RS485自收發(fā)實(shí)現(xiàn)方案，典型應(yīng)用電路及問題經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

時間：2020-09-07 15:12:51

關(guān)鍵字： RS485 應(yīng)用電路

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[導(dǎo)讀]RS485抗噪音抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、支持多點(diǎn)通信，是工控行業(yè)首選串行接口。

素材來源：網(wǎng)絡(luò)

轉(zhuǎn)自：8號線攻城獅

如上三張圖片大致示意485芯片的收發(fā)特性，這里有個概念。

RS485抗噪音抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、支持多點(diǎn)通信，是工控行業(yè)首選串行接口。485規(guī)定的電氣特性為2線，半雙工多點(diǎn)通信。采用兩線差分信號傳輸數(shù)據(jù)，具有抗共模干擾的能力。由于是半雙工模式，因此通訊時需要切換收發(fā)狀態(tài)。目前常用的485收發(fā)切換方案有以下幾種：

1.傳統(tǒng)RS485電路（帶收發(fā)控制腳非隔離RS-485電路）
傳統(tǒng)的485應(yīng)用電路如下圖所示，采用3線控制，UART_RXD、UART_TXD和收發(fā)控制端UART_CON。

控制策略如下：UART_CON為低電平，485處于接收狀態(tài)；UART_CON為高電平，485處于發(fā)送狀態(tài)。通過切換UART_CON的電平來達(dá)到485收發(fā)狀態(tài)的切換。

2.硬件自收發(fā)切換非隔離RS-485電路

帶收發(fā)控制腳的485在編程時需要切換控制端電平，增加了程序的復(fù)雜度。為了編程方便，常常將電路改為如上圖所示的自動收發(fā)電路。這種采用分立元件搭建非隔離自動收發(fā)RS485電路的優(yōu)點(diǎn)在于控制簡單，收發(fā)控制腳不需要程序干預(yù)。

雖然采用分立元件搭建的非隔離RS485自動收發(fā)電路解決了帶收發(fā)控制腳非隔離RS485電路編程上操作復(fù)雜的問題，但受三極管切換速度、收發(fā)器內(nèi)部接口阻抗等影響，分立元件搭建的自動收發(fā)切換電路降低了系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的最大波特率。

3.收發(fā)切換隔離RS485電路

帶有隔離電路的485是最穩(wěn)定的設(shè)計(jì)，需要選擇隔離485芯片以及隔離電源，此方案成本相對于前兩種方案會高很多。

下面介紹一種485硬件收發(fā)切換電路實(shí)例。

485芯片采用MAX485芯片，電路使用NPN三極管開切換收發(fā)。控制原理是：MCU的UART的TX和RX引腳需要連上拉電阻（TX和RX在沒有通信時均是高電平），防止剛上電TX和RX引腳電平不穩(wěn)定引起收到擾亂數(shù)據(jù)。A上拉電阻B下拉電阻，終端并聯(lián)120歐姆電阻，D10、D11、D12為三個防雷防浪涌的TVS管。

接收：默認(rèn)沒有數(shù)據(jù)時，UART_TX為高電平，三極管導(dǎo)通，MAX485芯片RE低電平使能，RO接收數(shù)據(jù)使能，此時從485AB口收到什么數(shù)據(jù)就會通過RO通道傳到MCU，完成數(shù)據(jù)接收過程。

發(fā)送：當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時，UART_TX會有一個下拉的電平，表示開始發(fā)送數(shù)據(jù)，此時三極管截止，DE為高電平發(fā)送使能。當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)‘0’時，由于DI口連接地，此時數(shù)據(jù)‘0’就會傳輸?shù)紸B口 A-B<0,傳輸‘0’，完成了低電平的傳輸。當(dāng)發(fā)送‘1’時，此時三極管導(dǎo)通，按理說RO使能，此時由于還處在發(fā)送數(shù)據(jù)中，這種狀態(tài)下MAX485處于高阻態(tài)，此時的狀態(tài)通過A上拉B下拉電阻決定，此時A-B>0傳輸‘1’，完成高電平的傳輸。

PS: 此時有人肯定也會有疑惑，發(fā)送數(shù)據(jù)‘1’，三極管導(dǎo)通RE低電平有效應(yīng)該是接收使能，為什么芯片會是高阻狀態(tài)？

因?yàn)閁ART發(fā)送收據(jù)會有一定的格式，數(shù)據(jù)均以“位”為最小單位進(jìn)行傳輸。在收發(fā)數(shù)據(jù)之前，UART之間要約定好數(shù)據(jù)的傳輸速率（即每位所占據(jù)的時間，其倒數(shù)為波特率）、數(shù)據(jù)的傳輸格式（有多少數(shù)據(jù)位、是否有校驗(yàn)位、奇校驗(yàn)還是偶校驗(yàn)、是否有停止位）。平時數(shù)據(jù)線處于“空閑狀態(tài)”（1狀態(tài)）。當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時，TX由‘1’變?yōu)椤?’維持1位的時間，這樣收方檢測開始位后，再等待1.5位時間就開始一位一位的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。意思是說，已經(jīng)確定好發(fā)送狀態(tài)，電路發(fā)送‘1’此時RE有效，接收有效但有由于它處于發(fā)送階段，此時芯片會處于高阻狀態(tài)。

