通讯协议学习之路：RS485协议理论

通讯协议之路主要分为两部分，第一部分从理论上面讲解各类协议的通讯原理以及通讯格式，第二部分从具体运用上讲解各类通讯协议的具体应用方法。

后续文章会同时发表在个人博客(jason1016.club)、CSDN；视频会发布在bilibili(UID:399951374)

序：个人理解

• RS485本质仍为串口通讯协议
• RS485具有串行、异步、半双工的特性
• RS485是半双工通讯，同一时间只能接收或者发送
• RS485可采用一主多从的通信方式
• RS485本质为将串口RX与TX信号通过485转换芯片转化为差分信号进行传输
• RS485逻辑电平由差分电平决定，差分信号线具有A和B两条线
• 逻辑0：A>B
• 逻辑1：B>A
• RS485在传输过程中采用双绞线，在遇到外界干扰信号时，双绞线电平信号呈等比例改变，提高系统稳定性。具有强抗干扰性

一、RS485、RS232、串口通信关系

RS485、RS232和串口通信是三个相关的概念，它们在串行通信中扮演不同的角色。

RS485是一种物理层标准，用于实现多点通信的串行通信。它定义了通信线路的电气特性、连接器和信号级别等。RS485使用差分信号传输，即使用两条信号线（A线和B线）来传输数据，其中A线和B线的电平相反。这种差分信号传输方式使得RS485可以在较长距离上进行可靠的数据传输，并支持多个设备在同一总线上进行通信。

RS232是一种物理层标准，用于实现点对点通信的串行通信。它定义了通信线路的电气特性、连接器和信号级别等。RS232使用正负电平来表示逻辑1和逻辑0，通常使用负电平表示逻辑1，正电平表示逻辑0。RS232通常使用DB9或DB25连接器，用于将串行通信设备与外部设备连接起来。

串口通信是一种通信方式，通过串行口（也称为串口）进行数据的发送和接收。串口通信可以使用不同的物理层标准，如RS485、RS232等。串口通信通常由串口控制器（如UART）负责将并行数据转换为串行数据进行发送，以及将串行数据转换为并行数据进行接收。

在实际应用中，RS485和RS232通常都被用作串口通信的物理层标准。RS485适用于多点通信的场景，可以连接多个设备在同一总线上进行通信。RS232适用于点对点通信的场景，通常用于连接计算机与外部设备之间的串行通信。串口通信可以使用RS485或RS232作为物理层标准，通过串口控制器（如UART）实现数据的发送和接收。

需要根据具体的应用需求和设备支持来选择使用RS485还是RS232作为串口通信的物理层标准。同时，还需要根据通信距离、设备数量、数据传输速率等因素来选择合适的物理层标准和通信方式。

二、RS-485通讯协议

资料

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简述

​ MCU管脚输出TTL电平，TTL电平的意思是，当MCU管脚输出0电平时，一般情况下电压是0V，当MCU管脚输出1电平时，电压是5V。因TTL电平的是由一条信号线，一条地线产生，信号线上的干扰信号会跟随有效信号传送到接收端，使得有效信号受到干扰，485通讯实际上是把MCU出来的TTL电平通过硬件层的一个转换器芯片进行转换:

​ 把MCU出来的一条的TTL信号经过芯片转换为两根线(线A、线B)上的信号。当MCU给转换器输入低TTL电平时，转换器会使得B的电压比A的电压高，反之，A的电压比B的电压高。

​ 485协议规约两条电平线上差值为多少表示0或者1，电压是通过仪表可以测量得到的，所以说RS-485是硬件层协议。

​ 485协议的接收端可能是另一个MCU，MCU管脚也只接受TTL电平，转换芯片过来的是两条线的电压，所以需要对此两条线差分电压转换为TTL电平。

​ 把TTL转为485，实质是一个集成芯片，其间无任何程序代码，纯粹硬件逻辑。同理，将485电平转为TTL也是如此。现在很多芯片把接收和转换都集成到一块IC，注意，转换器和接收器依旧是没有同时工作的，常见的转换芯片是MAX485。

