廣州周立功單片機發展有限公司Tel：(020)3873097738730977Fax：38730925目 錄第 1 章1.11.2RS-485 選型及應用指南 .1RS-232/422/485 標準 .11.1.1 RS-232 標準 .21.1.2 RS-422/485 標準 .2RS-485/RS-422 芯片 .51.2.1增強型低功耗半雙工 RS-485 收發器SP481E/SP485E .71.2.2 1/10 單位負載 RS-485 收發器SP481R/SP485R .101.2.3 +3.3V 低功耗半雙工 RS-485 收發器SP3481/SP34增強型低功耗全雙工 RS-422 收發器SP490E/SP491E .151.2.5 +3.3V 低功耗全雙工 RS-422 收發器SP3490/SP3491.201.3RS-485 接口電路 ..2基本 RS-485 電路.22隔離 RS-485 電路.1.3.3 上電抑制電路.241.3.4 RS-485 自動換向電路.24RS-485 通訊協議 .251.4.1 ModBus 協議(RTU 模式).251.4.2 多功能電能表通訊規約(DL/T645-1997) .27RS-485 程序設計 .281.5.1 RS-485 接口電路.281.5.2 通訊規約.281.5.3 程序設計流程圖.291.5.4 數據接收部分.291.5.5 命令執行部分.291.5.6 數據發送部分.301.5.7 RS-485 程序清單.31RS-485 應用要點 .3.21.6.3合理選用芯片.38終端匹配電阻.39應用層通信協議.391.6.4 3V-5V 系統的連接.3.6網絡節點數.40節點與主干距離.401.6.7 RS-485 系統的常見故障及處理方法.401.6.8 RS-422 與 RS-485 的網絡拓樸 .411.6.9 RS-422 與 RS-485 的接地問題 .411.6.10 RS-422 與 RS-485 的瞬態保護 .421.7參考文獻.43i本頁已使用福昕閱讀器進行編輯。福昕軟件（），版權所有，廣州周立功單片機發展有限公司Tel：(020)38730977 38730977 Fax：38730925 第1章RS-485 選型及應用指南通常的微處理器都集成有 1 路或多路硬件 UART 通道，可以非常方便地實現串行通訊。在工業控制、電力通訊、智能儀表等領域中，也常常使用簡便易用的串行通訊方式作為數據交換的手段。但是，在工業控制等環境中，常會有電氣噪聲干擾傳輸線路，使用 RS-232 通訊時經常因外界的電氣干擾而導致信號傳輸錯誤；另外，RS-232 通訊的最大傳輸距離在不增加緩沖器的情況下只可以達到 15 米。為了解決上述問題，RS-485/422 通訊方式就應運而生了。本章將詳細介紹 RS-485/422 原理與區別、元件選擇、參考電路、通訊規約、程序設計等方面的應用要點，以及在產品實踐中總結出的一些經驗、竅門。1.1RS-232/422/485 標準RS-232、RS-422 與 RS-485 最初都是由電子工業協會（EIA）制訂并發布的。RS-232在 1962 年發布，命名為 EIA-232-E，作為工業標準，以保證不同廠家產品之間的兼容。RS-422是由 RS-232 發展而來，它是為彌補 RS-232 之不足而提出的。為改進 RS-232 通信距離短、速率低的缺點，RS-422 定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到 10Mbps，傳輸距離延長到 4000 英尺（速率低于 100kbps 時），并允許在一條平衡總線上連接最多 10 個接收器。RS-422 是一種單機發送、多機接收的單向、平衡傳輸規范，被命名為 TIA/EIA-422-A 標準。為擴展應用范圍，EIA 又于 1983 年在 RS-422 基礎上制定了 RS-485 標準，增加了多點、雙向通信能力，即允許多個發送器連接到同一條總線上，同時增加了發送器的驅動能力和沖突保護特性，擴展了總線共模范圍，后命名為 TIA/EIA-485-A 標準。