集成与中控系统中的RS485串口通信技术

在中控系统使用串口Telnet的通讯中，在物理层主要是RS232C和RS485两种传输协议是最常用的（Telnet属于表示层的高层协议，而RS232C/485属于物理层协议，请参考OSI模型解析）。RS232C属于平衡半双工双点对传传输协议，而RS485支持多点传送的半双工平衡传输协议，它们的区别除了一个是点对点，一个是多点对多点外，传输距离也是有很大差别的。参见下表。

一、 连线

通常的RS485（正规名称是TIA/EIA-485-A）是使用平衡双线连接的。一共三条线分别为信号正、信号副和地线。数据信号在传输以前是非平衡的，经过差分放大器后变成了平衡信号。见图一。

图一 RS485信号的连接方法

采用平衡连接的传输线其目的就是为了大幅度减少外界的干扰电平信号，它的原理和我们音频中使用平衡传输是一样的。理想的平衡传输信号其两个正负极（见图二，对应的是1+和2+输入）电平是时间上的严格对齐，1+的高电平，对应2+的低电平，反之亦然。

图二 理想的平衡RS485信号传输电平

尽管传输RS485信号可以采用任何导电导线，但是通常是使用双绞线来连接为最佳。

二、 为什么使用双绞线

从字面上解释双绞线就是一对长度相等的金属丝互相螺旋状拧在一起的导线对。为什么要使用双绞线传输RS485信号呢？那是为了解决在长距离的高速网络中存在的两个主要问题：EMI（Electro Magnetic Interference：电磁干扰）辐射干扰和EMI接收干扰。

1、辐射干扰：在高速传输数据的时候，接收端是依靠高低电平的垂直边沿（上升沿/下降沿）来判断数据的变化的，频率越高，边沿变化的越快，相应的高频奇次谐波含量也越高。下图三是125kHz方波信号的FFT照片，由图上我们可以看出它在5MHz上还有很大的谐波能量。

图三 125kHz方波信号的FFT延伸到5MHz

由于高频方波本身的辐射问题，再加之长线传输（此时的长线相当于发射天线），其对外的辐射特性得到了加强。使用双绞线则可以有效地抑制这种辐射干扰。其实它的原理很简单，当两条平行对绞天线在辐射电磁波的时候，由于工作电平是反相，所以辐射电磁波将被抵消。当然完全抵消只是个理论数值，抵消效果取决于对绞线的长度是不是完全一致，以及对绞密度和线间的紧合度，这些都是和对绞线的制作工艺有很大的关系。所以我们可能会发现，用一些比较高档的线（比如Belden 9841）可以传输更远的RS485信号，而且误码率很低。

2、接收干扰：这是针对接收端来说的抵抗干扰的能力。上面我们谈到高频传输线基本上相当于一个天线，当天线以对绞的方式传输反相信号的时候会抵消辐射电平。同样的原理，它也会帮助接收端抵消输入的噪声信号。外部输入来的“无用”噪声信号在完全相等长度和均匀对绞的线对里面是以“共模信号（大小相同，方向相同）”存在的；而有用的信号在这里是以“差模信号（大小相同，方向相反）”存在的。而对接收端的差分放大器而言，它只接收差模信号而抑制共模信号（差分放大器有个电参数叫共模抑制比CMRR，一般大于60dB为优）。

三、 双绞线的特性阻抗

双绞线的特性阻抗和其它高频电缆一样。要主意的是，特性阻抗和电阻是不同的概念。电阻可以用万用表测出来，特性阻抗不能测。（阻抗是电阻和电抗的统称，电阻部分是针对直流电路来说的，这部分用万用表可以测量。但是电抗是指电缆间的容抗和感抗之和。电抗只是对交流信号有作用，信号的频率越高，这种表现就越明显）。电抗的单位也是欧姆，它的大小取决于双绞线的线径、绝缘体的导电能力（介电常数）、绝缘体和铜线的排列位置等。尽管TIA/EIA-485-A里面没有特别指明这个特性阻抗的数值，一般地厂商都是将这个数值定在120Ω。见图四。