可以这样理解，硬件层协议是公路，路的目的是为了让车辆能够过去。

半双工通讯

​ 首先了解什么是单工通讯，单工通讯是指数据只能朝着一个方向传输的通讯方式。而半双工通讯则是指对于通讯两端，不能同时相对方法发送数据，必须错开时间段发送。

​ RS-485的通讯线只有2条，且这两条通讯线在一次传输中都需要用到，因此485只可实现半双工通讯。485实现半双工通讯，会遇到一个问题，MCU1向MCU2发数据时，并不知道线上是否正传来MCU2数据，因为没有其他线可用来判断对方的收发状态，那么可能也会导致数据冲突。因此，RS-485要实现半双工通讯，就需要上层的软件协议加以规约，也就是做到”不能你想发数据就发数据”。可以理解，软件层协议就好像交通规则，它能让数据有序传输。

RS-485介绍

​ 电子工业协会（EIA）于1983年制订并发布RS-485标准，并经通讯工业协会（TIA) 修订后命名为TIA/EIA-485-A，所以TIA/EIA-485-A才是真正的名字，因为人们已经叫习惯RS-485了，所以后续也一直沿用RS-485这个叫法。

​ RS-485标准是为弥补RS-232通信距离短、速率低等缺点而产生的。RS-485标准只规定了平衡发送器和接收器的电特性，而没有规定接插件、传输电缆和应用层通信协议。

​ RS-485标准与RS-232不一样，数据信号采用差分传输方式(Differential Driver Modc)，也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为 B，如图所示。

传输方式以及电平

RS-485传输方式：半双工通信、==（逻辑1：+2V ~ +6V 逻辑0：-6V ~ -2V）==这里的电平指AB 两线间的电压差。

节点连接示意图

因为大多数MCU的信号都是TTL信号，且数据是通过串口发送和接收，是不符合RS-485标准的，所以要将数据放在485通信线上传输的话，就要将TTL信号转为RS-485的差分信号，然后在AB线上传输，到达节点后再将RS-485的差分信号转换为TTL信号，给节点的MCU进行数据处理

RS-485数据链路示意图

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。

电路原理图

该原理图是一个基本的RS-485电路，采用的是Sipex公司的SP3485芯片，是一款低功耗的，工作电压为3.3V的芯片，该芯片的一些特性后面会介绍到

微处理器的标准串行口通过RXD直接连接SP3485芯片的RO引脚，通过TXD直接连接SP485R芯片的DI引脚。

让该芯片处于发送模式还是接收模式的选择位是DE/!RE，一般情况下把这两个引脚接在一起，只用微处理器的一个引脚控制

U9是TVS管，环境恶劣时可加，做保护作用，平时实验可以不加

R25是上拉电阻，R27下拉，默认状态下将A拉高，B拉低，如果不加电阻，那默认情况下是不稳定的，会对单片机的引脚造成干扰

芯片内部图

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），然后就是引脚功能

RO：接收器输出

RE：接收器输出使能（低电平有效）

DE：发送器输出使能（高电平有效）

DI：发送器输入

GND：接地连接

A：发送器输出/接收器输入反相

B：发送器输出/接收器输入反相

Vcc：正极电源（+3.3V

发送功能真值表        

如果微处理器输出的信号DE_nRE为高电平，则芯片处于发送模式（发送器/驱动器）,差分输出A和B遵循数据输入DI处的逻辑状态;

当DI为高电平时，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，也就是逻辑1（AB间的电压差为+2V ~ +6V）；

