rs485通信串口协议.docx
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rs485通信串口协议
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rs485通信串口协议
篇一：
Rs485串行通信协议及其应用
Rs-485串行数据通信协议及其应用
概述
串行数据通信的协议从Rs-232到千兆位以太网，虽然每种协议都有特定的应用领域，但任何情况下我们都必须考虑成本和物理层（phy）性能。
本文主要介绍Rs-485协议及该协议所适合的应用。
同时给出了根据电缆长度、系统设计以及元件选择来优化数据速率的方法。
传输协议
什么是Rs-485？
profibus又是什么？
与其它串行协议相比，它们的性能如何？
适用于哪些应用？
为了回答这些问题，我们对Rs-485物理层（phy）、Rs-232和Rs-422的特性、功能进行了总体比较[1]（本文中的Rs表示ansieia/tia标准）。
Rs-232是一个最初用于调制解调器、打印机及其它pc外设的通讯标准，提供单端20kbps的波特，后来速率提高至1mbps。
Rs-232的其它技术指标包括：
标称±5V发送电平、±3V接收电平（间隔/符号）、2V共模抑制、2200pF最大电缆负载电容、300最大驱动器输出电阻、3k最小接收器（负载）阻抗、100英尺（典型值）最大电缆长度。
Rs-232只用于点对点通信系统，不能用于多点通信系统，所有Rs-232系统都必须遵从这些限制。
Rs-422是单向、全双工通信协议，适合嘈杂的工业环境。
Rs-422规范允许单个驱动器与多个接收器通信，数据信号采用差分传输方式，速率最高可达50mbps。
接收器共模范围为±7V，驱动器输出电阻最大值为100，接收器输入阻抗可低至4k。
Rs-485标准
Rs-485是双向、半双工通信协议，允许多个驱动器和接收器挂接在总线上，其中每个驱动器都能够脱离总线。
该规范满足所有Rs-422的要求，而且比Rs-422稳定性更强。
具有更高的接收器输入阻抗和更宽的共模范围（-7V至+12V）。
接收器输入灵敏度为±200mV，这就意味着若要识别符号或间隔状态，接收端电压必须高于+200mV或低于-200mV。
最小接收器输入阻抗为12k,驱动器输出电压为±1.5V（最小值）、±5V（最大值）。
驱动器能够驱动32个单位负载，即允许总线上并联32个12k的接收器。
对于输入阻抗更高的接收器，一条总线上允许连接的单位负载数也较高。
Rs-485接收器可随意组合，连接至同一总线，但要保证这些电路的实际并联阻抗不高于32个单位负载（375）。
采用典型的24awg双绞线时，驱动器负载阻抗的最大值为54，即32个单位负载并联2个120终端匹配电阻。
Rs-485已经成为pos、工业以及电信应用中的最佳选择。
较宽的共模范围可实现长电缆、嘈杂环境（如工厂车间）下的数据传输。
更高的接收器输入阻抗还允许总线上挂接更多器件。
profibus和Fieldbus[2]总线主要用于工业设备，是Rs-485总线的扩展。
用于工业环境的传感器测量、
激励控制、数据采集/显示以及过程控制系统与传感器、激励源网络之间的数据通信。
注意：
老式或现有的工业设备布线架构比较复杂，不可替换。
profibus和Fieldbus是对系统的整体描述。
Rs-485支持profibus和Fieldbus协议的物理层接口标准。
profibus与Fieldbus存在细微的差异，profibus要求2.0V的最小差分输出电压，54的负载电阻；Fieldbus则要求1.5V的最小差分输出电压，54的负载电阻。
profibus传输速率为12mbps，Fieldbus的传输速率为500kbps。
profibus应用对摆率和电容容限要求比较严格。
最适合的应用领域？
Rs-232：
用于与调制解调器、打印机及其它pc外设之间的通信。
最大电缆长度为100英尺（典型值）。
Rs-422：
适用于单主机（驱动器）工业环境。
典型应用包括：
过程自动化（化工、酿造、造纸）、工厂自动化（汽车制造、金属加工）、hVac、安防、电机控制、运动控制等。
Rs-485：
适用于多主机/驱动器工业环境。
其典型应用与Rs-422相似，包括：
过程自动化（化工、酿造、造纸）、工厂自动化（汽车制造、金属加工）、hVac、安防、电机控制、运动控制。
哪些因素限制了Rs-485的数据速率？
