一文看懂RS-485总线

电子电路开发学习 2021-07-16 13:02
 RS-485概述

RS-485和RS-232一样,都是串行通信标准,现在的标准名称是TIA485/EIA-485-A,但是人们会习惯称为RS-485标准,RS-485常用在工业、自动化、汽车和建筑物管理等领域。


RS-485总线弥补了RS-232通信距离短,速率低的缺点,RS-485的速率可高达10Mbit/s,理论通讯距离可达1200米;RS-485和RS-232的单端传输不一样,是差分传输,使用一对双绞线,其中一根线定义为A,另一个定义为B


双绞线


▉ RS-485物理层


RS-485的物理层负责在设备和物理传输介质之间传输原始数据。它处理电信号到数字数据的转换,同时定义电压、时序、数据速率等。


① 差分信号


长距离布线会有信号衰减,而且引入噪声和干扰的可能性更大,在线缆A和B上的表现就是电压幅度的变化,但是,采用差分线的好处就是,差值相减就会忽略掉干扰依旧能输出正常的信号,把这种差分接收器忽略两条信号线上相同电压的能力称为共模抑制



标准规定了,逻辑1:+2V to +6V;逻辑0:-6V to -2V。


RS-485不需要使用特定的总线电压,只看最小差分电压,在较长的电缆长度上,接收器接收到的电压可能会降低到+/- 200 mV,这对于RS-485仍然是完全可以接受的,这也是RS-485的优点之一。



很多收发器的标准达到甚至超过TIA/EIA-485A规范,在实际使用中,以器件的SPEC参数为主,如下某收发器的负输入阈值最小也是-200mV。



② 信号定义


现在很多的RS-485转换器都是兼容RS-422的,所以看到很多转换器上面的信号都是T/R+、T/R-,即对应RS-485的A+和B-。



对于DB9针型的母头,RS-485有如下的接线定义示意,Pin6~Pin9为N/A不接。


DB9
输出信号
RS-422全双工接线
RS-485半双工接线
1
T/R+
发(A+)
RS-485(A+)
2T/R-
发(B-)
RS-485(B-)
3RXD+
收(A+)

4
RXD-
收(B-)

5
GND
地线
地线


③ 拓扑结构


RS485有两线制和四线制两种接线,四线制只能实现点对点的通信方式,现很少采用,多采用的是两线制接线方式,这种接线方式为总线拓扑结构,在同一总线上最多可以挂接32个节点。


RS-485总线同I2C,也是主从模式,支持点对点单从机模式,也支持多从机模式,不支持多主机模式。


▉ RS-485收发器


RS-485是差分传输,如果用单片机控制RS-485接口的设备,需要用到收发器,这一点和CAN总线是类似的,如下是一个MCU控制一个RS-485的图示。



收发器内部是一个接收器(上半部分)加一个发送器(下半部分),下面简单说说收发器的原理,便于理解MCU是如何和485设备通信的。


RS-485收发器内部结构

其中:

  • A和B为总线;

  • R为接收器输入;

  • RE为接收器使能信号;

  • DE为发送器使能信号;

  • D为发送器输出;


对于使能信号,字母上面加一横的为低电平有效(如上图RE),不加的为高电平有效(如DE)。


对于发送器,有如下的真值表:


1、当驱动器使能引脚DE为逻辑高时,差分输出A和B遵循数据输入D处的逻辑状态。D处的逻辑高导致A转为高,B转为低。在这种情况下,定义为VOD=VA-VB的差分输出电压为正。当D为低时,输出状态反转,B变高,A变低,VOD为负。


2、当DE低时,两个输出都变成高阻抗。在这种情况下,与D处的逻辑状态是不相关的。


发送器真值表


对于接收器,有如下的真值表:


1、当接收器使能引脚RE逻辑低时,接收器被激活。当定义为VID=VA–VB的差分输入电压为正且高于正输入阈值VIT+时,接收机输出R变高。当VID为负且低于负输入阈值VIT-,接收机输出R变低。如果VID在VIT+和VIT-之间,则输出不确定。


2、当RE为逻辑高或悬空时,接收机输出为高阻抗,VID的大小和极性无关。


接收器真值表


▉ RS-485数据链路


上面讲到的RS-485收发器的工作原理,下面简单描述RS-485的数据链路,可以先看一下通俗易懂的UART协议帧格式



主机发送给从机或者从机发送给主机,都会占用到A和B线,所以RS-485多用在半双工模式。


主机的GPIO会控制RS-485收发器的DE管脚,设置发送模式,从UART TXD线向RS-485收发器的数据(D或DI)线发送一个字节,收发器将在A和B线上将单端UART位流转换为差分位流,数据离开收发器后,主机立即将收发器的模式切换为接收模式。


从机和主机是类似的,从机控制RS-485收发器的/RE管脚,设置为接收模式,接收主机发送的比特流,将其转换为单端信号,通过从机的UART RXD线接收,当从机准备好响应时,它按主机原来的方式进行发送,而主机变为接收。


▉ RS-232和RS-485转换


RS-232和RS-485之间可以转换,一个方法是RS-232转换成TTL,再由TTL转换为RS-485,当然也有芯片支持将RS-232直接转换成RS-485,网上有很多模块。


RS-232和RS-485转换模块


▉ RS-485和CAN的区别


虽说RS-485没有标准的数据协议格式,但和CAN总线在很多地方是有相似的,比如A&B和CANH&CANL都是差分信号,通信都需要收发器,都需要120欧姆的匹配电阻等等。


总线特性
CAN总线RS-485总线
硬件成本
稍高
低廉
总线利用率
优先级自动仲裁,利用率高采用轮询,利用率低
数据传输率

错误检测机制
控制器带校验机制,保证底层数据传输正确只有物理层规范,无数据链路层规定
单节点故障影响
 总线无影响总线瘫痪
开发成本
软件开发灵活,时间成本低开发难度较大
系统成本
较低 


▉ RS-485常用电路


网上找的一个常用的RS-485电路,其中需要注意两点:



1、使能信号RE和DE可采用一个GPIO控制,节省资源,GPIO25输出高电平,RE=DE=0V,进入接收模式;GPIO25输出低电平,RE=DE=3.3V,进入发送模式。


2、有一些电路中会在A上加上拉,B上加下拉电阻,主要原因是:RS-485总线在idle状态,电平是不固定的,即电平在-200mV~+200mV之间,收发器可能输出高也可能输出低,UART在空闲时需要保持高电平的,如果此时收发器输出一个低电平,对UART来说是一个start bit,会导致通信异常,关于Ru和Rd的阻值在这里不作过多赘述,后面有机会会详细写一篇文章。


关于第二点,需要注意:

① A上加上拉,B上加下拉,接反数据通信也可能出错。

② 某些收发器内部集成上下拉电阻,则外部不需要再添加。


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电子电路开发学习 单片机点灯小能手,电子行业从业者。开发板评测、嵌入式开源项目分享、学习笔记记录。可能不会经常更新,但每一篇都是精心编写。
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