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目 录
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
...................................................................................................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
............................................................................................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
............................................................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。
表格 0-1 RS-232、RS-422、RS-485的区别
标准 RS-232 RS-422 RS-485
工作方式 单端 差分 差分
节点数 1 收、1 发 1 发 10 收 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) 负载 +/-5V~+/-15V ±2.0V ±1.5V
发送器输出信号电平
(空载最大值) 空载 +/-25V ±6V ±6V
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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。
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
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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 TIA/EIA-485
传输模式 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 ± 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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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:
表格 1-3 TIA/EIA-422通讯方式的性能
规格 TIA/EIA-422
传输模式 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
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最小差动输出 ±2 V
接收器敏感度 ±0.2 V
发送器负载(欧姆) 100Ω
最大发送器数量 1 单位负载
最大接收器数量 10 单位负载
1.2 RS-485/RS-422芯片
作为一种常用的通讯接口器件,RS-485/RS-422 芯片可以在许多半导体公司的“标准接
口器件”栏目中“收发器”类元件中找到对应的型号;比如 Sipex 公司(器件前缀为 SP)、
Maxim 公司(器件前缀为 MAX)、TI 公司(器件前缀为 SN)、Intersil 公司(器件前缀为 ISL 或
LTC)等各大半导体公司。
作为一个生产接口器件的国际厂商,Sipex 公司的许多型号 RS-485/RS-422 芯片都可以
与全球其他半导体厂商的 RS-485/RS-422 芯片直接代换使用,引脚完全兼容,且具有非常良
好的性价比。下面,将主要讲解 Sipex 公司 RS-485/RS-422 收发器芯片的性能参数、应用特
点;并介绍在各实际应用场合中,如何选择适合的 RS-485/RS-422 芯片。
表格 1-4 列出了比较常用的 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
型号 方式.
电源
(V)
额定电流
(mA)
速率
(kbps)
待机电流
(µA)
总线
节点
Features ESD 封装
SP481E 半双工 5 0.9 10,000 1 32
低功耗关断模式
发送器短路保护
±15kV
8 Pin PDIP
8 Pin NSOIC
SP483E 半双工 5 0.9 250 1.0 32
低功耗关断模式
速率限制功能
±15kV
8 Pin PDIP
8 Pin NSOI
SP485E 半双工 5 0.9 10,000 N/A 32 发送器短路保护 ±15kV
8 Pin PDIP
8 Pin SOIC
SP481R 半双工 5 0.5 1,000 0.5 400
低功耗关断模式
发送器短路保护
±2kV
8 Pin PDIP
8 Pin NSOIC
SP485R 半双工 5 0.5 1,000 0.5 400 发送器短路保护 ±2kV
8 Pin PDIP
8 Pin NSOIC
SP490E 全双工 5 0.9 10,000 N/A 32 发送器短路保护 ±15kV
8 Pin PDIP
8 Pin SOIC
SP491E 全双工 5 0.9 10,000 N/A 32 发送器短路保护 ±15kV
14 Pin PDIP
14 Pin NSOIC
SP490 全双工 5 0.9 5,000 N/A 32 发送器短路保护 ±2kV
8 Pin PDIP
8 Pin NSOIC
SP491 全双工 5 0.9 5,000 N/A 32 发送器短路保护 ±2kV
14 Pin PDIP
14 Pin NSOIC
SP3481 半双工 3.3 1 10,000 1 32
低功耗关断模式
高速
±2kV
8 Pin PDIP
8 Pin NSOIC
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SP3483 半双工 3.3 .35 250 1 32
低功耗关断模式
速率限制功能
±2kV
8 Pin PDIP
8 Pin NSOIC
SP3485 半双工 3.3 1 10,000 10 N/A
发送器短路保护
高速
±2kV
8 Pin PDIP
8 Pin NSOIC
SP3490 全双工 3.3 1 10,000 N/A 32 高速 ±2kV
8 Pin PDIP
8 Pin NSOIC
SP3491 全双工 3.3 1 10,000 10 32 高速 ±2kV
14 Pin PDIP
14 Pin NSOIC
