RS485通信的基础知识和典型应用
RS485通信的基础知识和典型应用
前言
RS485通信是一种广泛应用于工业控制领域的串行通信标准，其具有传输距离远、抗干扰能力强等特点。本文将从RS485的起源讲起，详细介绍其工作原理，并结合具体电路实现方案，帮助读者全面理解RS485通信技术。
什么是RS485？
RS485是一种传输逻辑0和1电信号的方式。为了理解RS485的出现背景，我们先回顾一下通信方式的发展历程。
最简单的通信方式是直接传输电压信号：发送端发送5V表示高电平，发送0V表示低电平。然而，这种直接传输方式存在传输距离短、抗干扰能力差等问题。
为了解决这些问题，人们开始尝试提高传输电压。于是，RS232通信方式应运而生。RS232规定：发送高电平信号时，输出电压在-3V到-15V之间；发送低电平信号时，输出电压在+3V到+15V之间。这种高压差分传输方式显著提高了传输距离和抗干扰能力。
然而，单纯提高电压并不是长久之计。后来，人们发现采用差分传输方式可以更好地解决这些问题。差分传输使用两根电线传输数据，一根称为A线，另一根称为B线。规定：当A线电压比B线电压高200mV以上时，认为传输的是高电平信号；当B线电压比A线电压高200mV以上时，认为传输的是低电平信号。
RS422通信方式是差分传输的早期形式，它使用四根线进行全双工通信（即发送和接收可以同时进行）。后来，为了简化布线，人们又发明了RS485通信方式，它将发送和接收共用两根线，从而实现了半双工通信（即同一时间只能单向传输）。
RS485与UART通信协议
在单片机应用中，UART通信协议是最常用的串行通信协议之一。UART通信的基本原理是：通过设置波特率来控制数据传输速率，例如9600波特率意味着每秒传输9600位数据，即每隔约104微秒传输一位数据。
UART协议规定了数据帧的格式：起始位（低电平）、数据位（高位在前）、可选的奇偶校验位和停止位（高电平）。例如，传输一个字节数据0x55（二进制表示为01010101）时，实际传输的信号序列如下：
- 起始位：1个低电平
- 数据位：10101010（高位在前）
- 停止位：1个高电平
奇偶校验位用于检测数据传输过程中的错误。奇校验要求数据位中1的个数为奇数，偶校验要求数据位中1的个数为偶数。例如，传输0x55时，数据位中有4个1，因此需要添加一个高电平的奇偶校验位以保持奇数个1。
RS485通信芯片的使用
常用的RS485通信芯片有MAX485、SP485EE和MAX13487等。在工业控制领域，建议使用6LB184等工业级芯片。为了提高系统的可靠性和安全性，还可以添加TVS管、磁珠、自恢复保险丝等保护元件。如果需要更高的隔离度，可以使用BC0505（电源隔离芯片）和ADUM1201（信号隔离芯片）。
自动收发电路设计
RS485通信的一个关键问题是自动收发控制。传统的自动收发电路存在一些问题，例如在发送数据时接收引脚也会有电平变化，这可能会影响单片机的正常工作。为了解决这个问题，可以采用斯密特触发器（如74HC14或74LS14）来优化电路设计。
典型的RS485自动收发电路如下图所示：
这个电路中，发送数据通过两路信号分别送至RS485芯片的DI引脚和RE/DE控制引脚。其中，RE/DE控制引脚通过一个RC延时电路来确保数据电平先到达，控制方向的信号后到达，从而避免了信号冲突。
实际应用中的注意事项
在实际应用中，需要注意以下几点：
单片机的半双工模式：由于单片机的串口通常工作在半双工模式，即发送一个字节数据后才会开始接收，因此在使用自动收发电路时，发送期间的接收引脚变化通常不会影响单片机的工作。
优化电路设计：为了进一步提高系统的稳定性和可靠性，建议使用单独的引脚控制RE/DE管脚。在发送数据0时，可以通过控制485_AR引脚保持高电平来禁止RO的电平输出到接收引脚。
通过以上分析和优化，可以确保RS485通信系统在各种应用场景中都能稳定可靠地工作。