纯干货！RS485接口电路设计攻略

纯干货！RS485接口电路设计攻略

RS485接口电路设计是工业自动化和通信系统中的关键技术之一。本文将从RS485的基本概念出发，详细介绍其硬件电路设计、自动收发电路设计、防雷电路设计以及PCB布线要点等关键环节，帮助读者掌握这一重要接口电路的设计方法。

什么是RS485？

RS485是一种半双工通信协议，这意味着在任意时刻，通信链路只能处于接收或发送状态之一。RS485具有支持多节点传输、传输距离远、抗干扰能力强等特点。它可以连接多个485设备，信号速率最高可达10Mbps。通过A、B两线之间的电压差来判断逻辑电平：当AB间的电压差大于200mV时为高电平（1），小于200mV时为低电平（0）。通常在首末两端会接120Ω电阻，用于阻抗匹配，消除信号反射。

RS485硬件电路设计

RS485电路设计可分为隔离型和非隔离型两种。下图展示了一个非隔离型电路示例：

在非隔离型电路中，B端接到GND下拉，A端通过上拉电阻保持高电平，以确保A和B之间的电压差大于200mV。DE和RE引脚分别控制发送和接收使能：RE为低时进入接收模式，DE为高时进入发送模式。实际应用中，这两个引脚通常连接在一起，通过IO口（RS485_EN）进行控制，因为芯片在同一时刻只能处于接收或发送状态之一。

RS485自动收发电路硬件设计

自动收发电路与普通485电路的主要区别在于增加了一个晶体管来控制485的使能引脚。R9限流电阻和R8上拉电阻通常选择4.7KΩ。当晶体管未导通时，使能引脚被上拉至高电平。

接收数据时

接收数据引脚（RS485_RX）在接收数据过程中，RS485_TX引脚保持高电平，VGS为高电平，NPN三极管Q1导通，RE和DE相连的引脚通过晶体管下拉到GND，此时接收使能，处于接收状态。

发送数据时

发送数据引脚（RS485_TX）发送1时，晶体管导通，RE和DE的电平为低，RS485收发芯片没有打开，由于常态下485为高电平，此时数据就是高；当 RS485_TX发送0时，晶体管不导通，此时485收发芯片的发送使能为高，DI由于一直被下拉到GND，所以发出去的数据为0。这样就实现了485的自动收发。

发送具体解析

RS485_TX 发送1时，VGS高电平，NPN三极管导通，使能引脚是低电平，发送失效，接收使能，处于接收状态。由于SP3485芯片的AB引脚是高阻状态，R4把A拉高，R5把B拉低，所以AB传输的是1。即RS485_TX发送1时，AB引脚发送1。

RS485接口防雷电路设计

接口防护电路包括共模电感L1，用于衰减共模噪声，增强抗干扰能力，一般选择120Ω/100MHz。C3电容的作用是隔开接口地和数字地，一般选择1000pF。为了达到EMC防护要求，差模信号2kV，共模信号6kV，在接口处会预留上气体放电管、热敏电阻、TVS管组成防护电路。

RS485接口电路PCB的GND设计

虚线处的防护器件要尽量靠近接口，摆放紧凑整齐，先放防护器件再放滤波器件。

RS485接口电路设计通常涉及到几个关键要素，包括信号传输、电气隔离、噪声抑制、保护措施以及电源和控制逻辑设计等。

关键要素

信号线选择与布线

• 使用一对双绞线作为差分信号线（A和B），通常选用屏蔽双绞线电缆以减少电磁干扰。
• 保持A和B线长度尽可能相等，以减少信号延迟差异，保证信号的完整性。

共模电感和滤波

• 在信号线入口处加入共模电感L1，用于抑制共模干扰，推荐阻抗范围为120Ω/100MHz ~ 2200Ω/100MHz。
• 可能还需要并联去耦电容和TVS管等元件，进一步提高抗干扰能力。

收发器芯片选择

• 常见的收发器芯片有SP3485、MAX485等，它们将TTL/CMOS逻辑电平转换为RS485差分信号。
• 需要关注RE、DE以及RO等控制引脚的连接逻辑，通常RE和DE可以连接在一起通过单个控制信号控制发送/接收模式。

偏置和终端电阻

• A信号线可能需要上拉电阻（如10kΩ至4.7kΩ），以确保在空闲时的电压状态，B信号线可能需要下拉到GND。
• 在总线的两端或适当位置放置120Ω终端电阻，以减少信号反射和改善信号质量。

防雷击和浪涌保护

• 可以在信号线上添加TVS管和/或自恢复保险丝，用于过压和浪涌保护，提高电路的鲁棒性。
• 对于高风险环境，考虑加入6kV以上的防雷击保护电路设计。

EMC设计

• 保证良好的接地设计，特别是接口地的处理，有时单板地与外壳直接连接，通过1000pF电容耦合。
• 电路板布局时注意电源和信号线的分离，减少交叉干扰，增加滤波和退耦电容。

控制逻辑

• 根据应用需求，设计控制逻辑电路或使用MCU控制发送使能信号，实现自动或手动切换。
• 对于自动收发电路设计，可能需要更复杂的逻辑来自动管理发送和接收状态，以适应不同通信场景。

RS485接口设计不仅关注电气特性，还需要综合考虑EMC、可靠性、安全性等因素，确保在复杂工业环境中的稳定通信。