在指定的传输距离下，下列因素限制了传输速率：
电缆长度：
在特定频率下，信号强度会随着电缆长度而衰减。
电缆架构：
5类24awg双绞线是Rs-485系统最常用的电缆，屏蔽电缆可大大增强噪声抑制能力，提高了一定距离下的数据传输速率。
电缆特性阻抗：
分布电容和分布电感会降低信号的边沿速度，从而降低噪声裕量、补偿“眼图模板”特性。
分布电阻直接导致信号电平的衰减。
驱动器输出阻抗：
阻抗过高会限制驱动能力。
接收器输入阻抗：
阻抗过低会限制与驱动器通信的接收器数量。
终端匹配：
长电缆可看作传输线。
电缆上应接阻值等于电缆特性阻抗的终端匹配电阻，可以降低信号反射，并提高数据速率。
噪声裕量：
越大越好。
驱动器摆率：
降低边沿速率（降低信号摆率）允许采用较长的电缆进行通信。
经验数据
了解了以上相关的背景知识，接下来我们研究一个实际系统，如图1所示。
图中所示电缆是Rs-485系统最为常用的一种：
eia/tia/ansi5685类双绞线。
在长度为300英尺至900英尺的电缆上可以获得的数据速率为1mbps至35mbps。
图1.测试装置
系统设计人员经常从两个不同厂商选择驱动器和接收器，多数设计人员最关注的是Rs-485驱动器的传输距离和速度。
maxim驱动器（这里指max3469）与其它制造商的驱动器性能比较如图2、图3所示。
图2.在特定比特率、电缆长度下的抖动特性，抖动是在±100mV差分信号下测量的
图3.在特定比特率、电缆长度下的抖动指标，抖动是在0V差分信号下测量的
通过观察驱动器的差分输出信号的完整性，利用示波器确定80mV与-400mV之间的翻转门限（由于接收器具有200mV至-200mV的输入范围和噪声裕量，因此选取这一门限范围）。
然后，当脉冲（比特）开始“传送”时，用眼图确定失真度、噪声以及码间干扰（isi）。
isi指标限制了比特率，以保证系统能够在脉冲之间识别出传输数据。
对图1电路的测试结果表明翻转门限与眼图模板之间具有相关性。
该眼图模板存在50%的抖动，按照nationalsemiconductoR的应用笔记#977[3]所介绍的方法进行测量。
测量0V差分信号和±100mV差分信号下的抖动，得到图4和图5所示数据。
图4.maxim的max3469与其它Rs-485驱动器件的眼图对比[4]
图5.max3469的眼图
对于一个点到点通信系统，从±100mV差分信号（图4）或0V差分信号（图5）下的测试结果可以看出比特率与电缆长度的关系。
+100mV和-100mV门限能够正确切换差分信号大于200mV的信号，因此，该门限值可确保接收器正确接收数据（图5数据仅适用于可在0V差分输入下切换的理想接收器）。
眼图和故障模式
采用340英尺的5类电缆，图2给出了39mbps传输速率下的驱动器输出眼图，图中，信号从“眼”的中间穿过-这种情况表明可能出现误码。
然而，在相同数据速率下，maxim公司的器件不会出现这种情况（图3）。
maxim的收发器具有对称的输出边沿和较低的输入电容，性能良好。
采用上述测试对两款驱动器进行比较。
当数据速率较高、电缆较长时，maxim驱动器的性能更出色。
图5给出点对点网络中maxim器件的传输速率和距离的估计值。
根据经验，所产生的误码大致符合50%抖动极限的要求。
各方研究数据
在工业领域，通常可接受的传输距离和数据速率的最大值分别为4000英尺和10mbps，当然这两个值不能同时满足。
然而，利用最新器件和精细的系统设计，可在较长的电缆下实现较高的数据吞吐率。
预加重[5]是一种改善数据速率与距离间关系的技术，可用于Rs-485通信（图6）。
采用1700英尺电缆，工作在1mbps固定数据速率，没有预加重驱动器或均衡接收器的Rs-485收发器通常具有10%的抖动。
在相同速率下，增加驱动器预加重可使距离加倍，达到3400英尺，而且不会提高抖动。
同样，距离一定时采用预加重能提高数据速率。
速率为400kbps，电缆长度为4000英尺时，无预加重的驱动器通常具有10%的抖动。
而采用预加重可使该距离下的传输速率提升至800kbps。
篇二：
Rs485通信和modbus协议
在工业控制、电力通讯、智能仪表等领域，通常情况下是采用串口通信的方式进行数据交换。
最初采用的方式是Rs232接口，由于工业现场比较复杂，各种电气设备会在环境中产生比较多的电磁干扰，会导致信号传输错误。
除此之外，Rs232接口只能实现点对点通信，不具备联网功能，最大传输距离也只能达到几十米，不能满足远距离通信要求。
