RS-485通讯接口与硬件电路
1 引言
智能仪表是随着80年代初单片机技术的成熟而发展起来的，现在世界仪表市场基本被智能仪表所垄断。究其原因就是企业信息化的需要，企业在仪表选型时其中的一个必要条件就是要具有联网通信接口。在工业控制、电力通讯、智能仪表等领域，通常情况下是采用串口通信的方式进行数据交换。随着工业应用通信越来越多，最初是数据模拟信号输出简单过程量，后来采用的方式是 RS232 接口，由于工业现场比较复杂，各种电气设备会在环境中产生比较多的电磁干扰，会导致信号传输错误。除此之外，RS232 接口只能实现点对点通信，不具备联网功能，最大传输距离也只能达到十几米，不能满足远距离通信要求。而 RS485 则解决了这些问题，数据信号采用差分传输方式，可以有效的解决共模干扰问题，最大距离可达 1200 米，并且允许多个收发设备接到同一条总线上。
2 通信方式
对于点对点之间的通信，按照消息传送的方向与时间关系，通信方式可分为单工通信、半双工通信及全双工通信三种。
单工通信（Simplex Communication）是指消息只能单方向传输的工作方式。在单工通信中，通信的信道是单向的，发送端与接收端也是固定的，即发送端只能发送信息，不能接收信息；接收端只能接收信息，不能发送信息。
半双工通信（Half-duplex Communication）可以实现双向的通信，但不能在两个方向上同时进行，必须轮流交替地进行。
全双工通信（Full duplex Communication）是指在通信的任意时刻，线路上存在A到B和B到A的双向信号传输。 全双工通信允许数据同时在两个方向上传输，又称为双向同时通信，即通信的双方可以同时发送和接收数据。
3 电气特性
RS-485总线,在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485 串行总线标准。RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。根据RS485工业总线标准，RS485工业总线为特性阻抗120Ω的半双工通讯总线，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线，其最大负载能力为32个有效负载（包括主控设备与被控设置）。
其主要电气特性为：
1. 采用差分信号，发送端，逻辑”1”以两线间的电压差为+(2~6)V表示；逻辑”0”以两线间的电压差为-(2~6)V表示；在接收端，大于200mv为逻辑1，小于-200mv为逻辑0，便于实现远距离传输。接口信号电平比RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片， 且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。
2. RS-485的数据最高传输速率为10Mbps。
3. RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好。rs485两线一般定义为:“A, B”或“Date+,Date-”，即常说的：”485＋，485－”。很多情况下，连接RS-485
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通信链路时只是简单地用一对双绞线将各个接口的“A”、“B”端连接起来。
4. RS-485最大的通信距离约为1219m，最大传输速率为10Mbps，传输速率与传输距离成反比，在100KbpS的传输速率下，才可以达到最大的通信距离，如果需传输更长的距离，需要加485中继器。RS-485总线一般最大支持32个节点，如果使用特制的485芯片，可以达到128个或者256个节点。但经验值一般不超过32个节点。图1是RS-485电路的典型网络应用网络图。在远距离485整个通讯系统中，为了系统的传输稳定性、消除反射信号，我们一般会在第一个节点和最后一个节点加匹配电阻。大小由现场决定，经验值一般为120Ω。相当于电缆特性阻抗的电阻，因为大多数双绞线电缆特性阻抗大约在100～120Ω。
图1 典型RS-485连接网络图
Fig.1 The typical RS-485 network connection diagram
这种匹配方法简单有效，但有一个缺点，匹配电阻要消耗较大功率，对于功耗限制比较严格的系统不太适合。另外一种比较省电的匹配方式是RC匹配。利用一只电容C隔断直流成分可以节省大部分功率。但电容C的取值是个难点，需要在功耗和匹配质量间进行折衷。还有一种采用二极管的匹配方法，这种方案虽未实现真正的“匹配”，但它利用二极管的钳位作用能迅速削弱反射信号，达到改善信号质量的目的，节能效果显著。
表1 RS-485、RS-232和RS-422引脚对照表 Tab.1 RS-485、RS-232 and RS-422 pin contrast table