由于 EIA 提出的建議標準都是以“RS”作為前綴，所以在通訊工業領域，仍然習慣將上述標準以 RS 作前綴稱謂。RS-232、RS-422 與 RS-485 標準只對接口的電氣特性做出規定，而不涉及接插件、電纜或協議，在此基礎上用戶可以建立自己的高層通信協議。但由于 PC 上的串行數據通訊是通過 UART 芯片(較老版本的 PC 采用 I8250 芯片或 Z8530 芯片)來處理的，其通訊協議也規定了串行數據單元的格式（8-N-1 格式）：1 位邏輯 0 的起始位，6/7/8 位數據位，1 位可選擇的奇(ODD)/偶(EVEN)校驗位，1/2 位邏輯 1 的停止位。基于 PC 的 RS-232、RS-422 與 RS-485標準均采用同樣的通訊協議。表格 0-1 列出了 RS-232、RS-422、RS-485 通訊方式的區別。表格 0-1 RS-232、RS-422、RS-485 的區別1標準RS-232RS-422RS-485工作方式單端差分差分節點數1 收、1 發1 發 10 收1 發 32 收最大傳輸電纜長度50 英尺4000 英尺4000 英尺最大傳輸速率20Kbps10Mbps10Mbps最大驅動輸出電壓+/-25V-0.25V+6V-7V+12V發送器輸出信號電平(負載最小值)負載+/-5V+/-15V2.0V1.5V發送器輸出信號電平(空載最大值)空載+/-25V6V6V僅供試用。本頁已使用福昕閱讀器進行編輯。福昕軟件（），版權所有，廣州周立功單片機發展有限公司Tel：(020)38730977 38730977 Fax：38730925 1.1.1RS-232 標準RS-232 被定義為一種在低速率、近距離串行通訊的單端標準。RS-232 采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊。RS-232 的電氣標準電平為邏輯“0”時：+3V+15V；電平為邏輯“1”時：-3V-15V；未定義區：3V3V。在此區域內的信號處理將由通訊接口的 RS-232 收發器決定。1.1.2 RS-422/485 標準RS-422/485 標準的全稱為 TIA/EIA-422-B 和 TIA/EIA-485 串行通訊標準。RS-422/485標準與 RS-232 標準不一樣，數據信號采用差分傳輸方式（Differential Driver Mode），也稱作平衡傳輸。由于 RS-422/485 標準在電氣特性上非常相近，在傳輸方式上有所區別；為便于理解，下面將主要介紹應用比較普遍的 RS-485 標準，并簡單介紹 RS-422 標準與 RS-485 標準的區別。1 RS-485 標準電子工業協會（EIA）于 1983 年制訂并發布 RS-485 標準，并經通訊工業協會（TIA）修訂后命名為 TIA/EIA-485-A，習慣地稱之為 RS-485 標準。RS-485 標準是為彌補 RS-232 通信距離短、速率低等缺點而產生的。RS-485 標準只規定了平衡發送器和接收器的電特性，而沒有規定接插件、傳輸電纜和應用層通信協議。RS-485 標準與 RS-232 不一樣，數據信號采用差分傳輸方式（Differential Driver Mode），也稱作平衡傳輸，它使用一對雙絞線，將其中一線定義為 A，另一線定義為 B，如圖 1-1所示。圖 1-1 RS-485 發送器的示意圖通常情況下，發送發送器 A、B 之間的正電平在+2+6V，是一個邏輯狀態；負電平在-2-6V，是另一個邏輯狀態。另有一個信號地 C。在 RS-485 器件中，一般還有一個“使能”控制信號。“使能”信號用于控制發送發送器與傳輸線的切斷與連接，當“使能”端起作用2發送器負載阻抗()3K7K10054擺率(最大值)30V/sN/AN/A接收器輸入電壓范圍15V-10V+10V-7V+12V接收器輸入門限3V200mV200mV接收器輸入電阻()3K7K4K(最小)12K發送器共模電壓-3V+3V-1V+3V接收器共模電壓-7V+7V-7V+12V僅供試用。本頁已使用福昕閱讀器進行編輯。