图四 双绞线的特性阻抗

上图我们可以看出来，双绞线的特性阻抗从任何位置看都是处处相等的。高频传输电缆和我们在低频的导线不同，高频传输中，信号在任何环节的阻抗都必须相等，否则就会出现反射（参见《通信原理》）。信号反射会引起误码率的升高以及传输距离缩短。从前面对阻抗的分析可以开出来，高频传输双绞线若避免产生信号反射，主要取决于制线的工艺水平。要求阻抗“处处相等”就要求铜材和绝缘体的一致性，以及缠绕的均匀性。在使用过程中我们也要注意，对双绞线挤压、踩踏、卷曲等都会导致绝缘体与铜线之间的相对位置的改变而造成阻抗失配，失配将引起信号的反射。

一般来说，一个RS485网络是必须要加入终端电阻的，而且这个电阻的阻值必须和双绞线匹配。对于一个标准的RS485双绞线电缆来说，终端电阻应该和双绞线阻抗一致的120Ω。我们按照图五的方式分别连接不同的终端电阻进行测量，看看连接54Ω和120Ω两种电阻的电平传递失真特性。

图五左侧连接的54Ω，右侧连接的是120Ω

从上图我们可以看出来，对于120Ω特性阻抗的双绞线来说，失配会引起比较强烈的反射，导致传输信号出现失真，引起误码。由于阻抗失配导致的信号反射失真率可以用下面的公式来计算：

终端电阻的加装位置也是非常重要的，严格上讲，它只能连接到双绞线的两个端点，而且应该是两端都加的。在实际应用中，一般发送器都是只有1个，所以这种情况下发送端就可以不加这个电阻了，因为它已经没有反向的电流了。

我们在实践中可能发现这样的问题，就是在一端加上了终端电阻，但是要小于120Ω，有时候小到60Ω才起作用。这是因为你使用的双绞线阻抗不正确导致的。通常的廉价的RS485传输线由于制造工艺的原因，阻抗是很不准确的，而且是变化的很厉害，这样会导致信号来回反射。此时如果加入了个小电阻，会加大传送器的输出电流。但是这样做的结果是传输距离的大大缩短，可能要下降到150米以内了。不过双绞线的特性阻抗我们一般是无法测量的，所以单纯从说明书上也很难判断。前面我们举例的美国Belden 9841双绞线在国内的零售价在10元/米，它的工艺就非常好，数据的稳定性和传输距离都接近理论值（距离达到1000米左右）。

现在的很多RS485终端设备在端口处都已经自带了120Ω的终端电阻了（参见设备指标说明），这样的设备连接就无须另外加终端电阻了。

四、 一个RS485网络的传输/接收能力

只有一对双绞线构成的RS485网络到底可以同时连接多少个发送器/接收器呢？很多人想得到这个问题的答案，其实这个数量的限制在TEA/EIA-485-A的手册上也没有一个确切的说法。因为尽管这种半双工平衡RS485网络的数据结构允许在一个网络中可以同时存在多个发送器/接收器，但是其数量还是取决于每个接收器和所有非活动发送器的网络负载。

理想的情况是一个RS485网络中的所有接收器和非活动的发送器的阻抗都是无穷大的，这样它们就不再消耗任何发送器能量，这种情况下对接收器和非活动发送器的数量就没有限制了。但是事实上这样的情况是没有的。由于接收器和其它的发送器都将成为网络的负载，所以实际的连接数量还要根据双绞线的质量来确定了。

举例子，如果采用最优质的RS485双绞线，阻抗严格为120Ω的时候，采用MAXIM的Max3485发送器和Max487接收器，最多可以同时连接32个Max3485发送器和128个Max487接收器。这个情况可能是“最好”的了吧。