Pin 1 2 3 4 5 6 7 8 9 RS-232 DCD RX TX DTR GND DSR RTS CTS RI RS-422 TX- TX+ RX+ RX- GND RTS- RTS+ CTS+ CTS- RS-485 DATA- DATA+ NC NC GND NC NC NC NC 在一般场合采用普通的双绞线就可以，在要求比较高的环境下可以采用带屏蔽层的同轴电缆。在使用RS485接口时，对于特定的传输线路，从RS485接口到负载其数据信号传输所允许的最大电缆长度与信号传输的波特率成反比，这个长度数据主要是受信号失真及噪声等影响所影响。RS485具体能传输多远视周围环境而定。如果真需要长距离传输，可以采用光纤为传播介质，收发两端各加一个光电转换器，多模光纤的传输距离是5~10公里，而采用单模光纤可达50公里的传播距离。
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4 硬件电路
4.1 RS-485电路结构
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，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。图2是RS-485接收发器的结构简图。A和B上的上、下拉偏置电阻主要是为了避免出现不确定的中间态。
图2 RS-485电路结构简图 Fig.2 RS-485 circuit schematic diagram
任一时刻，RS-485 收发器只能够工作在“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。
图3中choose端为收发使能端，R16的120Ω电阻为匹配电阻，消除反射信号，D3、D4、D5、D6为保护电路，防止雷击、浪涌等。
图3 RS-485传输电路 Fig.3 RS-485 transmission circuit
4.2 隔离型RS485总线典型电路
在某些工业控制领域，由于现场情况十分复杂，各个节点之间存在很高的共模电压。虽然RS-485接口采用的是差分传输方式，具有一定的抗共模干扰的能力，但当共模电压超过RS-485接收器的极限接收电压，即大于+12V或小于－7V时，接收器就再也无法正常工作了，严重时甚至会烧毁芯片和仪器设备。
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解决此类问题的方法是通过DC-DC将系统电源和RS-485收发器的电源隔离；通过隔离器件将信号隔离，彻底消除共模电压的影响。传统方式为用光耦、带隔离的DC-DC、RS-485芯片构筑电路
图4 隔离型RS-485电路 Fig.4 Isolated RS-485 circuit
图4中我们以高速光耦6N137为例来说明一下隔离型RS485电路。实际电路中对传输速度要求不高的场合无需使用高速光耦。VDD与VCC485是两组不共地的电源，一般用隔离型的DC-DC来实现。通过光耦隔离来实现信号的隔离传输，ADM487与MCU系统不共地，完全隔离则有效的抑制了高共模电压的产生，大大降低了485的损坏率，提高了系统的稳定性。但也存在电路体积过大、电路繁琐、分立器件过多、传输速率受光电器件限制等缺点，对整个系统的稳定性也有一定的影响。
为避免以上缺点，出现了一些二次集成芯片，如ADM2483、ADM257E等，来进行保护。
图5 隔离型RS485芯片ADM2483应用图
Fig.5 The application of ADM2483 diagram of isolated RS485 chip
ADM2483是ADI推出的隔离型485芯片，SOW-16封装，内部集成了一个三通道的磁隔离器件和一个半双工485收发器，2500V隔离电压、传输速率500K、共模电压抑制能力25KV/μS。但此电路仍需双电源供电，因此也会在一定程度上存在电路体积过大的问题。
ADM2587E是ADI继ADM2483之后，推出的单电源隔离型485芯片。SOW-20封装，2500V隔离电压，全/半双工、传输速率500K、共模电压抑制能力25KV/μS、±15KV的ESD保护。适合用于工控、电力、仪表、安防等各种485隔离场合。
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图6 完全隔离型RS485/422芯片ADM2587E应用图
Fig.6 Complete isolation of RS485/422 chip ADM2587E application diagram
5 基于RS485的空调控制系统设计
如图7所示，该智能暖通空调系统的温控器、室外机、室内机三个控制器之间通过RS485总线互相通信，进行信息传输并控制。
图7 基于RS485的空调控制系统图
Fig.7 The air conditioner control system based on RS485
在同步方式下，主机负责初始化从机节点，并启动通信时序，主机将控制或监控各从机节点。主机必须要有足够的存储容量用来存储从机特征信息，它可询问及配置从机的特征信息，并把修改后的信息回传给从机。若设备被配置为从机，主机会控制此设备的通信。若从机不需和其它设备通信，那么从机就不需知道在此网络有什么样的其它设备存在。如果从机间需要通信，那么必须通过主机来进行。如室内机控制板为主机，温控器只和室内机控制板通讯，但是温控器可以通过室内机控制板知道网络中有室外机存在。
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RS-485通讯接口与硬件电路