福昕軟件（），版權所有，廣州周立功單片機發展有限公司Tel：(020)38730977 38730977 Fax：38730925 時，發送發送器處于高阻狀態，稱作“第三態”，它是有別于邏輯“1”與“0”的第三種狀態。對于接收發送器，也作出與發送發送器相對的規定，收、發端通過平衡雙絞線將 A-A與 B-B 對應相連。當在接收端 A-B 之間有大于+200mV 的電平時，輸出為正邏輯電平；小于-200mV 時，輸出為負邏輯電平。在接收發送器的接收平衡線上，電平范圍通常在 200mV至 6V 之間。參見圖 1-2 所示。圖 1-2 RS-485 接收器的示意圖定義邏輯 1（正邏輯電平）為 BA 的狀態，邏輯 0（負邏輯電平）為 AB 的狀態，A、B 之間的壓差不小于 200mV。TIA/EIA-485 串行通訊標準的性能如表格 1-2 所示：表格 1-2 TIA/EIA-485 通訊方式的性能RS-485 標準的最大傳輸距離約為 1219 米，最大傳輸速率為 10Mbps。通常，RS-485 網絡采用平衡雙絞線作為傳輸媒體。平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，只有在 20kbps 速率以下，才可能使用規定最長的電纜長度。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般來說，15 米長雙絞線最大傳輸速率僅為 1Mbps。注意：并不是所有的 RS-485 收發器都能夠支持高達 10Mbps 的通訊速率。如果采用光電隔離方式，則通訊速率一般還會受到光電隔離器件響應速度的限制。RS-485 網絡采用直線拓樸結構，需要安裝 2 個終端匹配電阻，其阻值要求等于傳輸電纜的特性阻抗（一般取值為 120）。在矩距離、或低波特率波數據傳輸時可不需終端匹配3規格TIA/EIA-485傳輸模式平衡電纜長度90Kbps4000 ft（1200m）電纜長度10Mbps50 ft（15m）數據傳輸速度10 Mbps最大差動輸出 6V最小差動輸出 1.5V接收器敏感度0.2 V發送器負載（歐姆）60最大發送器數量32 單位負載最大接收器數量32 單位負載僅供試用。廣州周立功單片機發展有限公司Tel：(020)3873097738730977Fax：38730925電阻，即一般在 300 米以下、19200bps 不需終端匹配電阻。終端匹配電阻安裝在 RS-485 傳輸網絡的兩個端點，并聯連接在 A-B 引腳之間。RS-485 標準通常被用作為一種相對經濟、具有相當高噪聲抑制、相對高的傳輸速率、傳輸距離遠、寬共模范圍的通信平臺。同時，RS-485 電路具有控制方便、成本低廉等優點。在過去的 20 年時間里，建議性標準 RS-485 作為一種多點差分數據傳輸的電氣規范，被應用在許多不同的領域，作為數據傳輸鏈路。目前，在我國應用的現場網絡中，RS-485半雙工異步通信總線也是被各個研發機構廣泛使用的數據通信總線。但是基于在 RS-485 總線上任一時刻只能存在一個主機的特點，它往往應用在集中控制樞紐與分散控制單元之間。2RS-422 標準RS-422 標準的全稱是“平衡電壓數字接口電路的電氣特性”，它定義了接口電路的電氣特性。圖 1-3 是典型的 RS-422 四線接口。實際上還有一根信號地線，共 5 根線通訊線。et圖 1-3 RS-422 標準的通訊接口由于 RS-422 接收器采用高輸入阻抗和發送器因此比 RS-232 更強的驅動能力，故允許在相同傳輸線上連接多個接收節點，最多可接 10 個節點。即一個主設備（Master），其余為從設備（Salve），從設備之間不能通信，所以 RS-422 支持點對多點的雙向通信。接收器輸入阻抗為 4k，故發端最大負載能力是 104k+100（終接電阻）。RS-422 四線接口由于采用單獨的發送和接收通道，因此不必控制數據方向，各裝置之間任何必須的信號交換均可以按軟件方式（XON/XOFF 握手）或硬件方式（一對單獨的雙絞線）實現。RS-422 的最大傳輸距離為 4000 英尺（約 1219 米），最大傳輸速率為 10Mbps。其平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在 20kbps 速率以下，才可能達到最大傳輸距離。