当DI为低电平时，输出状态反转，B变高，A变低，VOD为负 ，为逻辑0（AB间的电压差为 -6V ~ -2V）；

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。

接收功能真值表

如果微处理器输出的信号DE_nRE为低电平，则芯片处于接收模式（接收器），如果为高电平，则关闭接收模式；

AB间的电平大于+200mv时，RO引脚输出逻辑1；

AB间的电平小于-200mv时，RO引脚输出逻辑0；

当AB间的电平处于-200mv ~ +200mv之间时，则表示不稳定

优点

1. 半双工通信
2. 差分信号传输，更加稳定
3. RS485内部的物理结构，采用的是平衡驱动器和查分接收器的组合，抗干扰能力大大增加。
4. 可以在总线上进行联网实现多机通信，总线上允许挂多个收发器，从现有的RS485芯片来看，有可以挂32、64、128、256等不同个设备的驱动器。
5. 通信速度快，数据最高传输速率在10Mbps以上
6. 传输速率最远可达到1200米左右，但是传输速率和传输距离是成反比的，只有在100KB/s以下的传输速率，才能达到最大的通信距离，如果需要传输更远距离可以使用中继。
7. 系统运行稳定。利用专用通信总线把集中器和主站安全、可靠的连接起来。除非设备接口硬件损坏，或者总线线路断开，总线抄表系统会一直保持很好的通信效果和抄收成功率。
8. 通信速率高。由于是专用的有线通信线路连接，线路上除了通信信号外，再无其他信号。外来的干扰信号耦合到线路衰减很大，所以集中器可以以较高的速率与主站通信。

缺点

1. 不支持全双工
2. 敷设困难。比如总线抄表系统需要在集中器与主站之间敷设通信线路。尤其是电能表比较分散时，通信线路敷设的工程量很大，而且架设在外的通信线路影响美观。
3. 维护成本高。比如通信线路的损伤直接影响总线抄表方式的通信效果。所以需要定时的检查线路，保证其正常运行。特别是架设在外面的线路，一旦断裂或被腐蚀，要重新敷线。对于新增加的用户，也要及时敷线，使其进入通信网内

常用芯片

增强型低功耗半双工RS-485收发器一SP481E/SP485E

特点：

单一的+5V电源

低功耗BiCMOS工艺制造

发送器/接收器可使能多分支结构(Mutli-Drop）配置低功耗关断模式(SP481E)

描述(SP481E，SP485E)

SP481E 和SP485E是半双工差分收发器，完全满足RS-485和 RS-422的要求。它们由Sipex特有的 BiCMOS工艺制造而成。

RS-485标准理想地用于多分支(multi-drop）应用和远程接口中。它允许在一条数据线上连接32个发送器和接收器，非常适合于多分支应用。由于允许使用4000英尺长的电缆，RS-485收发器可以使用一个宽(一7V~+12V)共模方式范围来调整零电位偏差。因为RS-485是一个差分接口，所以传输数据时完全可以抑制来自发送线的干扰。

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1/10单位负载RS-485收发器一SP481R/SP485R

特点

单一的+5V电源

允许超过400个收发器连接到同一条传输线上(1/10单位负载)接收器输入高阻抗（标准值RIN=150kQ)

半双工配置与工业标准管脚一致

共模输入电压范围为-7V~+12V

包含关断模式(ICC

独立发送器和接收器使能

SP485R芯片是由业内专业的通讯接口器件厂商Sipex 公司设计生产的高性能RS-485收发器，能够替换通用的RS-485收发器，并在许多方面有所增强。

SP481R和SP485R与现有的SP485产品管脚对应相同，而且包含更高的ESD保护和高接收器输入阻抗等性能。接收器输入高阻抗可以使400个收发器接到同一条传输线上又不会引起RS-485发送器信号的衰减。各器件封装为8脚塑料DIP或8脚窄SOIC。SP481R通过使能管脚来提供关断功能，可将电源电流（Icc）降低到0.5uA 以下。

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+3.3V低功耗半双工 RS-485收发器一SP3481/SP3485

特点

RS-485和 RS-422收发器工作电源为+3.3V

可与+0.5V的逻辑电路共同工作发送器/接收器使能

低功耗关断模式(SP3481)-7V~+12V的共模输入电压范围

允许在同一串行总线上连接32个收发器与工业标准75176管脚配置兼容

发送器输出短路保护

描述(SP3481，SP3485)