而Rs485则解决了这些问题，数据信号采用差分传输方式，可以有效的解决共模干扰问题，最大距离可以到1200米，并且允许多个收发设备接到同一条总线上。
随着工业应用通信越来越多，1979年施耐德电气制定了一个用于工业现场的总线协议modbus协议，现在工业中使用Rs485通信场合很多都采用modbus协议，本节课我们要讲解一下Rs485通信和modbus协议。
单单使用一块kst-51开发板是不能够进行Rs485实验的，应很多同学的要求，把这节课作为扩展课程讲一下，如果要做本课相关实验，需要自行购买usb转485通信模块。
18.1Rs485通信实际上在Rs485之前Rs232就已经诞生，但是Rs232有几处不足的地方：
1、接口的信号电平值较高，达到十几V，容易损坏接口电路的芯片，而且和ttl电平不兼容，因此和单片机电路接起来的话必须加转换电路。
2、传输速率有局限，不可以过高，一般到几十kb/s就到极限了。
3、接口使用信号线和gnd与其他设备形成共地模式的通信，这种共地模式传输容易产生干扰，并且抗干扰性能也比较弱。
4、传输距离有限，最多只能通信几十米。
5、通信的时候只能两点之间进行通信，不能够实现多机联网通信。
针对Rs232接口的不足，就不断出现了一些新的接口标准，Rs485就是其中之一，他具备以下的特点：
1、我们在讲a/d的时候，讲过差分信号输入的概念，同时也介绍了差分输入的好处，最大的优势是可以抑制共模干扰。
尤其工业现场的环境比较复杂，干扰比较多，所以通信如果采用的是差分方式，就可以有效的抑制共模干扰。
而Rs485就是一种差分通信方式，它的通信线路是两根，通常用a和b或者d+和d-来表示。
逻辑“1”以两线之间的电压差为+（0.2~6）V表示，逻辑“0”以两线间的电压差为-（0.2~6）V来表示，是一种典型的差分通信。
2、Rs485通信速度快，最大传输速度可以达到10mb/s以上。
3、Rs485内部的物理结构，采用的是平衡驱动器和差分接收器的组合，抗干扰能力也大大增加。
4、传输距离最远可以达到1200米左右，但是他的传输速率和传输距离是成反比的，只有在100kb/s以下的传输速度，才能达到最大的通信距离，如果需要传输更远距离可以使用中继。
5、可以在总线上进行联网实现多机通信，总线上允许挂多个收发器，从现有的Rs485芯片来看，有可以挂32、64、128、256等不同个设备的驱动器。
Rs485的接口非常简单，和Rs232所使用的max232是类似的，只需要一个Rs485转换器，就可以直接和我们单片机的uaRt串行接口连接起来，并且完全使用的是和uaRt一致的异步串行通信协议。
但是由于Rs485是差分通信，因此接收数据和发送数据是不能同时进行的，也就是说它是一种半双工通信。
那我们如何判断什么时候发送，什么时候接收呢？
Rs485类的芯片很多，这节课我们以max485为例讲解Rs485通信，如图18-1
所示。
图18-1max485硬件接口
max485是美信（maxim）推出的一款常用Rs485转换器。
其中5脚和8脚是电源引脚，6脚和7脚就是485通信中的a和b两个引脚，而1脚和4脚分别接到我们单片机的Rxd和txd引脚上，直接使用单片机uaRt进行数据接收和发送。
而2脚和3脚就是方向引脚了，其中2脚是低电平使能接收器，3脚是高电平使能输出驱动器。
我们把这两个引脚连到一起，平时不发送数据的时候，保持这两个引脚是低电平，让max485处于接收状态，当需要发送数据的时候，把这个引脚拉高，发送数据，发送完毕后再拉低这个引脚就可以了。
为了提高Rs485的抗干扰性能，需要在靠近max485的a和b引脚之间并接一个电阻，这个电阻阻值从100欧到1k都可以。
在这里我们还要介绍一下如何使用kst-51单片机开发板进行外围扩展实验。
我们的开发板只能把基本的功能给同学们做出来提供实验练习，但是同学们学习的脚步不应该停留在这个实验板上。
如果想进行更多的实验，就可以通过单片机开发板的扩展接口进行扩展实验。
大家可以看到蓝绿色的单片机座周围有32个插针，这32个插针就是把单片机的32个io引脚全部都引出来了。
在原理图上体现出来的就是我们的j4
、j5、j6、j7这4个器件，如图18-2所示。
图18-2单片机扩展接口
这32个io口不是所有的io口都可以用来对外扩展，其中既作为数据输出，又可以作为数据输入的引脚是不可以用的，比如p3.2、p3.4、p3.6引脚，这三个引脚是不可用的。
比如p3.2这个引脚，如果我们用来扩展，发送的信号如果和ds18b20的时序吻合，会导致ds18b20拉低引脚，影响通信。
