通信協議之485

標題通信協議之485

標題RS-485通信協議標準

通信協議是指雙方實體完成通信或服務所必須遵循的規則和約定，主要實現兩個設備之間的數據交換功能.
通信協議分硬件層協議和軟件層協議。

硬件層協議決定數據如何傳輸，比如要設備A要想設備B發送0x63,0x63的二進制數爲0110 0011，這8個二進制數要從設備A傳輸到設備B，涉及到1怎麼傳，0怎麼傳，這就是硬件層要解決的問題。

硬件層協議目前比較多見的有RS-232、RS-485和SPI等。
其中串行通信RS-485規定：邏輯“1”以兩線間的電壓差爲+（2-6）伏表示；邏輯“0”以兩線間的電壓差爲-（2-6）伏表示。
再者，比如要選擇多少條線傳輸數據，選擇什麼材質的線傳輸輸入，這些也是屬於硬件層協議約束的。

MCU管腳輸出TTL電平，TTL電平的意思是，當MCU管腳輸出0電平時，一般情況下電壓是0伏，當MCU管腳輸出1電平時，電壓是5伏。因TTL電平是由一條信號線，一條地線產生，信號線上的干擾信號會跟隨有效信號傳送到到接收端，使得有效信號受到干擾，485通信實際上是把MCU出來的TTL電平通過硬件層的一個轉換器芯片進行轉換，示意圖如圖一所示。

圖 1

把MCU出來的一條TTL信號經過芯片轉換爲兩根線（線A、線B）上的信號。當MCU給轉換器輸入低TTL電平時，轉換器會使線B上的電壓比線A上的電壓高，反之，線A上的電壓比線B上的電壓高。

485協議規定兩條線上電壓差值爲多少表示0或者1，電壓通過儀表可以測量得到，所以說RS-485是硬件層協議。

485協議的接收端可能是另一個MCU，MCU管腳也只接受TTL電平，轉換芯片過來的是兩條線的電壓，所以需要對此兩條線差分電壓轉換爲TTL電平，示意圖如圖二所示。

圖 2

把TTL電平轉換爲485電平，實質是一個集成芯片，其間無任何程序代碼，純粹是硬件邏輯。同理，將485電平轉換爲TTL電平也是如此。現在很多芯片將接收和轉換都集成到了一塊IC，注意，轉換器和接收器依舊是沒有同時工作的。

2.RS-485通信總線標準

RS-485標準採用平衡式發送和差分接收方式實現通信，由於傳輸線通常使用雙絞線，又是差分傳輸，所以有極強的抗共模干擾的能力。RS-485採用半雙工工作方式，支持多點數據通信。

總線網絡拓撲一般採用終端匹配的總線型結構，即採用一條總線將各個節點串接起來，不支持環形或星型網絡，如果需要使用星型結構，就必須使用485中繼器或485集線器。RS-485總線一般最大支持32個節點，如果使用特製的485芯片，可以達到128個或256個節點，最大的可以支持到400個節點。

3.RS-485電路設計原理
TTL，RS-485兩者之間的電平標準定義不通，需要電平轉換芯片來實現兩者間的數據交換。圖三是一般RS-485電平轉換芯片引腳數及其定義，或者稱爲RS-485收發芯片。

RS-485收發芯片（電平轉換芯片）可以理解成兩部分，分別爲驅動器和接收器。

驅動器輸出是差分輸出，DE管腳上的邏輯高電平將使能驅動器差分輸出，如果DE爲邏輯低電平，則驅動器輸出呈現高阻態，將發送端與輸出A，B斷開。

表 1驅動器輸出真值表

通過該真值表可知，在發送時，/RE的電平高低就無所謂了DE是高電平時，

那麼DI爲1，A>B，驅動器發送器輸出1，

DI爲0時，B>A，驅動器發送器輸出0。

而當DE爲低電平時，則輸出高阻態，也就是隔開了DI與A，B之間的關係。

RS-485接收器輸入時差分輸入，/RE來使能接收器，當/RE爲低電平時，接收器使能。

表 2接收器輸出真值表

差分傳輸：發送端在兩條信號線上傳輸幅值相等，相位相反電信號，接收端在對接收的兩條線信號做減法運算，這樣就獲得幅值翻倍的信號。

特別注意：千萬不要以爲RS-485的邏輯“1”是B>A，邏輯“0”就是A>B。

正確理解：分兩種情況驅動器（發送器）和接收器，

對於驅動器（發送器），邏輯“1”（正）是A>B，AB之間電壓爲+（2~6）V；

邏輯“0”（負）是A<B，AB之間電壓爲-（2~6）V。

而對於接收器，則邏輯“1”（正）則是B>A，BA之間電壓不小於200mV;

邏輯“0”（負）則是A>B，BA之間電壓小於-200mV;
即正負邏輯，電壓絕對值都大於200mV。

由於RS-485芯片特性，接收器的檢測靈敏度爲±220mV，當A，B端的電位差絕對值小於200mV時，輸出爲不穩定，如果在總線上所有發送器被禁止時，接收器輸出邏輯“0”，這會誤認爲通信幀的起始引起工作不正常，解決這個問題的辦法就是人爲的地使A端電位高於B端電位，這樣Rxd的電平在485總線不發送期間（總線懸浮時）呈現唯一的高電平，MCU就不會被誤中斷而收到亂字符，通常在485電路的A，B輸出端加接上拉、下拉電阻，提供網絡失效保護，提高RS-485節點與網絡的可靠性。

一般情況下不需要增加終端電阻，只有在485通信距離超過300米的情況下，要在485通信的開始端和結束端增加終端電阻。

隔離雖然能夠有效的抑制高共模電壓，但總線上還會存在浪湧衝擊、電源線與485線短路等潛在危害，所以一般會在總線端採取一定的保護措施。

通常在RS-485通訊接口的A，B通訊線上各串接一個熱敏電阻，在熱敏電阻與RS-485通訊接口之間的A，B通訊線和地之間分別設有TVS瞬變抑制二極管。

沒有故障時，熱敏電阻接近零，不影響正常通訊，當誤接220V時，熱敏電阻變的無窮大，相當於通訊迴路和外面斷開，當故障消失後，熱敏電阻阻值降到零，又可以正常使用。

由於RS-485是半雙工通信，收發轉換是需要一定的時間，所以一般在收發轉換之間和每發送完一幀數據之後，都要有相應的延時，如果出現收發不正常或第一幀數據之後就出現誤碼現象，則可以適當的增加一下延時時間。

異步通信數據以字節的方式傳送，在每一個字節傳送之前，先要通過一個低電平起始位實現握手。爲防止干擾信號誤觸RO（接收器輸出）產生負跳變，使接收端MCU進入接收狀態，建議RO外接10kΩ的上拉電阻。

電源旁路電容，作用是給485芯片提供一個乾淨的電源，使它穩定的工作。
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