RS485总线详解
RS485总线
由于 RS232 接口仅能实现点到点的通信方式，不能实现联网功能，因此出现了 RS485。RS485有两线制和四线制两种接线方式，其中四线制只能实现点对点的通信，现很少采用，主要采用两线制接线方式。该方式采用总线式拓扑结构，在同一总线上最多可以挂接32个节点。
1. RS485 总线概述
工业现场常常需要采集多点数据，如模拟信号或开关信号，一般使用 RS485 总线。RS-485采用半双工工作方式，支持多点数据通信。RS-485 总线的网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构。即通过一条总线将各个节点串接起来，不支持环形或星型网络。
RS485 通信协议是一种串行通信协议，相比于 RS232，具有更长的传输距离和更高的速率。其传输速率最高可达 10Mbit/s。由于采用半双工工作方式，因此只能有一点处于发送状态，程序或电路设计中必须包含切换发送和接收状态的标志位。
RS485与RS232的另一个重要区别是，RS485采用 差分工作方式。在双绞线中，一条为 A，另一条为 B。在发送驱动器中，A、B之间的正电平为+2V至+6V，表示逻辑“1”，负电平为-2V至-6V，表示逻辑“0” (与 RS232 正好相反)。
2. 如何通过 PC 连接 RS485
由于PC默认只有 RS232 接口，可以通过以下两种方法得到 RS485 电路：
通过 RS232/RS485 转换电路：将 PC机串口 RS232 信号 转换为 RS485 信号。在工业环境较复杂的场合，建议选用防浪涌并带有隔离功能的产品。
通过 PCI 多串口卡：直接选用 RS485 类型的扩展卡。
3. RS485 总线信号
(1) 差分信号
长距离布线会有信号衰减，而且引入噪声和干扰的可能性更大，在线缆A和B上的表现就是电压幅度的变化，但是，采用差分线的好处就是，差值相减就会忽略掉干扰依旧能输出正常的信号，把这种差分接收器忽略两条信号线上相同电压的能力称为共模抑制。RS-485 标准规定：
- 逻辑1：+2V 至 +6V
- 逻辑0：-6V 至 -2V
RS-485不需要使用特定的总线电压，只看最小差分电压，在较长的电缆长度上，接收器接收到的电压可能会降低到+/- 200 mV，这对于RS-485仍然是完全可以接受的，这也是RS-485的优点之一。
(2) 信号定义
现在很多的RS-485转换器都是兼容RS-422的，所以看到很多转换器上面的信号都是T/R+、T/R-，即对应RS-485的A+和B-。
RS-485 转换器兼容 RS-422，通常信号标识为 T/R+ 和 T/R-，分别对应 RS-485 的 A+ 和 B-。
| DB9 引脚 | 输出信号 | RS-422 全双工接线 | RS-485 半双工接线 |
|---|---|---|---|
| 1 | T/R+ | 发（A+） | RS-485（A+） |
| 2 | T/R- | 发（B-） | RS-485（B-） |
| 3 | RXD+ | 收（A+） | 空 |
| 4 | RXD- | 收（B-） | 空 |
| 5 | GND | 地线 | 地线 |
(3) 拓扑结构
RS485 有两线制和四线制两种接线方式。四线制通常仅用于点对点通信，已较少采用。当前多使用两线制接线方式，这种方式为总线拓扑结构，最多支持32个节点连接。
RS-485 总线通常采用主从模式，支持点对点单从机模式或多从机模式，但不支持多主机模式。
4. RS485 收发器
由于 RS-485 使用差分传输，单片机控制 RS-485 接口时，需要使用 收发器。类似于 CAN 总线，收发器内部包含一个接收器和一个发送器。
收发器内部结构：
- A 和 B 为总线。
- R 为接收器输入。
- RE 为接收器使能信号。
- DE 为发送器使能信号。
- D 为发送器输出。
对于使能信号，字母上面加一横的为低电平有效（如上图RE），不加的为高电平有效（如DE）：
- 带横线的信号（如 RE）为低电平有效。
