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1、单片机的RS-485通信技术一、 基础知识通常的微处理器都集成有1 路或多路硬件UART 通道，可以非常方便地实现串行通讯。在工业控制、电力通讯、智能仪表等领域中，也常常使用简便易用的串行通讯方式作为数据交换的手段。但是，在工业控制等环境中，常会有电气噪声干扰传输线路，使用RS-232 通讯时经常因外界的电气干扰而导致信号传输错误；另外，RS-232 通讯的最大传输距离在不增加缓冲器的情况下只可以达到15 米。为了解决上述问题，RS-485/422 通讯方式就应运而生了。1、RS-232/422/485 标准来历RS-232、RS-422 与RS-485 最初都是由电子工业协会（EIA）制订并
2、发布的。RS-232在1962 年发布，命名为EIA-232-E，作为工业标准，以保证不同厂家产品之间的兼容。RS-422是由RS-232 发展而来，它是为弥补RS-232 之不足而提出的。为改进RS-232 通信距离短、速率低的缺点，RS-422 定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到10Mbps，传输距离延长到4000 英尺（速率低于100kbps 时），并允许在一条平衡总线上连接最多10 个接收器。RS-422 是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范，被命名为TIA/EIA-422-A 标准。为扩展应用范围，EIA 又于1983 年在RS-422 基础上制定了RS-485 标准，
3、增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，后命名为TIA/EIA-485-A 标准。由于EIA 提出的建议标准都是以“RS”作为前缀，所以在通讯工业领域，仍然习惯将上述标准以RS 作前缀称谓。RS-232、RS-422 与RS-485 标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。但由于PC 上的串行数据通讯是通过UART 芯片(较老版本的PC 采用I8250 芯片或Z8530 芯片)来处理的，其通讯协议也规定了串行数据单元的格式（8-N-1 格式）：1 位
4、逻辑0 的起始位，6/7/8 位数据位，1 位可选择的奇(ODD)/偶(EVEN)校验位，1/2 位逻辑1 的停止位。基于PC 的RS-232、RS-422 与RS-485标准均采用同样的通讯协议。表格 1-1 列出了RS-232、RS-422、RS-485 通讯方式的区别。标准RS-232RS-422RS-485工作方式单端差分差分节点数1收、1发1发、10收1发、32收最大传输电缆长度50英尺4000英尺4000英尺最大传输速率20Kbps10Mbps10Mbps最大驱动输出电压 +/25V 0.25V+6V 7V+12V发送器输出信号电平(负载最小值)负载 +/-5V+/-15V2.0V
5、 1.5V发送器输出信号电平(空载最大值)空载 +/-25V6V6V发送器负载阻抗()3K7K10054摆率(最大值)30V/sN/AN/A接收器输入电压范围 15V10V+10V 7V+12V接收器输入门限3V200mV200mV接收器输入电阻()3K7K4K(最小)12K发送器共模电压 -3V+3V-1V+3V接收器共模电压 -7V+7V -7V+12V1、 RS-232 标准RS-232 被定义为一种在低速率、近距离串行通讯的单端标准。RS-232 采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。、RS-232 的电气标准电平为逻辑“0”时：+3V+15V；电平为逻辑“1”时：-3V-15V；未定义
6、区：3V3V。在此区域内的信号处理将由通讯接口的RS-232 收发器决定。、RS-422/485 标准RS-422/485 标准的全称为TIA/EIA-422-B 和TIA/EIA-485 串行通讯标准。RS-422/485标准与RS-232 标准不一样，数据信号采用差分传输方式（Differential Driver Mode），也称作平衡传输。由于RS-422/485 标准在电气特性上非常相近，在传输方式上有所区别；为便于理解，下面将主要介绍应用比较普遍的RS-485 标准，并简单介绍RS-422 标准与RS-485 标准的区别。1 RS-485 标准RS-485 标准是为弥补RS-232
7、 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 Mode），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 1所示。图 1：RS-485 发送器的示意图通常情况下，发送发送器A、B 之间的正电平在+2+6V，是一个逻辑状态；负电平在-2-6V，是另一个逻辑状态。另有一个信号地C。在RS-485 器件中，一般还有一个“使能”控制信号。“使能”信号用于控制发送发送器与传输线的切断
8、与连接，当“使能”端起作用时，发送发送器处于高阻状态，称作“第三态”，它是有别于逻辑“1”与“0”的第三种状态。对于接收发送器，也作出与发送发送器相对的规定，收、发端通过平衡双绞线将A-A与B-B 对应相连。当在接收端A-B 之间有大于+200mV 的电平时，输出为正逻辑电平；小于-200mV 时，输出为负逻辑电平。在接收发送器的接收平衡线上，电平范围通常在200mV至6V 之间。定义逻辑1（正逻辑电平）为BA 的状态，逻辑0（负逻辑电平）为AB 的状态，A、B 之间的压差不小于200mV。RS-485 标准的最大传输距离约为1219 米，最大传输速率为10Mbps。通常，RS-485 网络采
