RS-485協(xié)議的應用與基礎

盡管無線網絡越來越普及，有線串行網絡依然是最可靠、魯棒性最好的通信方式，特別是在惡劣環(huán)境下。對于工業(yè)和樓宇自動化等要求具備較高的抗干擾、抗靜電能力，以及高壓故障保護的應用環(huán)境，這類網絡能夠提供更有效通信，進而保障設備的正常運行時間。本指南回顧RS-485協(xié)議并討論其廣泛用于工業(yè)領域的原因，以及常見問題的解決途徑。

RS-485的特性使其成為惡劣工業(yè)環(huán)境下應用最廣的接口協(xié)議。
在惡劣的工業(yè)和樓宇自動化網中，RS-485收發(fā)器是實現(xiàn)串口通信最常見的物理層接口。該串行標準通過兩根線提供差分信號，實現(xiàn)工業(yè)應用所需的遠距離、高速率傳輸。RS-485標準提供的接口可承受惡劣環(huán)境。工業(yè)和樓宇自動化應用中最常見的問題之一是在快速切換電感負載、靜電放電以及工廠自動化設備運轉過程中頻繁的電壓浪涌，會產生較大的電氣特性瞬變，進而破壞數(shù)據(jù)傳輸或造成物理網絡損壞。

現(xiàn)在常用的數(shù)據(jù)接口協(xié)議有很多種，每種協(xié)議都是針對特定的應用開的，具有特定的協(xié)議規(guī)范和結構。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。以下是這兩項標準之間的一些差異，設計系統(tǒng)時需要注意。RS-422最適合只需要一個總線主機(驅動器)的工業(yè)環(huán)境，提供高達10Mbps的數(shù)據(jù)傳輸機制。RS-422使用兩根線發(fā)送信號，提高最大波特率和電纜長度。RS-422是為多點應用設計的，總線上只連接一個發(fā)送器且只有一個發(fā)送器進行發(fā)送，最多10個接收器(圖1)。典型應用包括過程自動化(化工、釀造、造紙廠)、工廠自動化(汽車和金屬制造)、HVAC、安防、電機控制和運動控制。

圖1. RS-422多點總線

當需要多個總線主機/驅動器時，RS-485具有更高的靈活性。該標準在RS-422的基礎上進行改進，將設備數(shù)量從10個提高到了32個，擁有更寬的共模和差分電壓范圍，確保在最大負載下具有足夠的信號電壓。擁有這種增強的多點功能后，用戶可構建連接到單個RS-485串口的設備網絡。較強的抗噪性和多點功能使RS-485成為工業(yè)應用中的首選串行鏈路，可將多個分布式設備通過網絡連接到PC或者其它控制器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、HMI等類似操作。RS-485是RS-422的擴展，因此所有RS-422設備均可通過RS-485進行控制。

RS - 485 與RS - 422的典型應用相類似： 過程自動化( 化工、釀造、造紙廠) 、工廠自動化( 汽車和金屬制造)、HVAC、安防、電機控制和運動控制。由于RS-485提高了靈活性，所以在兩者中更常見。

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

RS-485接口可使用一對傳輸線工作在半雙工模式，或使用兩對線(4線)工作在全雙工模式，以同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。半雙工多點配置時可支持最多32個驅動器和多達32個接收器。市場上已經出現(xiàn)具有1/4單位負載甚至1/8單位負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個接收器。擁有這種增強的多點功能后，用戶可構建大型RS-485串行設備網絡，如圖2所示。

圖2：工業(yè)應用中常見的多點半雙工收發(fā)器系統(tǒng)

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

圖3：RS-485的最小總線信號電平

在可能損壞硬件或對數(shù)字通信產生不利影響的環(huán)境條件下，為保證可靠操作，工業(yè)系統(tǒng)設計師面臨諸多困難。