五分钟搞懂 RS485

Bobby Brown

更新 2023-07-31

本文摘要

RS485是一种硬体架构，它仅规范了发射器和接收器的电气特性，并不推荐任何特定的传输协定。
RS485通过生成高低电压来传输二进制信号，代表二进制的0和1（开和关），使其在电子噪声环境中能够进行高效的长距离通信。
使用RS485的设备可以使用如Modbus和ASCII等通讯协定与中央控制系统进行通信。

本文目录

一、什么是 RS485?
二、RS485 vs RS232
二、RS485 配线方式
四、RS485 两线半双工
五、RS485 适合的拓扑结构
六、RS485 搭配的通讯协定
七、RS485 的应用范例

一、什么是 RS485?

RS485是一种标准通讯接口（Serial Communication Interfaces），RS（Recommended Standard）为推荐标准，485是标识号。RS485又称为TIA-485(-A)或EIA-485。
RS485 规定了2线、半双工、多点通信的电气特性，使用双绞线来传输信号，主要优点之一是RS485允许将多个设备放在同一条总线上，并且距离越短，数据传输速率越高，适合在有电子杂讯的环境中进行长距离、高效的通讯。
“RS485不是通讯协定(Communication Protocol)”
RS485标准仅规定了硬体层面的电压、信号传输方式等“电气特性”，用来确保设备之间可以透过物理连接进行信号传输，但没有规定如何编码或解码数据、传输格式等“通讯协定”。

[1]

因此，RS485的设备需要配合其他通讯协议（如Modbus、ASCII等）来进行实际的数据传输和解读。RS485 可借由电路所产生的高低电压作为二进制的0跟1 (开跟关) 的差分信号传输，并可在有电子杂讯的环境下进行长距离有效率的通讯。

| 二进制的0跟1的信号传输示意图

一般来说，使用RS485的装置，可利用Modbus、ASCII 等通讯协定来与中央控制系统沟通，例如，LORRIC 的蹼轮式流量计，以Modbus为基础来定义各种讯号传输，以RS485来传输讯号，与客户的中央控制系统串连，借由中控系统的相关程式与设定，而能读取相关流量计量资料。

二、RS485 vs RS232

RS485在许多方面改进了 RS232 的限制（如传输距离、多点通信和抗干扰能力），但两者并非完全替代关系，RS232 更适合简单的短距离、点对点连接，如电脑与外部设备之间的通信；而 RS-485 则更多用于工业和楼宇自动化等需要长距离、多设备稳定通信的环境。

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通讯接口	RS232	RS485
传输方式	点对点通信，一次只能连接两台设备。	多点通信，根据晶片级别，同一条总线可以连接 32、128 或 256 个发送器和接收器。
传输距离	15公尺内	最大传输距离可达 1200公尺
抗干扰能力	单端信号，电压范围大，对外部电磁干扰的抵抗力较弱。	差分信号传输，电压范围小，通过两条电线的电压差进行通信，抗干扰能力佳。
通信速率	最大传输速率为 20 kB/s	距离越短时速率越高，最大传输速率可达 10 Mbps
成本	低	高
设计	简单	复杂

二、RS485 配线方式

1. RS485 一条配线串接多部设备

RS485是一种可以一条双绞线配线，串接起很多装置，以进行数据交换的方式，其接线方式包括两线半双工和四线全双工两种。四线全双工目前较不常见，两线半双工为目前主流配线。

| RS485的布线方案

图片展示了RS485的布线方案，包括设备如何串联互连、双绞线的结构以及如何进行信号传输：

设备（Device 1, Device 2, Device N）依次串联，形成一个菊花链拓扑结构（Daisy Chain Topology，也称为手牵手式总线结构）每个设备的A+和B-端口通过双绞线连接到下一个设备的对应端口，布线方式使用了A+和B-两条线路，这是一种双线半双工配置，是RS485中最常用的布线方法。
图片左侧显示了双绞线的结构，包括铜线、屏蔽层和绝缘层，这种电缆结构有助于在电子噪声环境中进行稳定的数据传输。需注意，每个设备之间的连接线尽可能短，以减少信号衰减和干扰，提高通信的可靠性。
整个串联网络最终连接到PLC（可编程逻辑控制器），这使得数据可以在多个设备和中央控制系统之间进行交换。通过RS485标准，使用A+和B-线进行信号传输，高低电压分别代表二进制的1和0（开和关），实现可靠的数据通信。