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般 100 米長的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率僅為 1Mbps。RS-422 需要安裝一個終接電阻，要求其阻值約等于傳輸電纜的特性阻抗（一般取值為120 歐）。在短距離、或低波特率數據傳輸時可不安裝終接電阻，即一般在 300 米以下不安裝終接電阻。終接電阻安裝在傳輸電纜的最遠端。TIA/EIA-422 串行通訊標準的性能如表格 1-3 所示：表格 1-3TIA/EIA-422 通訊方式的性能4規格TIA/EIA-422傳輸模式平衡電纜長度90Kbps4000 ft（1200m）電纜長度10Mbps50 ft（15m）數據傳輸速度10 Mbps最大差動輸出10 V廣州周立功單片機發展有限公司Tel：(020)3873097738730977Fax：387309251.2RS-485/RS-422 芯片作為一種常用的通訊接口器件，RS-485/RS-422 芯片可以在許多半導體公司的“標準接口器件”欄目中“收發器”類元件中找到對應的型號；比如 Sipex 公司(器件前綴為 SP)、Maxim 公司(器件前綴為 MAX)、TI 公司(器件前綴為 SN)、Intersil 公司(器件前綴為 ISL 或LTC)等各大半導體公司。作為一個生產接口器件的國際廠商，Sipex 公司的許多型號 RS-485/RS-422 芯片都可以與全球其他半導體廠商的 RS-485/RS-422 芯片直接代換使用，引腳完全兼容，且具有非常良好的性價比。下面，將主要講解 Sipex 公司 RS-485/RS-422 收發器芯片的性能參數、應用特點；并介紹在各實際應用場合中，如何選擇適合的 RS-485/RS-422 芯片。表格 1-4 列出了比較常用的 Sipex 公司 RS-422/485 芯片。表格 1-4 Sipex 公司的常用 RS-422/485 芯片列表5型號方式.電源(V)額定電流(mA)速率(kbps)待機電流(A)總線節點FeaturesESD封裝SP481E半雙工50.910，000132低功耗關斷模式發送器短路保護15kV8 Pin PDIP8 Pin NSOICSP483E半雙工50.92501.032低功耗關斷模式速率限制功能15kV8 Pin PDIP8 Pin NSOISP485E半雙工50.910，000N/A32發送器短路保護15kV8 Pin PDIP8 Pin SOICSP481R半雙工50.51，0000.5400低功耗關斷模式發送器短路保護2kV8 Pin PDIP8 Pin NSOICSP485R半雙工50.51，0000.5400發送器短路保護2kV8 Pin PDIP8 Pin NSOICSP490E全雙工50.910，000N/A32發送器短路保護15kV8 Pin PDIP8 Pin SOICSP491E全雙工50.910，000N/A32發送器短路保護15kV14 Pin PDIP14 Pin NSOICSP490全雙工50.95，000N/A32發送器短路保護2kV8 Pin PDIP8 Pin NSOICSP491全雙工50.95，000N/A32發送器短路保護2kV14 Pin PDIP14 Pin NSOICSP3481半雙工3.3110,000132低功耗關斷模式高速2kV8 Pin PDIP8 Pin NSOIC最小差動輸出2 V接收器敏感度0.2 V發送器負載（歐姆）100最大發送器數量1 單位負載最大接收器數量10 單位負載廣州周立功單片機發展有限公司Tel：(020)3873097738730977Fax：38730925圖 1-4 總結了 Sipex 公司常用 RS-485/RS-422 芯片的命名規則；根據型號命名，用戶可以比較容易地判斷該型號芯片的特點與適用領域。