9、用平衡双绞线作为传输媒体。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，只有在20kbps 速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般来说，15 米长双绞线最大传输速率仅为1Mbps。注意：并不是所有的RS-485 收发器都能够支持高达10Mbps 的通讯速率。如果采用光电隔离方式，则通讯速率一般还会受到光电隔离器件响应速度的限制。RS-485 网络采用直线拓朴结构，需要安装2 个终端匹配电阻，其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗（一般取值为120）。在矩距离、或低波特率波数据传输时可不需终端匹配电阻，即一般在300 米以下、19200bps 不需终端匹配电阻。终端匹
10、配电阻安装在RS-485 传输网络的两个端点，并联连接在A-B 引脚之间。RS-485 标准通常被用作为一种相对经济、具有相当高噪声抑制、相对高的传输速率、传输距离远、宽共模范围的通信平台。同时，RS-485 电路具有控制方便、成本低廉等优点。在过去的20 年时间里，建议性标准RS-485 作为一种多点差分数据传输的电气规范，被应用在许多不同的领域，作为数据传输链路。目前，在我国应用的现场网络中，RS-485半双工异步通信总线也是被各个研发机构广泛使用的数据通信总线。但是基于在RS-485 总线上任一时刻只能存在一个主机的特点，它往往应用在集中控制枢纽与分散控制单元之间。2 RS-422 标准
11、RS-422 标准的全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”，它定义了接口电路的电气特性。图 2是典型的RS-422 四线接口。实际上还有一根信号地线，共5 根线通讯线。图2：RS-422 标准的通讯接口由于RS-422 接收器采用高输入阻抗和发送器因此比RS-232 更强的驱动能力，故允许在相同传输线上连接多个接收节点，最多可接10 个节点。即一个主设备（Master），其余为从设备（Salve），从设备之间不能通信，所以RS-422 支持点对多点的双向通信。接收器输入阻抗为4k，故发端最大负载能力是104k+100（终接电阻）。RS-422 四线接口由于采用单独的发送和接收通道，因此不必控
12、制数据方向，各装置之间任何必须的信号交换均可以按软件方式（XON/XOFF 握手）或硬件方式（一对单独的双绞线）实现。RS-422 的最大传输距离为4000 英尺（约1219 米），最大传输速率为10Mbps。其平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在20kbps 速率以下，才可能达到最大传输距离。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100 米长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为1Mbps。RS-422 需要安装一个终接电阻，要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗（一般取值为120 欧）。在短距离、或低波特率数据传输时可不安装终接电阻，即一般在300 米以下不安装终接电阻。终接电阻安装在传输
13、电缆的最远端。、RS-485/RS-422 芯片作为一种常用的通讯接口器件，RS-485/RS-422 芯片可以在许多半导体公司的“标准接口器件”栏目中“收发器”类元件中找到对应的型号；比如Sipex 公司(器件前缀为SP)、Maxim 公司(器件前缀为MAX)、TI 公司(器件前缀为SN)、Intersil 公司(器件前缀为ISL 或LTC)等各大半导体公司。、RS-485接口电路RS-485 接口电路的主要功能是：将来自微处理器的发送信号TX 通过“发送器”转换成通讯网络中的差分信号，也可以将通讯网络中的差分信号通过“接收器”转换成被微处理器接收的RX 信号。任一时刻，RS-485 收发器
14、只能够工作在“接收”或“发送”两种模式之一，因此，必须为RS-485 接口电路增加一个收/发逻辑控制电路。另外，由于应用环境的各不相同，RS-485 接口电路的附加保护措施也是必须重点考虑的环节。、基本RS-485 电路图3为一个经常被应用到的SP485R芯片的示范电路，可以被直接嵌入实际的RS-485应用电路中。微处理器的标准串行口通过RXD 直接连接SP485R 芯片的RO 引脚，通过TXD直接连接SP485R 芯片的DI 引脚。图 3：SP485R 的基本RS-485 电路由微处理器输出的R/D 信号直接控制SP485R 芯片的发送器/接收器使能：R/D 信号为“1”，则SP485R 芯
15、片的发送器有效，接收器禁止，此时微处理器可以向RS-485 总线发送数据字节；R/D 信号为“0”，则SP485R 芯片的发送器禁止，接收器有效，此时微处理器可以接收来自RS-485 总线的数据字节。此电路中，任一时刻SP485R 芯片中的“接收器”和“发送器”只能够有1 个处于工作状态。连接至A 引脚的上拉电阻R7、连接至B 引脚的下拉电阻R8 用于保证无连接的SP485R芯片处于空闲状态，提供网络失效保护，以提高RS-485 节点与网络的可靠性。如果将SP485R 连接至微处理器80C51 芯片的UART 串口，则SP485R 芯片的RO 引脚不需要上拉；否则，需要根据实际情况考虑是否在RO 引脚增加1 个大约10K 的上拉电阻。SP485R 芯片本身集成了有效的ESD 保护措施。但为了更加可靠地保护RS-485 网络，确保系统安全，我们通常还会额外增加一些保护电路。电路图中，钳位于6.8V 的TVS 管V4、V5、V6 都是用来保护RS-485 总线的，避免RS-485总线在受外界干扰时（雷击、浪涌）产生的高压损坏RS-485 收发器。当然，也选择集成的总线保护元件，比如ONSemi 半导体的NUP2105L 器件(SOT-23 封装，集成2 个双向T