- 不带横线的信号（如 DE）为高电平有效。
RS-485 数据链路
在半双工模式下，主机和从机都使用同一对 A 和 B 信号线进行通信。主机控制 DE 引脚进入发送模式，将数据通过 UART TXD 线发送到 RS-485 收发器，之后切换到接收模式，准备接收从机的回应。
上面讲到的RS-485收发器的工作原理，下面简单描述RS-485的数据链路。
5. RS485 与 CAN 总线的对比
虽说RS-485没有标准的数据协议格式，但和CAN总线在很多地方是有相似的，比如A&B和CANH&CANL都是差分信号，通信都需要收发器，都需要120欧姆的匹配电阻等等。
| 总线特性 | CAN 总线 | RS-485 总线 |
|---|---|---|
| 硬件成本 | 稍高 | 低廉 |
| 总线利用率 | 优先级自动仲裁，利用率高 | 采用轮询，利用率低 |
| 数据传输率 | 高 | 低 |
| 错误检测机制 | 控制器带校验机制，保证底层数据传输正确 | 只有物理层规范，无数据链路层规定 |
| 单节点故障影响 | 总线无影响 | 总线瘫痪 |
| 开发成本 | 软件开发灵活，时间成本低 | 开发难度较大 |
| 系统成本 | 较低 | 高 |
6．RS485总线承载的业务
（1）工业自动化控制
- 业务类型：设备控制、数据交换、监控与调节
- 功能描述：
RS485 总线常用于工业自动化系统中，连接 PLC（可编程逻辑控制器）、传感器、执行器 等设备，进行数据采集、状态监控、控制指令的传输。例如，PLC 可以通过 RS485 总线向执行器发送开关控制指令，同时采集来自传感器的数据。
（2）楼宇自动化与智能建筑
- 业务类型：设备监控与控制
- 功能描述：
RS485 总线在楼宇自动化系统中用于连接 照明、暖通空调（HVAC）、门禁、安防系统 等设备。通过总线传输控制命令和设备状态信息，实现集中监控与控制。
（3）能源管理
- 业务类型：能源监测与控制
- 功能描述：
在电力系统或能源管理系统中，RS485 被广泛应用于连接 智能电表、变压器监测设备、配电装置 等，实现实时数据采集和远程监控。例如，RS485 总线可以用于电力公司的远程抄表，采集电表数据并将其传输到中央管理系统。
（4）交通管理
- 业务类型：交通控制、监控
- 功能描述：
RS485 常用于交通信号控制、车速监测、视频监控等系统，设备如 交通摄像头、红绿灯控制器、车速检测器 等通过 RS485 总线与控制中心进行数据交换和控制。
（5）远程数据采集
- 业务类型：数据采集、环境监控
- 功能描述：
RS485 总线可用于远程环境监控和数据采集，如温度、湿度、气体浓度等传感器的数据采集，常用于农业、气象、环保等领域。
（6）安防监控
- 业务类型：视频监控、报警系统控制
- 功能描述：
RS485 总线可承载安防系统中的设备控制与数据传输，例如接入 监控摄像头、门禁系统、入侵检测系统 等进行数据传输和设备控制。
（7）楼宇电气系统
- 业务类型：电气系统监测、故障检测
- 功能描述：
在电气系统中，RS485 被用于承载 电压、电流监测装置、配电系统设备 的实时数据。用于检测设备的工作状态，预警故障信息。
7．RS485总线承载的方式
（1）多点通信（多主多从）
RS485 支持 多点通信，即多个设备（如 PLC、传感器、执行器 等）可以通过一根总线进行连接。RS485 可以支持多达 32 个设备进行通信，最多支持 32 个接收器和 32 个发送器在同一总线上进行数据交换。这种多点通信结构使得 RS485 在大型工业自动化系统中具有优势。
（2）差分信号传输
RS485 使用 差分信号（通过 A 和 B 线的电压差）进行数据传输。相比单端信号传输，差分信号在长距离传输时更加稳定，抗干扰能力强，适合在工业环境中使用。
（3）半双工通信
RS485 通常采用 半双工 通信模式，即同一时间内只能进行数据的发送或接收。为了实现数据的发送和接收，RS485 设备通常会使用转发器（如收发器）来切换数据的传输方向。
（4）同步和异步传输