圖 1-4Sipex 公司 RS-485/RS-422 芯片的命名規則6SP3483半雙工3.3.35250132低功耗關斷模式速率限制功能2kV8 Pin PDIP8 Pin NSOICSP3485半雙工3.3110,00010N/A發送器短路保護高速2kV8 Pin PDIP8 Pin NSOICSP3490全雙工3.3110,000N/A32高速2kV8 Pin PDIP8 Pin NSOICSP3491全雙工3.3110,0001032高速2kV14 Pin PDIP14 Pin NSOIC本頁已使用福昕閱讀器進行編輯。福昕軟件（），版權所有，廣州周立功單片機發展有限公司Tel：(020)38730977 38730977 Fax：38730925 1.1.112增強型低功耗半雙工 RS-485 收發器SP481E/SP485E特點單一的+5V 電源低功耗 BiCMOS 工藝制造發送器/接收器可使能多分支結構（Mutli-Drop）配置低功耗關斷模式（SP481E）增強型 ESD 規范：15kV 人體放電模式（Human Body Model）15kV IEC1000-4-2 氣隙放電（Air Discharge）8kV IEC1000-4-2 接觸放電（Contact Discharge）芯片簡介SP485E/SP481E 芯片是由業內專業的通訊接口器件廠商 Sipex 公司設計生產的 ESD 保護增強型 RS-485 收發器，能夠直接替換通用的 RS-485 收發器。SP481E 和 SP485E 是一系列半雙工收發器，它們完全滿足 RS-485 和 RS-422 串行協議的要求，具有增強型 ESD 性能。增強的 ESD 使得 SP481E 和 SP485E 可承受15kV 人體放電模式（Human Body Model）和 IEC1000-4-2 接觸放電模式（Contact Discharge）。這兩個器件與 Sipex 的 SP481 和 SP485 的管腳互相兼容，同時兼容工業標準規范。和之前的版本一樣，SP481E 和 SP485E 承襲了 Sipex 的 BiCMOS 設計工藝，可實現低功耗操作，但不影響其它特性。它們完全符合 RS-45 和 RS-422 協議的要求，數據傳輸速率可高達 10Mbps（帶負載）。SP481E 還包含低功耗關斷模式。3 引腳說明w圖 1-5SP481E 和 SP485E 管腳配置（俯視圖）管腳功能7管腳#名稱描述12345678ROREDEDIGNDABVcc接收器輸出。接收器輸出使能（低電平有效）。發送器輸出使能（高電平有效）。發送器輸入。地連接。發送器輸出/接收器輸入反相。發送器輸出/接收器輸入反相。正電源電壓（4.75VVcc5.25V）僅供試用。廣州周立功單片機發展有限公司Tel：(020)3873097738730977Fax：387309254表格 1-5格 1-6真值表發送功能真值表接收功能真值表5 功能分析描述(SP481E，SP485E)SP481E 和 SP485E 是半雙工差分收發器，完全滿足 RS-485 和 RS-422 的要求。它們由Sipex 特有的 BiCMOS 工藝制造而成。RS-485 標準理想地用于多分支（multi-drop）應用和遠程接口中。它允許在一條數據線上連接 32 個發送器和接收器，非常適合于多分支應用。由于允許使用 4000 英尺長的電纜，RS-485 收發器可以使用一個寬（7V+12V）共模方式范圍來調整零電位偏差。因為 RS-485是一個差分接口，所以傳輸數據時完全可以抑制來自發送線的干擾。發送器SP481E 和 SP485E 的輸出是差分輸出，滿足 RS-485 和 RS-422 標準。空載時輸出電壓的范圍為 0V+5V。即使在差分輸出連接了 54負載的條件下，發送器仍可保證輸出電壓大于 1.5V。SP481E 和 SP485E 有一根使能控制線（高電平有效）。DE（Pin3）上的邏輯高電平將使能發送器的差分輸出。如果 DE（Pin3）為低，則發送器輸出呈現三態。SP481E 和 SP485E 發送器的數據傳輸速率至少為 10Mbps。接收器SP481E 和 SP485E 接收器的輸入是差分輸入，輸入靈敏度可低至200mV。接收器的輸入電阻通常為 15k（最小為 12k）。7V+12V 的寬共模方式范圍允許系統之間大的零電位偏差的存在。