除这3个io口以外的其他29个io口，都可以使用杜邦线接上插针，扩展出来使用。
当然了，如果把当前的io口应用于扩展功能了，板子上的相应的功能就实现不了了，也就是说需要扩展功能和板载功能二选一。
在进行Rs485实验中，我们通信用的引脚必须是p3.0和p3.1，此外还有一个方向控制引脚，我们使用杜邦线将其连接到p1.7上去。
Rs485的另外一端，大家可以使用一个usb转485模块，用双绞线把开发板和模块上的a和b分别对应连起来，usb那头插入电脑，然后就可以进行通信了。
学习了第13章的实用串口通信的方法和程序后，做这种串口通信的方法就很简单了，基本是一致的。
我们使用实用串口通信的思路，做了一个简单的程序，通过串口调试助手下发任意个字符，单片机接收到后在末尾添加“回车+换行”符后再送回，在调试助手上重新显示出来，先把程序贴出来。
程序中需要注意的一点是：
因为平常都是将485设置为接收状态，只有在发送数据的时候才将485改为发送状态，所以在uartwrite（）函数开头将485方向引脚拉高，函数退出前再拉低。
但是这里有一个细节，就是单片机的发送和接收中断产生的时刻都是在停止位的一半上，也就是说每当停止位传送了一半的时候，Ri或ti就已经置位并且马上进入中断（如果中断使能的话）函数了，接收的时候自然不会存在问题，但发送的时候就不一样了：
当紧接这向sbuF写入一个字节数据时，uaRt硬件会在完成上一个停止位的发送后，再开始新字节的发送，但如果此时不是继续发送下一个字节，而是已经发送完毕了，要停止发送并将485方向引脚拉低以使485重新处于接收状态时就有问题了，因为这时候最后的这个停止位实际只发送了一半，还没有完全完成，所以就有了uartwrite（）函数内delayx10us（5）这个操作，这是人为的增加了延时50us，这50us的时间正好让剩下的一半停止位完成，那么这个时间自然就是由通信波特率决定的了，为波特率周期的一半。
/***********************Rs485.c文件程序源代码*************************/#include
#include
sbitRs485_diR=p1^7;//Rs485方向选择引脚
bitflagoncetxd=0;//单次发送完成标志，即发送完一个字节
bitcmdarrived=0;//命令到达标志，即接收到上位机下发的命令
unsignedcharcntRxd=0;
unsignedcharpdatabufRxd[40];//串口接收缓冲区
voidconfiguaRt（unsignedintbaud）//串口配置函数，baud为波特率
{
Rs485_diR=0;//Rs485设置为接收方向
scon=0x50;//配置串口为模式1
tmod//清零t1的控制位
tmod|=0x20;//配置t1为模式2
th1=256-（11059200/12/32）/baud;//计算t1重载值
tl1=th1;//初值等于重载值
et1=0;//禁止t1中断
es=1;//使能串口中断
tR1=1;//启动t1
}
unsignedcharuartRead（unsignedchar*buf,unsignedcharlen）//串口数据读取函数，数据接收指针buf，读取数据长度len，返回值为实际读取到的数据长度
{
unsignedchari;
if（len>cntRxd）//读取长度大于接收到的数据长度时，
{
len=cntRxd;//读取长度设置为实际接收到的数据长度
}
for（i=0;i {
*buf=bufRxd[i];
buf++;
}
cntRxd=0;//清零接收计数器
returnlen;//返回实际读取长度
}
voiddelayx10us（unsignedchart）//软件延时函数，延时时间（t*10）us
{
do{
_nop_（）;
_nop_（）;
_nop_（）;
_nop_（）;
_nop_（）;
_nop_（）;
_nop_（）;
_nop_（）;
}while（--t）;
}
voiduartwrite（unsignedchar*buf,unsignedcharlen）//串口数据写入函数，即串口发送函数，待发送数据指针buf，数据长度len
{
Rs485_diR=1;//Rs485设置为发送
while（len--）//发送数据
{
flagoncetxd=0;
sbuF=*buf;
buf++;
while（!