三種常用電路如下：

1、基本的RS485電路

上圖是最基本的RS485電路,R/D為低電平時，發(fā)送禁止，接收有效，R/D為高電平時，則發(fā)送有效，接收截止。上拉電阻R7和下拉電阻R8，用于保證無連接的SP485R芯片處于空閑狀態(tài)，提供網(wǎng)絡(luò)失效保護(hù)，提高RS485節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)的可靠性，R7，R8，R9這三個電阻，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用改變大小，特別是使用120歐或更小的終端電阻時，R9就不需要了，此時R7，R8使用680歐電阻。正常情況下，一般R7=R8=4.7K，R9不要。

圖中鉗位于6.8V的管V4，V5，V6，都是為了保護(hù)RS485總線的，避免受外界干擾，也可以選擇集成的總線保護(hù)原件。另外圖中的L1，L2，C1，C2為可選安裝原件，用于提高電路的EMI性能.

2、帶隔離的RS485電路

根本原理與基本電路的原理相似。使用DC-DC器件可以產(chǎn)生1組與微處理器電路完全隔離的電源輸出，用于向RS485收發(fā)器提供+5V電源。電路中的光耦器件速率會影響RS485電路的通信速率。上圖中選用了NEC的光耦PS2501，受其影響，該電路的通訊速率控制在19200bps下。

3、自動切換電路

上圖中，TX,RX引腳均需要上拉電阻，這一點(diǎn)特別重要。

接收：默認(rèn)沒有數(shù)據(jù)時，TX為高電平，三極管導(dǎo)通，RE為低電平使能，RO收數(shù)據(jù)有效，MAX485為接收態(tài)。

發(fā)送：發(fā)送數(shù)據(jù)時，TX會先有一個下拉的電平（起始位-由高向低），表示開始發(fā)送數(shù)據(jù)，此時三極管截止，DE為高電平發(fā)送使能。當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)“0”時，由于DI接口相當(dāng)于接地，此時數(shù)據(jù)“0”就會傳輸?shù)紸B扣，A-B<0，則傳輸“0”，完成低電平傳輸，當(dāng)發(fā)送“1”時，此時三極管導(dǎo)通，按理說RO會使能，此時由于還處于發(fā)送數(shù)據(jù)中，這種狀態(tài)下MAX485處于高阻太，此時的狀態(tài)通過A上來，B下拉電阻決定，此時A-B>0傳輸“1”，完成高電平的傳輸。

注意：這里面有個疑惑，發(fā)送數(shù)據(jù)“1”，三極管RE低電平有效，應(yīng)該是接收使能，為什么芯片是高阻態(tài)呢？這是因?yàn)閁ART發(fā)送數(shù)據(jù)是有一定格式的，TX和RX數(shù)據(jù)均以“位”為最小單位進(jìn)行傳輸，在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，UART之間要約定好數(shù)據(jù)傳輸速率，即波特率，數(shù)據(jù)傳輸格式（數(shù)據(jù)位，校驗(yàn)，停止），平時數(shù)據(jù)線處于空閑狀態(tài)（1狀態(tài)），當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時，TX由“1”變?yōu)椤?”維持1位的時間，這樣接收方檢測到開始位后，再等待1.5位時間就開始一位一位的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸了，也就是說，已經(jīng)確定好發(fā)送狀態(tài)，電路發(fā)送“1”時RE雖然有效，但是由于它處于發(fā)送階段，芯片也不會收，即芯片處于高阻狀態(tài)。

問題經(jīng)驗(yàn)總結(jié)：

問題： 485總線在通訊中，當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時，其他一些節(jié)點(diǎn)會被影響，出現(xiàn)通信故障。

解決方法：在每個節(jié)點(diǎn)的AB線上串入一個22歐姆左右的電阻，同時協(xié)議的編制一定要考慮到故障偵測和報(bào)警。

問題：當(dāng)485總線處于開路（485收發(fā)器與總線斷開）或者空閑狀態(tài)（485收發(fā)器全部處于接收狀態(tài)，總線沒有收發(fā)器進(jìn)行驅(qū)動）時，485總線的差分電壓基本為0，此時總線就處于一個不確定的狀態(tài)。

解決方法：在485總線上增加上下拉電阻（通常A接上拉電阻，B總線下拉電阻，一般為1K左右）。

理論依據(jù)：根據(jù)RS-485標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)485總線差分電壓大于+200mV時，485收發(fā)器輸出高電平；當(dāng)485總線差分電壓小于-200mV時，485收發(fā)器輸出低電平；當(dāng)485總線上的電壓在-200mV～+200mV時，485收發(fā)器可能輸出高電平也可能輸出低電平，但一般總處于一種電平狀態(tài)，若485收發(fā)器的輸出低電平，這對于UART通信來說是一個起始位，此時通信會不正常。

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