2. RS485 配线建议

一般建议使用带屏敝 24awg 双绞线（485+与485-一定要互为双绞），以串接方式连线每台设备。不要使用环状或放射状线路，为避免强电对485通讯造成干扰，也应避免强电线路与485线路走在一起。
在讯号干扰多的地方，软体可能需要多次询问才能得到回应，请在通讯程式内建立多次询问机制，以区别讯号干扰与设备异常离线两种情形。
使用在 RS485 通讯，尽量使用短线，降低杂讯干扰。并将隔离网与主要通讯线屏敝相连后接地。

[4]

3. 以下情况，RS485 必须加上终端电阻

| RS485必须加上终端电阻

➤ 长距离通信：当通信距离超过一定阈值（300m以上）时，由于信号在电缆中的传输时间增加，反射信号可能会在数据位的中间到达接收器，导致错误的数据读取。
➤高速通信：在高速数据传输时，信号的上升和下降时间变短，这可能导致反射信号在数据位的中间到达，影响通信品质。
➤多设备网络：在多设备连接的网络中，终端电阻有助于维持信号稳定和可靠性。请在 master 及线路最远端使用终端电阻，终端电阻业界常使用 120Ω，实际数值请参照线材规格计算。

| 在 master 及线路最远端使用终端电阻

四、RS485 两线半双工

两线半双工系统能够在两个设备之间进行双向数据传输，但不能同时进行。例如，考虑设备A和B。在特定的时间范围内，允许从A到B的数据传输，一旦完成，则可以进行从B到A的数据传输。下面是RS-485常用的电路图：

| RS-485电路示意图

上方电路图展示了两线布线设置的基本连接。在这种方法中，网络中的所有节点共享同一对通信线路。一条线称为A线（或Data+），负责传输差分信号，而另一条线称为B线（或Data-），负责传输互补的差分信号。
RS485通信系统为差分信号传输模式，也就是在两条线之间的电压差用来表示数据，而不是像传统的单端信号传输那样，每条线独立传输数据。因此，当一条线（例如A线）上升到高电压时，另一条线（B线）下降到低电压，形成一个差分信号对，而这个差分信号对用来表示二进制数据。在此差分信号模式中，A线和B线上的信号是互补的，即当A线上是高电压时，B线上是低电压，反之亦然。这种差分信号传输模式的好处是能够有效减少了干扰，并提高了整体通信的可靠性。

[5]

五、RS485 适合的拓扑结构

RS485常搭配的拓扑结构是菊花炼拓扑和汇流排拓扑(总线拓扑)，适合长距离、多设备连接的应用，并保持信号传输的稳定性，有时两者也被视为相似的概念。
网络拓扑结构是指计算机网络中各节点（如计算机、伺服器、交换机等）之间的连接方式。不同的拓扑结构设计适应不同的网络需求和应用场景，影响着网络的性能、可靠性和可扩展性，每种结构都有其特定的优缺点，以下将介绍常见的拓墣结构与RS485适配性：