flagoncetxd）;
}
delayx10us（5）;//等待最后的停止位完成，延时时间由波特率决定
Rs485_diR=0;//Rs485设置为接收
}
voiduartdriver（）//串口驱动函数，检测接收到的命令并执行相应动作
{
unsignedcharlen;
unsignedcharbuf[30];
if（cmdarrived）//有命令到达时，读取处理该命令
{
篇三：
Rs-485串行接口标准
Rs-485串行接口标准
1、平衡传输
Rs-485数据信号采用差分传输方式，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，通常情况下，发送驱动器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中还有一“使能”端，而在Rs-422中这是可用可不用的。
“使能”端是用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。
当“使能”端起作用时，发送驱动器处于高阻状态，称作“第三态”，即它是有别于逻辑“1”与“0”的第三态。
接收器也作与发送端相对的规定，收、发端通过平衡双绞线将aa与bb对应相连，当在收端ab之间有大于+200mV的电平时，输出正逻辑电平，小于-200mV时，输出负逻辑电平。
接收器接收平衡线上的电平范围通常在200mV至6V之间。
2、Rs-485电气规定
由于Rs-485是从Rs-422基础上发展而来的，所以Rs-485许多电气规定与Rs-422相仿。
如都采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终接电阻等。
Rs-485可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信，而采用四线连接时，与Rs-422一样只能实现点对多的通信，即只能有一个主（master）设备，其余为从设备，但它比Rs-422有改进，无论四线还是二线连接方式总线上可多接到32个设备。
Rs-485与Rs-422的不同还在于其共模输出电压是不同的，Rs-485是-7V至+12V之间，而Rs-422在-7V至+7V之间，Rs-485接收器最小输入阻抗为12k剑鳵s-422是4k健；旧峡梢运礡s-485满足所有Rs-422的规范，所以Rs-（rs485通信串口协议）485的驱动器可以用在Rs-422网络中应用。
Rs-485与Rs-422一样，其最大传输距离约为1219米，最大传输速率为10mb/s。
平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s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100米长双绞线最大传输速率仅为1mb/s
Rs-485需要2个终接电阻，其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗。
在矩距离传输时可不需终接电阻，即一般在300米以下不需终接电阻。
终接电阻接在传输总线的两端。
在mcu之间中长距离通信的诸多方案中、Rs-485因硬件设计简单、控制方便、成本低廉等优点广泛应用于工厂自动化、工业控制、小区监控、水利自动报测等领域、但Rs-485总线在抗干扰、自适应、通信效率等方面仍存在缺陷、一些细节的处理不当常会导致通信失败甚至系统瘫痪等故障、因此提高Rs-485总线的运行可靠性至关重要、
1Rs-485接口电路的硬件设计
1）总线匹配、总线匹配有两种方法、一种是加匹配电阻、位于总线两端的差分端口Va与Vb之间应跨接120Ω匹配电阻、以减少由于不匹配而引起的反射、吸收噪声、有效地抑制了噪声干扰、但匹配电阻要消耗较大电流、不适用于功耗限制严格的系统、
另外一种比较省电的匹配方案是Rc匹配利用一只电容c隔断直流成分、可以节省大部分功率、但电容c的取值是个难点、需要在功耗和匹配质量间进行折衷、除上述两种外还有一种采用二极管的匹配方案、
2）Ro及di端配置上拉电阻、异步通信数据以字节的方式传送、在每一个字节传送之前、先要通过一个低电平起始位实现握手、为防止干扰信号误触发Ro（接收器输出）产生负跳变、使接收端mcu进入接收状态、建议Ro外接10kΩ上拉电阻、
3）保证系统上电时的Rs-485芯片处于接收输入状态、对于收发控制端tc建议采用mcu引脚通过反相器进行控制、不宜采用mcu引脚直接进行控制、以防止mcu上电时对总线的干扰、
4）总线隔离、Rs-485总线为并接式二线制接口、一旦有一只芯片故障就可能将总线“拉死”、因此对其二线口Va、Vb与总线之间应加以隔离、通常在Va、Vb与总线之间各串接一只4~10Ω的ptc电阻、同时与地之间各跨接5V的tVs二极管、以消除线路浪涌干扰、如没有ptc电阻和tVs二极管、可用普通电阻和稳压管代替、
5）合理选用芯片、例如、对外置设备为防止强电磁（雷电）冲击、建议选用ti的75lbc184等防雷击芯片、对节点数要求较多的可选用sipex的sp485R、
2Rs-485网络配置
1）网络节点数、网络节点数与所选Rs-485芯片驱动能力和接收器的输入阻抗有关、如75lbc184
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