SP3481和SP3485是+3.3V低功耗半双工收发器家族的成员，它们完全满足RS-485和RS-422串行协议的要求。这两个器件与Sipex 的SP481、SP483和SP485的管脚互相兼容，同时兼容工业标准规范。SP3481和 SP3485由 Sipex特有的BiCMOS工艺制造而成，但性能不受影响。

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增强型低功耗全双工RS-422收发器一SP490E/SP491E

特点

单一的+5V电源

低功耗BiCMOS工艺制造发送器/接收器使能（SP491E)RS-485和 RS-422发送器/接收器

管脚兼容LTC490和 SN75179(SP490E)管脚兼容LTC491和 SN75180 (SP491E)增强型ESD规范:

正负15kV人体放电模式(Human Body Model)

SP490E是一个低功耗差分收发器，满足RS-485和RS-422标准规范，数据传输速率高达10Mbps。除了增加了发送器和接收器三态使能线外，SP491E和SP490E完全相同。在共模模式的限制范围内，两者的接收器输入的灵敏度为士200mV.

SP490E包含8脚塑料 DIP和8脚 NSOIC两种封装形式，可工作在商业级和工业级温度范围内。SP491E包含14脚DIP和14脚 NSOIC两种封装，也可工作在商业级和工业级温度范围内。

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上诉列举了几款常用芯片，引脚都是兼容的，只是性能上有所差异

注意要点

(1)共模干扰问题：RS-485接口采用差分方式传输信号方式，并不需要相对于某个参照点来检测信号，系统只需检测两线之间的电位差就可以。

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。

通俗来说，就是如果在传输过程中遇到干扰，那A、B两根线的电压都会发生变化，可能本来A是5V，B是2V，被干扰成了A是8V，B是5V，但由于485通信检测的是两根线之间的电压差，所以AB间的电压差并没有发生改变，仍然是3V，所以接收器检测到的仍然是正确的信号

相反，像串口和RS232这些单端的通信方式，因为只有一根信号线和一根地线，并会规定某个电平状态表示一种逻辑，如5V表示1，0V表示0，当在传输过程中发生干扰时，5V可能变成了2V，这时候就没法判断到底是1还是0了，导致传输的数据不正确

此外人们往往忽视了收发器有一定的共模电压范围，RS-485收发器共模电压范围为==-7~+12V==，只有满足上述条件，整个网络才能正常工作。当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠，甚至损坏接口。

（2）EMI问题：发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路，如没有一个低阻的返回通道(信号地)，就会以辐射的形式返回源端。整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。又因为共模电压范围是-7V ~ +12V，所以通信的两边也需要一根地线来做标准，不能让共模电压超出范围，防止损坏端口

由于上述原因，RS-485网络尽管采用差分平衡传输方式，但对整个RS-485网络，必须有一条低阻的信号地。一条低阻的信号地将两个接口的工作地连接起来，使共模干扰电压被短路。这条信号地可以是额外的一条线（非屏蔽双绞线），或者是屏蔽双绞线的屏蔽层。这是最通常的接地方法。

（3）终端匹配电阻

为了匹配网络的通讯阻抗，减少由于不匹配而引起的反射、吸收噪声，有效抑制噪声干扰，提高RS-485通讯的可靠性，需要在RS-485网络的2个端点各安装1个终端匹配电阻。终端匹配电阻的大小由传输电缆的特性阻抗所决定。例如，RS-485网络通常采用双绞线或屏蔽双绞线作为传输介质，其特性阻抗为120欧，因此，RS-485总线上的两个端点也应各安装1个120欧的终端匹配电阻。

匹配电阻要消耗较大电流，不适用于功耗限制严格的系统。在特殊的场合，可以考虑比较省电的并联“RC”匹配方案，可以节省大部分功率，但电容C的取值是个难点，需要在功耗和匹配质量间进行折衷。

参考文章：【精选】RS-485接口协议详解_rs485_ONE_Day|的博客-CSDN博客