名称	简介	与 RS485 适配度
菊花炼拓扑（Daisy Chain Topology）	菊花链拓扑将每个节点串联起来，每个节点有两个连接，一个连接到前一个节点，另一个连接到下一个节点，可理解为串联。这种简单的设计成本低廉、布线简单、易于扩展，适合布置于小型网络中。然而，任何连接中的中断都可能使整个网络中断，这使其在较大的设置中可靠性较低。	适合 RS485 ，所有设备并联到一条总线上，避免过长的分支线，并且在两端使用终端电阻。
汇流排拓扑（Bus Topology / Linear Topology）	也称为总线型拓扑，所有设备都连接到一条中央电缆上，称为总线。任何设备发送的数据都沿着总线传输到其他所有设备，但只有预期的接收者会收到该消息。这种拓扑结构易于安装，所需的电缆比其他拓扑结构少。然而，总电缆故障可能会使整个网络崩溃，因此仅适用于小型或临时网络。	适合 RS485，设备依次串联，没有长分支线，因此信号完整性得以保持，终端电阻也能正确使用。
主干加分支（Backbone with Stubs）	其中一个中央主干连接各种较小的网络或分支。主干提供主要的通信路径，处理高容量或关键的通信流量，而分支则处理本地流量。这种设计通过集中关键路径并分散本地流量处理来简化网络管理并提高效率。	不太适合 RS485，分支线过长可能会导致信号反射，影响通讯稳定性。
树状拓扑（Tree Topology）	一条中央骨干电缆连接到不同分支，每个分支又连接多个结点，形成树状结构。可扩展性强，适合需要层次组织的大型网络，然而，如果骨干失效，网络的很大一部分可能会受到影响。	不太适合 RS485，存在信号反射问题，特别是在多个节点和分支上。
环型拓扑（Ring Topology）	环型拓扑是以公共电缆组成一个封闭的环，各节点直接连到环上，讯息沿着环按一定方向从一个节点传送到另一个节点。	不适合 RS485。RS485 不支持闭环结构，环型拓扑容易导致信号反射和冲突。
主干加星型/集群（Backbone with Stars/Clusters）	一个中央主干连接多个星型或集群网络。每个星型网络有一个中央节点连接到周边节点。这种设计通过将网络分割成可管理的集群来平衡负载并提高容错能力，同时通过主干保持强健的互联性。	不适合 RS485。这种结构中有许多分支或星型布局，会导致严重的信号反射和通讯错误。
星型拓扑（Star Topology）	星型拓扑结构中，网路中的各节点通过点到点的方式连接到中央节点，由中央节点向目的节点传送信息。中央节点执行集中式通信控制使中央节点相当复杂，负担比其他节点来得重许多。在星型网中任何两个节点要进行通信都必须经过中央节点控制。	不适合 RS485。星型结构会导致每个分支线都有过长的延伸，完全破坏了 RS485 所需的匹配阻抗。

在众多的拓朴结构中，RS-485的最佳选择是菊花链拓朴 (Daisy) ，因为这种拓扑方式对信号的完整性影响最小。菊花链拓朴的特点是将各个设备按照顺序连接在一条线上，形成一个环形结构。这种结构使得数据在各个设备之间能够高效地传输，同时减少了信号失真的风险。但是需要注意的是，随着线长度增加，信号在通信线路上的传输会出现失真现象，进而降低最大可传输的数据速率。

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六、RS485 搭配的通讯协定

RS485 本身是物理层的通信接口标准，需搭配的通讯协定，通讯协定规范如何在多个设备之间进行数据交换和控制。
1. Modbus RTU
Modbus RTU 是工业自动化中最常见的通讯协定之一，经常采用RS485 作为物理层，进行二进制数据传输，采用主从架构，支持单次通讯的 256 位数据帧和 CRC 错误检测，常用于工业数据交换。
2. Profibus DP
Profibus 是德国西门子公司推出的工业通讯协定，支持最高 12 Mbps 的数据速率，使用多主架构，应用于分布式系统和现场设备的高效数据通讯。
3. BACnet MS/TP
BACnet MS/TP 是专为楼宇自动化和控制系统设计，采用主从和令牌传递机制，支持楼宇自动化系统中的设备间数据交换，传输速率从 9600 bps 到 1 Mbps。
4. DNP3
DNP3 主要用于电力系统中的通讯协定，使用 RS485 传输时间标记的事件驱动数据，支持高达 9600 bps 的传输速率，广泛应用于 SCADA 系统中的数据收集与远程控制。
5. CANopen
CANopen 是基于 CAN（Controller Area Network）总线的高层通讯协定，传输速率从 10 kbps 到 1 Mbps，适合嵌入式控制系统和自动化设备的实时数据交换。
6. HART
HART 主要用于智能仪表，使用 RS485 传输叠加在 4-20mA 模拟信号上的数据，支持每次通讯 16 位数据的双向交换，主要用于现场设备的数据监控和诊断。

七、RS485 的应用范例

LORRIC 蹼轮式流量计于兴森半导体中央加药与配药系统的应用范例

| LORRIC 蹼轮式流量计于兴森半导体中央加药与配药系统的应用实景

中国兴森半导体之中央加药与配药系统，系统配置为中央储药槽加上每个制程端的配药系统，以阀箱来掌控化学药剂的供给量。每组阀箱内安装一组LORRIC蹼轮式流量计用以来计算药剂流量，流量计透过 RS485 将流量资讯即时回馈给中央控制系统，在药剂每次的供给量到达指定量时停止供药，在如此系统中，RS485扮演了一个重要的桥梁角色，建立了中央控制系统与各阀箱间的流量资讯沟通。