RS-485总线之收发器与数据链路基础知识介绍

**1 **RS-485收发器

RS-485是差分传输，如果用单片机控制RS-485接口的设备，需要用到收发器，这一点和CAN总线是类似的，如下是一个MCU控制一个RS-485的图示。

图1

收发器内部是一个接收器（上半部分）加一个发送器（下半部分），下面简单说说收发器的原理，便于理解MCU是如何和485设备通信的。

图2 RS-485收发器内部结构

其中：

A和B为总线；

R为接收器输入；

RE为接收器使能信号；

DE为发送器使能信号；

D为发送器输出；

对于使能信号，字母上面加一横的为低电平有效（如上图RE），不加的为高电平有效（如DE）。

对于发送器，有如下的真值表：

当驱动器使能引脚DE为逻辑高时，差分输出A和B遵循数据输入D处的逻辑状态。D处的逻辑高导致A转为高，B转为低。在这种情况下，定义为VOD=VA-VB的差分输出电压为正。当D为低时，输出状态反转，B变高，A变低，VOD为负。

当DE低时，两个输出都变成高阻抗。在这种情况下，与D处的逻辑状态是不相关的。

图3 发送器真值表

对于接收器，有如下的真值表：

当接收器使能引脚RE逻辑低时，接收器被激活。当定义为VID=VA–VB的差分输入电压为正且高于正输入阈值VIT+时，接收机输出R变高。当VID为负且低于负输入阈值VIT-，接收机输出R变低。如果VID在VIT+和VIT-之间，则输出不确定。

当RE为逻辑高或悬空时，接收机输出为高阻抗，VID的大小和极性无关。

图4 接收器真值表

**2 **RS-485数据链路

上面讲到的RS-485收发器的工作原理，下面简单描述RS-485的数据链路。

图5

主机发送给从机或者从机发送给主机，都会占用到A和B线，所以RS-485多用在半双工模式。

主机的GPIO会控制RS-485收发器的DE管脚，设置发送模式，从UART TXD线向RS-485收发器的数据（D或DI）线发送一个字节，收发器将在A和B线上将单端UART位流转换为差分位流，数据离开收发器后，主机立即将收发器的模式切换为接收模式。

从机和主机是类似的，从机控制RS-485收发器的/RE管脚，设置为接收模式，接收主机发送的比特流，将其转换为单端信号，通过从机的UART RXD线接收，当从机准备好响应时，它按主机原来的方式进行发送，而主机变为接收。

**3 **RS-232和RS-485转换

RS-232和RS-485之间可以转换，一个方法是RS-232转换成TTL，再由TTL转换为RS-485，当然也有芯片支持将RS-232直接转换成RS-485，网上有很多模块。

4 RS485和RS422

RS232接口是一种用于近距离(最大30-60米)、慢速度、点对点通讯的通讯协议，在RS232中一个信号只用到一条信号线，采取与地电压参考的方式，因而在长距离传输后，发送端和接收端地电压有出入，容易造成通讯出错或速度降低。

RS485/422接口采用不同的方式:每个信号都采用双绞线(两根信号线)传送，两条线间的电压差用于表示数字信号。例如把双绞线中的一根标为 A(正)，另一根标为B(负)，当A为正电压(通常为+5V)，B为负电压时(通常为0)，表示信号“1”;反之，A为负电压，B为正电压时表示信号 “0”。RS485/422允许通讯距离可达到1200米，采用合适的电路可达到2.5MB/s的传输速率。

RS422与RS485采用相同的通讯协议，但有所不同:它采用两根双绞线，数据可以同时双向传递(全双工)。 而RS485则采用一根双绞线，输入输出信号不能同时进行(半双工)，RS485可用于多点通讯，一条信号线上可连接多个设备，它通常采用主/从结构。

在RS485(半双工)通信中， 发送信号时，由TXD输出的TTL电平信号经RS485转换器转换后，从发送器(A和B)输出RS485信号;接收信号时，RS485信号经接收器(A和B)接收后，然后RS485转换器将信号转换为TTL电平信号，传给RXD 。（注意： 2个需要通讯设备之间是各有一个RS485转换器 ， 并不是它们的信号只经过了一个RS485转换器就成功通讯了 ）