五、 正确的RS485连接方式

结合上面对RS485网络的技术分析，现在给出几种正确的连接方式供参考。

1、一个发送器一个接收器。参见图六。

这是一种最常见的连接方式，在这种连接下，终端电阻尽管有些多余（可以不用），但是养成一种良好的设计习惯也是十分必要的。

图六一个发送器和一个接收器的正确连接

2、 一个发送器，多个接收器。见图七。

这种连接方式也是比较常见，这里要注意两个问题，一个就是末端的终端电阻一定要加上；另一个问题就是分支线一定要短，通常要少于1米，这点非常重要，否则这段支线可能会引起阻抗的失配，导致误码率的升高。

图七一个发送器和多个接收器的正确连接

3、一对收发器。见图八。

这也是一种常见的连接，其原理与图六是相同的。

图八 两对收发器的正确连接

4、多对收发器。见图九。

它的原理和图七也是相似的，重要的也是要注意终端电阻的添加（注意，不能将最两边的收发器外侧的终端电阻省略），还有就是分支线要尽量地短。

图九 多对收发器的正确连接

六、 错误的RS485连接方式

另外的几种连接情况，可能会引起传输距离以及误码率的提高问题，希望能引起大家的注意。

1、无终端电阻匹配。见图十。

可能读者会注意，这种连接和图六非常相似，只是在分支线以后还有100英尺的悬空线。在图六中我们说，那个终端电阻是可以省略的，那么为什么增加了这100英尺的悬空线就成了错误连接了呢？这个就是高频信号传输的特点。高频电路分析中，我们不能以低频信号 “电路”的概念去理解信号的传递。图十中当主信号延干线继续向右传递的时候，由于末端没有连接终端电阻，所以信号在完全失配的情况下会完全反射（终端在开路和短路的情况下，对于高频信号来说都是全反射，只是相位不同）。全反射的信号会在干线上与正向信号叠加，由于距离的原因，反向传递的信号会出现杂乱的叠加，其结果就是引起输出端的信号严重失真，引起误码。

图十 无终端匹配的错误连接

图十中的信号测量结果在下半部分左侧（测量点在A-B），我们和图十右下侧的匹配状态波形做比较可以看出全反射对信号的影响。所以我们在工程中要注意，高频信号的延长线要做好处理，不要以为什么都不连接就没有问题。

2、错误的终端电阻安装位置。见图十一。

依据图十的问题，如果没有将终端电阻放置在主干线的末端，而是放置在其它位置，尽管这样可以对前段的阻抗做出匹配，但是终端电阻到双绞线电缆末端的地方依然会产生反射现象，并与发送信号叠加形成误码。误码的形状参见图十一的左下（测量点在A-B）。读者可以和右下侧的正确终端电阻连接波形进行比较。

图十一 不正确的终端电阻连接

3、多重线缆并联。见图十二。

这样的连接也是常见的错误。而且可能会引起更多的问题。

图十二 错误的多重线缆并联

第一个问题是RS485发送器的设计是为驱动一条电缆的，当并联四条电缆的时候，其驱动能力明显下降，这就意味着一些比较小的逻辑电平将无法传送，传输距离也大打折扣。第二个问题就是特性阻抗的变化。在打结点，四条分支线并联在一起会引起负载阻抗的严重失配，信号的反射情况将更为剧烈。

4、过长的分支电缆。见图十三。

图十三过长的支线也会引起阻抗失配

与图七类似，但是不同的地方是分支线长度过长。尽管此时在干线末端已经正确地连接了负载阻抗，但是太长的支线与右侧干线之间的并联关系依然使阻抗产生失配，这种情况下低电平段将发生信号畸变，畸变波形见图十三左下（测量点在A-B），并与右下侧正确的短支线连接对比。

读者可以将图十三和图十左比较可以发现，干线上的完全反射影响的是高电平信号，而支线引发的阻抗失配主要是引起低电平信号畸变。

参考文献：

1. TIA/EIA-485-A Electrical Characteristics of Generators and Receivers for Use in Balanced Digital Multipoint Systems

2. TSB89 Application Guidelines for TIA/EIA-485-A