較長鏈路，這會引起總線上不同節(jié)點(diǎn)的地電平略有不同，當(dāng)有較大地電勢差時會以共模干擾的形式疊加到傳輸線上。如果疊加的干擾信號超出接收器輸入共模范圍，依靠本地接地作為電流回路是很危險的，最好的解決方式是使用信號和電源隔離來實現(xiàn)健壯的長距離傳輸，下圖是ADI ADM2485隔離RS-485芯片連線示意圖：

ESD保護(hù)

在工業(yè)應(yīng)用中，雷擊、電源波動、靜電放電會產(chǎn)生較大的瞬變電壓對RS-485收發(fā)器造成損害。以下ESD保護(hù)、EFT保護(hù)和浪涌保護(hù)技術(shù)規(guī)范適用于RS-485應(yīng)用：

IEC 61000-4-2 ESD protection

IEC 61000-4-4 EFT protection

IEC 61000-4-5 surge protection

使用外部鉗位器件（比如TVS二極管），保護(hù)程度可進(jìn)一步提升。在RS-485應(yīng)用中，TVS是將總線上的電壓鉗位到RS-485收發(fā)器的共模電壓范圍（-7–12V）。一些TVS器件專門為RS-485Y應(yīng)用設(shè)計。對于更高的電源瞬變，可在受保護(hù)器件與輸入引腳之間增加電阻RS（10-20Ω）來加強(qiáng)保護(hù)。

上面的文章提到了使用上下拉電阻來解決故障安全問題，保證在總線空閑時期不會出現(xiàn)無效起始位等影響，下面的文章介紹上下拉電阻的阻值大小該如何取值。下面分兩個網(wǎng)絡(luò)來介紹。

單故障安全偏置網(wǎng)絡(luò)設(shè)計（Sigle Fail-Safe Biasing Network Design）

下圖是上圖的等效集總電路，上下拉偏置電阻是

連接到總線所有收發(fā)器的等效輸入電阻。下面開始計算這種情況下電阻取值選擇。

雙故障安全偏置網(wǎng)絡(luò)設(shè)計（Dual Fail-Safe Biasing Network Design）

為了在較長電纜長度上保持足夠，需要在兩端添加偏置網(wǎng)絡(luò)。電路如下圖所示：

單故障安全偏置網(wǎng)絡(luò)：

雙故障安全偏置網(wǎng)絡(luò)：

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