图7

在RS422(全双工)通信中，因信号的输入和输出分开，所以需要两根双绞线来传送输入和输出信号，标为A、B、Y、Z(A为输入信号的正极，B为输入信 号的负极，Y为输出信号的正极，Z为输出信号的负极)。发送信号时，由TXD输出的TTL电平信号经RS422转换器后，从发送器(Y和Z)输出RS485/RS422 信号;接收信号时，RS485/RS422信号经接收器(A和B)接收后，RS422转换器将信号转换为TTL电平信号，传给串口的RXD。

图8:DM系列RS485/RS422接口转换器原理图(半双工)

图9:DM系列RS485/RS422接口转换器原理图(全双工)

以上图片只是贴出了一半的接线图，这里给出一张多机通讯的RS485接线原理图（半双工）

图10

典型接法

DM485的输出端最多可以连接256个RS485接口，其典型接法如图3(半双工)和图4(全双工)所示。在最远的两个终端上，输入和输出端之间各需接 上一个120欧姆的电阻。在RS485/RS422的接口连接时，甲接口的输出端接乙接口的输入端，双绞线的正极接正极，负极接负极;甲接口的输入端接乙 接口的输出端，双绞线的正极接正极，负极接负极。

图11

图12

注意事项

1、在长距离传输中，一定要使用用双绞线

2、多终端传输时，距离最远的两个终端上，输入和输出端之间一定连接120欧姆的电阻。

补充：我不知道为什么那么多的资料都没有说明RS485通信发送和接收数据时的细节，都只说2根线就能发送和接收数据？注意：485芯片有个控制端，控制端高电平时候为接收数据，低电平时候为发送数据。而我们在实际项目开发的时候，在使用RS485通信时，如果自己的电路并没有设计成RS485硬件自收发切换的电路，则需要自己控制485的收发使能引脚。即发送数据时，需要拉低485芯片控制端的IO口；相反接收数据时，需要拉高控制端的IO口。

需要自己控制收发的485芯片原理图:

图13

控制策略：UART_CON为低电平，485处于接收状态；UART_CON为高电平，485处于发送状态。通过切换UART_CON的电平来达到485收发状态的切换。

485芯片硬件自动收发切换电路:

图14

接收：默认没有数据时，在接收数据的过程中，TXD引脚是一直保持高电平的，三极管导通，RE低电平使能，485芯片处于接收状态，然后485芯片的RO引脚（也就是接RXD的引脚）就会反应AB传输过来的数据。

发送：发送数据时，TX会先有一个下拉的电平（起始位-由高向低），表示开始发送数据，此时三极管截止，DE为高电平发送使能。当发送数据“0”时，由于DI接口相当于接地，此时数据“0”就会传输到AB扣，A-B<0，则传输“0”，完成低电平传输，当发送“1”时，此时三极管导通，RE变为低电平，按理说会让接收使能，但是由于还处于发送数据中，这种状态下MAX485处于高阻态，此时的状态通过A上拉电阻(R5)，B下拉电阻(R4)决定，此时A-B>0传输“1”，完成高电平的传输。

注意：这里面有个疑惑，发送数据“1”，三极管RE低电平有效，应该是接收使能，为什么芯片是高阻态呢？这是因为UART发送数据是有一定格式的，TX和RX数据均以“位”为最小单位进行传输，在发送数据之前，UART之间要约定好数据传输速率，即波特率，数据传输格式（数据位，校验，停止），平时数据线处于空闲状态（1状态），当发送数据时，TX由“1”变为“0”维持1位的时间，这样接收方检测到开始位后，再等待1.5位时间就开始一位一位的进行数据传输了，也就是说，已经确定好发送状态，电路发送“1”时RE虽然有效，但是由于它处于发送阶段，芯片也不会收，即芯片处于高阻状态。

**5 **RS-485和CAN的区别

虽说RS-485没有标准的数据协议格式，但和CAN总线在很多地方是有相似的，比如A&B和CANH&CANL都是差分信号，通信都需要收发器，都需要120欧姆的匹配电阻等等。

**6 **RS-485常用电路

网上找的一个常用的RS-485电路，其中需要注意两点：

图15

1）使能信号RE和DE可采用一个GPIO控制，节省资源，GPIO25输出高电平，RE=DE=0V，进入接收模式；GPIO25输出低电平，RE=DE=3.3V，进入发送模式。

2）有一些电路中会在A上加上拉，B上加下拉电阻，主要原因是：RS-485总线在idle状态，电平是不固定的，即电平在-200mV~+200mV之间，收发器可能输出高也可能输出低，UART在空闲时需要保持高电平的，如果此时收发器输出一个低电平，对UART来说是一个start bit，会导致通信异常。