RS485使用手册与指南

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第1章 RS-485选型及应用指南.........................................................................1

1.1 RS-232/422/485标准...............................................................................................1

1.1.1 RS-232标准.....................................................................................................2 1.1.2 RS-422/485标准..............................................................................................2 1.2 RS-485/RS-422芯片................................................................................................5

1.2.1 增强型低功耗半双工RS-485收发器－SP481E/SP485E..............................7 1.2.2 1/10 单位负载 RS-485收发器－SP481R/SP485R.....................................10 1.2.3 +3.3V低功耗半双工RS-485收发器－SP3481/SP3485..............................13 1.2.4 增强型低功耗全双工RS-422收发器－SP490E/SP491E............................15 1.2.5 +3.3V低功耗全双工RS-422收发器－SP3490/SP3491..............................20 1.3 RS-485接口电路...................................................................................................22

1.3.1 基本RS-485电路...........................................................................................22 1.3.2 隔离RS-485电路...........................................................................................23 1.3.3 上电抑制电路.................................................................................................24 1.3.4 RS-485自动换向电路....................................................................................24 1.4 RS-485通讯协议...................................................................................................25

1.4.1 ModBus协议(RTU模式)...............................................................................25 1.4.2 多功能电能表通讯规约(DL/T645-1997)......................................................27 1.5 RS-485程序设计...................................................................................................28

1.5.1 RS-485接口电路............................................................................................28 1.5.2 通讯规约.........................................................................................................28 1.5.3 程序设计流程图.............................................................................................29 1.5.4 数据接收部分.................................................................................................29 1.5.5 命令执行部分.................................................................................................29 1.5.6 数据发送部分.................................................................................................30 1.5.7 RS-485程序清单............................................................................................31 1.6 RS-485应用要点...................................................................................................38

1.6.1 合理选用芯片.................................................................................................38 1.6.2 终端匹配电阻.................................................................................................39 1.6.3 应用层通信协议.............................................................................................39 1.6.4 3V-5V系统的连接.........................................................................................39 1.6.5 网络节点数.....................................................................................................40 1.6.6 节点与主干距离.............................................................................................40 1.6.7 RS-485系统的常见故障及处理方法............................................................40 1.6.8 RS-422与RS-485的网络拓朴.....................................................................41 1.6.9 RS-422与RS-485的接地问题.....................................................................41 1.6.10 RS-422与RS-485的瞬态保护.....................................................................42 1.7 参考文献.................................................................................................................43

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第1章 RS-485选型及应用指南

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。

本章将详细介绍RS-485/422原理与区别、元件选择、参考电路、通讯规约、程序设计等方面的应用要点，以及在产品实践中总结出的一些经验、窍门。

1.1 RS-232/422/485标准

RS-232、RS-422与RS-485最初都是由电子工业协会（EIA）制订并发布的。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，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 0-1列出了RS-232、RS-422、RS-485通讯方式的区别。

w.wwd15.jpten表格 0-1 RS-232、RS-422、RS-485的区别

标准工作方式节点数

RS-232 RS-422 RS-485 单端 1收、1发

差分 1发10收

差分 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 20Kbps 10Mbps 10Mbps 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) 发送器输出信号电平

(空载最大值)

负载 +/-5V～+/-15V空载 +/-25V ±2.0V ±1.5V ±6V ±6V 1

发送器负载阻抗(Ω) 3K～7K 100 54 摆率(最大值) 30V/μs N/A N/A 接收器输入电压范围 ±15V -10V～+10V -7V～+12V

接收器输入门限 ±3V ±200mV ±200mV 接收器输入电阻(Ω) 3K～7K 4K(最小)

≥12K

发送器共模电压 -- -3V～+3V -1V～+3V 接收器共模电压 -- -7V～+7V -7V～+12V

1.1.1

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。

z 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；

未定义区：－3V～＋3V。在此区域内的信号处理将由通讯接口的RS-232收发器决定。 1.1.2

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

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，习惯地称之为RS-485标准。

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 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 1-1所示。

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图 1-1 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。参见图 1-2所示。

图 1-2 RS-485接收器的示意图

定义逻辑1（正逻辑电平）为B＞A的状态，逻辑0（负逻辑电平）为A＞B的状态，A、B之间的压差不小于200mV。

TIA/EIA-485串行通讯标准的性能如表格 1-2所示：

表格 1-2 TIA/EIA-485通讯方式的性能

规格

传输模式

电缆长度＠90Kbps 4000 ft（1200m）电缆长度＠10Mbps 50 ft（15m）

数据传输速度 10 Mbps 最大差动输出 ± 6V 最小差动输出 ± 1.5V 接收器敏感度 ±0.2 V 发送器负载（欧姆） 60Ω

最大发送器数量 32 单位负载最大接收器数量 32 单位负载

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120Ω）。在矩距离、或低波特率波数据传输时可不需终端匹配

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TIA/EIA-485

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电阻，即一般在300米以下、19200bps不需终端匹配电阻。终端匹配电阻安装在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

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 1-3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 1-3 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10×4k+100Ω（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电缆的最远端。

TIA/EIA-422串行通讯标准的性能如表格 1-3所示：

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表格 1-3 TIA/EIA-422通讯方式的性能

规格

传输模式

TIA/EIA-422

平衡

电缆长度＠90Kbps 4000 ft（1200m）电缆长度＠10Mbps 50 ft（15m）

数据传输速度 10 Mbps 最大差动输出 ±10 V