图 1-4 总结了 Sipex 公司常用 RS-485/RS-422 芯片的命名规则;根据型号命名,用户可
以比较容易地判断该型号芯片的特点与适用领域。
图 1-4 Sipex公司 RS-485/RS-422芯片的命名规则
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1.1.1 增强型低功耗半双工 RS-485收发器-SP481E/SP485E
1. 特点
z 单一的+5V 电源
z 低功耗 BiCMOS 工艺制造
z 发送器/接收器可使能多分支结构(Mutli-Drop)配置
z 低功耗关断模式(SP481E)
z 增强型 ESD 规范:
±15kV 人体放电模式(Human Body Model)
±15kV IEC1000-4-2 气隙放电(Air Discharge)
±8kV IEC1000-4-2 接触放电(Contact Discharge)
2. 芯片简介
SP485E/SP481E 芯片是由业内专业的通讯接口器件厂商 Sipex 公司设计生产的 ESD 保
护增强型 RS-485 收发器,能够直接替换通用的 RS-485 收发器。
SP481E 和 SP485E 是一系列半双工收发器,它们完全满足 RS-485 和 RS-422 串行协议
的要求,具有增强型 ESD 性能。增强的 ESD 使得 SP481E 和 SP485E 可承受±15kV 人体放
电模式(Human Body Model)和 IEC1000-4-2 接触放电模式(Contact Discharge)。这两个
器件与 Sipex 的 SP481 和 SP485 的管脚互相兼容,同时兼容工业标准规范。和之前的版本一
样,SP481E 和 SP485E 承袭了 Sipex 的 BiCMOS 设计工艺,可实现低功耗操作,但不影响
其它特性。它们完全符合 RS-45 和 RS-422 协议的要求,数据传输速率可高达 10Mbps(带
负载)。SP481E 还包含低功耗关断模式。
3. 引脚说明
图 1-5 SP481E和 SP485E管脚配置(俯视图)
管脚功能
管脚# 名称 描述
1 RO 接收器输出。
2 RE 接收器输出使能(低电平有效)。
3 DE 发送器输出使能(高电平有效)。
4 DI 发送器输入。
5 GND 地连接。
6 A 发送器输出/接收器输入反相。
7 B 发送器输出/接收器输入反相。
8 Vcc 正电源电压(4.75V
100kΩ)。DE 为高电平时发送器正常工作。发送器数据传输速率至少为 5Mbps。
z 接收器
SP485R 接收器的输入是差分输入,输入灵敏度小于±200mV。如前所述,RS-485 规范
允许 32 个收发器连接到同一条总线上。由于输入阻抗高达至少 120kΩ,SP485R 允许超过
400 个收发器连接到同一条总线上。电容越大,同一条总线上就允许连接更多的元件,而信
号的质量不会受到任何影响。发送器仍可驱动 54Ω 的等效电阻,该等效电阻是 320 个接收
器的输入阻抗 120kΩ(至少)和每端的 2 个 125Ω的电缆终端电阻并联所得。
接收器有一个使能管脚( RE ),低电平时可以令接收器使能。高电平会使接收器输出呈
现三态,输入保证至少 120k 的阻抗。接收器数据传输速率至少为 1Mbps。
接收器还有一个故障自动检测特性,当输入开路(与断开的电缆相连)时输出高电平。
z 关断模式
SP481R 的关断功能可以减少功耗。当 DE 为低电平,RE 为高电平时,关断模式被激活。
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关断模式下,电源电流小于 1µA。发送器输出禁能,并且由接收器输入阻抗(至少为 120kΩ)
决定为高阻态。接收器输出在关断模式下也是高阻抗。在接收器禁能情况下,输出漏电流低
于 1µA。
6. 接收器输入图表
图 1-10 SP485R与 SP485收发器性能比较
由图 1-10 可以看出,SP485R 芯片比 SP485 收发器具有更低的功耗;同时,在同一个
RS-485 网络中,可以连接的 SP485R 芯片可以多达 400 个。
更详尽的数据资料可以从 Sipex 公司的器件手册、应用指南中获得,也可以从周立功网
站 (www.zlgmcu.com) 下载对应的开发指导。
1.1.3 +3.3V低功耗半双工 RS-485收发器-SP3481/SP3485
1. 特点
z RS-485 和 RS-422 收发器
z 工作电源为+3.3V
z 可与+0.5V 的逻辑电路共同工作
z 发送器/接收器使能
z 低功耗关断模式(SP3481)
z -7V~+12V 的共模输入电压范围
z 允许在同一串行总线上连接 32 个收发器
z 与工业标准 75176 管脚配置兼容
z 发送器输出短路保护
2. 芯片简介
SP3481、SP3485 是一系列+3.3V 低功耗半双工收发器,它们完全满足 RS-485 和 RS-422
串行协议的要求;并且,SP3481、SP3485 采用单一+3.3V 的工作电源。
SP3481、SP3485 与 Sipex 的 SP481、SP483 和 SP485 的管脚互相兼容,同时兼容工业
标准规范。SP3481 和 SP3485 符合 RS-485/RS-422 串行协议的电气规范,数据传输速率可高
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达 10Mbps(带负载)。SP3481 还包含低功耗关断模式。
3. 引脚说明
图 1-11 SP3481和 SP3485管脚配置(俯视图)
管脚功能
管脚# 名称 描述
1 RO 接收器输出。
2 RE 接收器输出使能(低电平有效)。
3 DE 发送器输出使能(高电平有效)。
4 DI 发送器输入。
5 GND 地连接。
6 A 发送器输出/接收器输入反相。
7 B 发送器输出/接收器输入反相。
8 Vcc 正电源电压(+3.00 < Vcc <+3.60)
4. 真值表
表格 1-9 发送功能真值表
输入 输出
RE DE DI 线状态 B A
X 1 1 无错误 0 1
X 1 0 无错误 1 0
X 0 X X Z Z
表格 1-10 接收功能真值表
输入 输出
RE DE A-B R
0 0 +0.2V 1
0 0 -0.2V 0
0 0 输入开路 1
1 0 X Z
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5. 功能分析
z 描述(SP3481,SP3485)
SP3481 和 SP3485 是+3.3V 低功耗半双工收发器家族的成员,它们完全满足 RS-485 和
RS-422 串行协议的要求。这两个器件与 Sipex 的 SP481、SP483 和 SP485 的管脚互相兼容,
同时兼容工业标准规范。SP3481 和 SP3485 由 Sipex 特有的 BiCMOS 工艺制造而成,但性能
不受影响。
z 发送器
SP