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RS485使用手册与指南[中文版、文字版、无水印版].pdf

发布时间：2022-06-17 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.68M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    基本RS485电路
    ModBus协议（RTU模式）
    应用例子
    改制的通讯协议（多功能电表）
    目 录 第 1 章 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.1.1 1.1.2 RS-485 选型及应用指南 .........................................................................1 RS-232/422/485 标准 ...............................................................................................1 RS-232 标准 .....................................................................................................2 RS-422/485 标准 ..............................................................................................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 +3.3V 低功耗全双工 RS-422 收发器－SP3490/SP3491..............................20 1.2.5 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 RS-485 自动换向电路....................................................................................24 1.3.4 RS-485 通讯协议 ...................................................................................................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 RS-485 程序设计 ...................................................................................................28 RS-485 接口电路............................................................................................28 1.5.1 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 RS-485 程序清单............................................................................................31 1.5.7 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 RS-485 系统的常见故障及处理方法............................................................40 1.6.7 RS-422 与 RS-485 的网络拓朴 .....................................................................41 1.6.8 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 参考文献.................................................................................................................43 i
    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 工作方式 节点数 最大传输电缆长度 最大传输速率 最大驱动输出电压 发送器输出信号电平 (负载最小值) 发送器输出信号电平 (空载最大值) RS-232 单端 1 收、1 发 50 英尺 20Kbps +/-25V RS-422 差分 1 发 10 收 4000 英尺 10Mbps RS-485 差分 1 发 32 收 4000 英尺 10Mbps -0.25V～+6V -7V～+12V 负载 +/-5V～+/-15V ±2.0V 空载 +/-25V ±6V ±1.5V ±6V 1
    发送器负载阻抗(Ω) 摆率(最大值) 接收器输入电压范围 接收器输入门限 接收器输入电阻(Ω) 发送器共模电压 接收器共模电压 1.1.1 RS-232 标准 3K～7K 30V/μs ±15V ±3V 3K～7K -- -- 100 N/A -10V～+10V ±200mV 4K(最小) -3V～+3V -7V～+7V 54 N/A -7V～+12V ±200mV ≥12K -1V～+3V -7V～+12V 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。 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 2
    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 传输模式 电缆长度＠90Kbps 电缆长度＠10Mbps 数据传输速度 最大差动输出 最小差动输出 接收器敏感度 发送器负载（欧姆） 最大发送器数量 最大接收器数量 TIA/EIA-485 平衡 4000 ft（1200m） 50 ft（15m） 10 Mbps ± 6V ± 1.5V ±0.2 V 60Ω 32 单位负载 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 3
    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 传输模式 电缆长度＠90Kbps 电缆长度＠10Mbps 数据传输速度 最大差动输出 TIA/EIA-422 平衡 4000 ft（1200m） 50 ft（15m） 10 Mbps ±10 V 4
    最小差动输出 接收器敏感度 发送器负载（欧姆） 最大发送器数量 最大接收器数量 1.2 RS-485/RS-422 芯片 ±2 V ±0.2 V 100Ω 1 单位负载 10 单位负载 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 总线 (µA) 节点 0.9 10，000 1 0.9 250 1.0 32 32 Features ESD 封装 低功耗关断模式 发送器短路保护 ±15kV 8 Pin PDIP 8 Pin NSOIC 低功耗关断模式 速率限制功能 ±15kV SP481E 半双工 SP483E 半双工 SP485E 半双工 SP481R 半双工 SP485R 半双工 SP490E 全双工 SP491E 全双工 SP490 全双工 SP491 全双工 5 5 5 5 5 5 5 5 5 0.9 10，000 N/A 32 发送器短路保护 ±15kV 0.5 1，000 0.5 400 低功耗关断模式 发送器短路保护 ±2kV 0.5 1，000 0.5 400 发送器短路保护 ±2kV 0.9 10，000 N/A 32 发送器短路保护 ±15kV 0.9 10，000 N/A 32 发送器短路保护 ±15kV 0.9 5，000 N/A 32 发送器短路保护 ±2kV 0.9 5，000 N/A 32 发送器短路保护 ±2kV 8 Pin PDIP 8 Pin NSOI 8 Pin PDIP 8 Pin SOIC 8 Pin PDIP 8 Pin NSOIC 8 Pin PDIP 8 Pin NSOIC 8 Pin PDIP 8 Pin SOIC 14 Pin PDIP 14 Pin NSOIC 8 Pin PDIP 8 Pin NSOIC 14 Pin PDIP 14 Pin NSOIC 8 Pin PDIP 8 Pin NSOIC SP3481 半双工 3.3 1 10,000 1 32 低功耗关断模式 高速 ±2kV 5
    SP3483 半双工 3.3 .35 250 1 32 低功耗关断模式 速率限制功能 发送器短路保护 高速 ±2kV ±2kV ±2kV ±2kV 8 Pin PDIP 8 Pin NSOIC 8 Pin PDIP 8 Pin NSOIC 8 Pin PDIP 8 Pin NSOIC 14 Pin PDIP 14 Pin NSOIC SP3485 半双工 3.3 SP3490 全双工 3.3 SP3491 全双工 3.3 1 1 1 10,000 10 N/A 10,000 N/A 32 高速 10,000 10 32 高速 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 6
    1.1.1 增强型低功耗半双工 RS-485 收发器－SP481E/SP485E 1． 特点 单一的+5V 电源 低功耗 BiCMOS 工艺制造 发送器/接收器可使能多分支结构（Mutli-Drop）配置 低功耗关断模式（SP481E） 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# 1 2 3 4 5 6 7 8 描述 名称 RO RE DE DI GND 地连接。 接收器输出。 接收器输出使能（低电平有效）。 发送器输出使能（高电平有效）。 发送器输入。 A B Vcc 发送器输出/接收器输入反相。 发送器输出/接收器输入反相。 正电源电压（4.75V
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