SP481E 和 SP485E 的接收器有一個三態使能腳。如果 RE （Pin2）為低，接收器使能，反之接收器禁止。SP481E 和 SP485E 接收器的數據傳輸速率至少為 10Mbps。兩者的接收器都有故障自動保護（fail-safe）特性，該特性可以使得輸出在輸入懸空時為高電平狀態。SP481E 的關斷模式SP481E 可以工作在關斷模式。關斷狀態通過同時禁能發送器和接收器來使能。當 DE（Pin3）為低且 RE（Pin2）為高時 SP481E 進入關斷模式。關斷模式下，電源電流降至 1uA。8輸入輸出REDEDI線狀態BAX11無錯誤01X10無錯誤10X0XXZZX1X出錯ZZ輸入輸出REDEA-BR00+0.2V1000.2V000輸入開路110XZ廣州周立功單片機發展有限公司Tel：(020)3873097738730977Fax：38730925ESD 保護SP481E 系列器件為所有發送器輸出和接收器輸入管腳提供了 ESD 保護。由于在原有的器件上增加了 ESD 結構，新的 SP481E 系列器件可用在多干擾的應用和對靜電放電和瞬態變化敏感的環境中。增強型 ESD 保護使器件的輸入和輸出管腳至少可承受15kV 的靜電放電而不受到損壞，也不閉鎖。有以下方法可用于 ESD 測試：MIL-STD-883，Method 3015.7IEC1000-4-2 氣隙放電IEC1000-4-2 直接接觸放電人體放電模式已成為半導體最常用的 ESD 測試方法。該方法在 MIL-STD-883 中被規定為 Method 3015.7。這種 ESD 測試方法的前提是要模擬人體對靜電能量進行存儲并將其釋放到某個集成電路。這個過程可通過圖 1-6 所示的電路進行模擬。該方法用于在正常工作時（例如，IC 被用于頻率處理的制造應用中）對 IC 承受 ESD 瞬變的能力進行測試。et圖 1-6 人體放電模式 ESD 測試電路IEC-1000-4-2，以前稱為 IEC801-2，通常用于設備和系統的 ESD 測試。對于系統廠商來說，由于系統本身要面對外部環境和人為狀況，他們必須保證系統具有足夠的 ESD 保護能力。使用 IEC1000-4-2 方法的前提是：當 ESD 用于設備（正常情況下允許被操作）的點和面測試時要求系統必須能夠承受足夠大的靜電。如果 ESD 源直接跨接到連接器管腳上時，收發器 IC 將接收大部分的 ESD 電流。IEC1000-4-2 的測試電路見圖 1-7。IEC1000-4-2 包含2 種方法：氣隙放電法和接觸放電法。圖 1-7IEC1000-4-2 ESD 測試電路運用氣隙放電法時，ESD 電壓直接加載到待測設備（EUT）。這樣來模擬一個被充電的人準備將電纜連接到系統的后部，使用這種方法是為了在人接觸后面板前出現沖擊電流。在人接觸到系統之前，人身上的高能量電壓就通過一個弧形的通路釋放到系統的后面板。不論是直接釋放或通過空氣釋放，這部分能量主要是放電電流而非電壓。能量跟隨氣隙放電而變9廣州周立功單片機發展有限公司Tel：(020)3873097738730977Fax：38730925化，例如，實現 ESD 電壓加載到系統的行進速度和空氣的濕度都會改變放電電流。放電電流的上升時間也隨著行進速度的變化而變化。接觸放電法通過將 ESD 電流直接釋放到 EUT 來實現。該方法可以降低 ESD 弧形通路帶來的不可預知性。由于能量不通過氣隙的弧形通路而直接傳輸，因此放電電流的上升時間是個常量。在諸如手持式系統的應用中，ESD 電荷直接從設備的持有者釋放到設備。電流直接傳遞給設備的鍵盤或串口，然后經過 PCB 板最終到達 IC。圖 1-6 和圖 1-7 是三種方法的典型 ESD 測試電路。開關 1（SW1）閉合時 DC 電源首先對 Cs 充電。電容充電完成后，開關 2（SW2）閉合開關 1（SW1）斷開。電容存儲的電壓經過限流電阻 Rs 到達待測器件（DUT）。在 ESD 測試中，SW2 由脈沖信號控制以便待測器件能得到周期性的電壓。在人體放電模式中，限流電阻（Rs）和電源電容（Cs）分別是 1.5k和 100pF。對于IEC-1000-4-2 測試法，限流電