RS485 支持 异步传输，即发送端和接收端之间不需要共享时钟信号，适合数据传输速率不高的应用。同时，RS485 也可以通过适当的协议支持 同步传输，即通过外部时钟信号进行数据同步，这对于高速通信非常重要。
（5）波特率与数据帧结构
RS485 的通信速度（波特率）通常较高，常见的波特率包括 9600、19200、38400、115200 等。数据传输过程中，数据通过一定的 数据帧结构（起始位、数据位、校验位和停止位）进行编码，确保数据的完整性与正确性。
（6）协议层支持
RS485 是一个物理层标准，通常需要与更高层的通信协议结合使用（如 Modbus RTU、Profibus、BACnet 等）来完成具体的业务需求。这些协议负责数据的封装和解封装，以及设备间的通信调度。
（7）长距离传输
RS485 支持较长的传输距离（通常可达到 1200 米），这使得它在大范围的工业应用中非常有优势。长距离传输时，RS485 能保持较高的传输稳定性和抗干扰性。
（8）硬件流控制
RS485 支持硬件流控制，可以通过发送和接收端的控制信号（如 RTS、CTS）来协调数据流。这对于避免设备之间的数据冲突、丢包和缓冲区溢出是非常重要的。
8．RS485总线设备列表
RS485 总线广泛应用于工业自动化、楼宇控制、远程监控和数据采集等领域。
| 设备类型 | 设备名称 | 应用场景 | 功能说明 |
|---|---|---|---|
| 工业自动化设备 | PLC（可编程逻辑控制器） | 工业自动化、生产线控制 | 用于工业控制系统中，管理执行器、传感器等设备 |
| 传感器（温湿度传感器、压力传感器、流量传感器等） | 数据采集、环境监控 | 用于采集环境、物理量的变化并传输给控制系统 | |
| 执行器（电动阀门、马达控制器） | 控制机械运动、温度调节等 | 通过 RS485 接收来自 PLC 或其他控制器的控制信号 | |
| 智能电表 | 智能电表、热量表 | 能源管理、远程抄表 | 用于电力或热量数据的远程采集和传输 |
| 电气设备监测器 | 电压、电流监测设备 | 电气设备的监测与故障诊断 | 用于监测设备的运行状态，提供实时的电气数据 |
| 楼宇自动化设备 | 智能照明控制、HVAC 系统控制 | 楼宇自动化、环境控制 | 用于监控和调节楼宇内的照明、空调等系统 |
| 交通设备 | 交通信号灯控制器、车速监测系统 | 交通控制、道路监控 | 用于实时交通数据传输，如交通灯控制和监控摄像头 |
| 视频监控设备 | 安防监控摄像头、报警系统 | 安全监控、入侵检测 | 用于安防监控系统中的视频流传输、报警信息传送 |
| 门禁系统 | 门禁控制器、指纹识别设备 | 安全访问控制、门禁管理 | 用于管理人员进出，确保安全的门禁控制 |
| 远程终端设备 | 数据采集终端、远程控制面板 | 数据采集、远程监控 | 用于现场设备的数据读取、监控数据上传到中心系统 |
| 电动汽车充电桩 | 智能充电桩 | 电动汽车充电、智能电网 | 用于与电动汽车充电桩的通信，传输充电数据和状态 |
| 气象设备 | 气象传感器（温度、湿度、气压等） | 环境监控、农业监测 | 用于采集天气数据并传输至中央控制系统 |
| 楼宇安防设备 | 入侵检测器、烟雾报警器 | 楼宇安防、消防报警系统 | 用于传输楼宇内安防设备的状态及报警信息 |
| 生产设备监控 | 生产线状态监测设备、工控设备 | 工厂生产过程控制与优化 | 用于监控生产设备的状态，传输生产数据与工艺参数 |
| 可编程显示设备 | 可编程显示屏、LED 显示屏 | 显示生产线数据、监控信息等 | 用于实时显示监控系统、设备状态信息等 |
9. 最后总结
RS-485 是一种常用于工业自动化、楼宇控制系统、以及数据通信的串行通信协议。RS-485 是物理层标准，它描述了信号如何在线路上传输，但它并没有指定上层协议。因此，RS-485 总线协议的传输字段和协议格式是由具体的应用协议来定义的，常见的应用协议包括Modbus RTU、Profibus、BACnet 等。