RS-485的特性使其成為惡劣工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用最廣的接口協(xié)議

在惡劣的工業(yè)和樓宇自動化網(wǎng)中，RS-485收發(fā)器是實現(xiàn)串口通信最常見的物理層接口。該串行標(biāo)準(zhǔn)通過兩根線提供差分信號，實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用所需的遠(yuǎn)距離、高速率傳輸。RS-485標(biāo)準(zhǔn)提供的接口可承受惡劣環(huán)境。工業(yè)和樓宇自動化應(yīng)用中最常見的問題之一是在快速切換電感負(fù)載、靜電放電以及工廠自動化設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中頻繁的電壓浪涌，會產(chǎn)生較大的電氣特性瞬變，進(jìn)而破壞數(shù)據(jù)傳輸或造成物理網(wǎng)絡(luò)損壞。

現(xiàn)在常用的數(shù)據(jù)接口協(xié)議有很多種，每種協(xié)議都是針對特定的應(yīng)用開的，具有特定的協(xié)議規(guī)范和結(jié)構(gòu)。接口包括CAN丄RS-232丄RS-485/RS-422、I²C、I²S、LIN、SPI和SMBus等。其中，RS-485和RS-422仍然是最可靠的協(xié)議之一，特別適合工廠和樓宇自動化等惡劣的工業(yè)電氣環(huán)境。

盡管RS-485與RS-422非常相似，但兩者不同。以下是這兩項標(biāo)準(zhǔn)之間的一些差異，設(shè)計系統(tǒng)時需要注意。RS-422最適合只需要一個總線主機(jī)(驅(qū)動器)的工業(yè)環(huán)境，提供高達(dá)10Mbps的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。RS-422使用兩根線發(fā)送信號，提高最大波特率和電纜長度。RS-422是為多點(diǎn)應(yīng)用設(shè)計的，總線上只連接一個發(fā)送器且只有一個發(fā)送器進(jìn)行發(fā)送，最多10個接收器(圖1)。典型應(yīng)用包括過程自動化(化工、釀造、造紙廠)、工廠自動化(汽車和金屬制造)、HVAC、安防、電機(jī)控制和運(yùn)動控制。

圖1. RS-422多點(diǎn)總線

當(dāng)需要多個總線主機(jī)/驅(qū)動器時，RS-485具有更高的靈活性。該標(biāo)準(zhǔn)在RS-422的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，將設(shè)備數(shù)量從10個提高到了32個，擁有更寬的共模和差分電壓范圍，確保在最大負(fù)載下具有足夠的信號電壓。擁有這種增強(qiáng)的多點(diǎn)功能后，用戶可構(gòu)建連接到單個RS-485串口的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。較強(qiáng)的抗噪性和多點(diǎn)功能使RS-485成為工業(yè)應(yīng)用中的首選串行鏈路，可將多個分布式設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)連接到PC或者其它控制器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、HMI等類似操作。RS-485是RS-422的擴(kuò)展，因此所有RS-422設(shè)備均可通過RS-485進(jìn)行控制。

RS-485與RS-422的典型應(yīng)用相類似： 過程自動化( 化工、釀造、造紙廠) 、工廠自動化( 汽車和金屬制造)、HVAC、安防、電機(jī)控制和運(yùn)動控制。由于RS-485提高了靈活性，所以在兩者中更常見。

如上所述，TIA/EIA-485常被稱為RS-485，是工業(yè)中應(yīng)用最廣的接口。RS-485可用于長達(dá)4000英尺的距離和高達(dá)52 Mbps的速率，理想用于大型工廠環(huán)境，以支持工業(yè)自動化所需的高數(shù)據(jù)速率和長電纜距離。

RS-485接口可使用一對傳輸線工作在半雙工模式，或使用兩對線(4線)工作在全雙工模式，以同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。半雙工多點(diǎn)配置時可支持最多32個驅(qū)動器和多達(dá)32個接收器。市場上已經(jīng)出現(xiàn)具有1/4單位負(fù)載甚至1/8單位負(fù)載接收器輸入阻抗的新器件，例如MAX13448E，允許一條總線上掛接128至256個接收器。擁有這種增強(qiáng)的多點(diǎn)功能后，用戶可構(gòu)建大型RS-485串行設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。

圖2.工業(yè)應(yīng)用中常見的多點(diǎn)半雙工收發(fā)器系統(tǒng)

接收器輸入檢測靈敏度為±200mV，意味著接收器只有檢測到高于+200mV和低于-200mV的信號電平才識別為1或0位(圖3)。在±200mV范圍之內(nèi)的噪聲被有效屏蔽。差分信號有效消除共模噪聲。最小接收器輸入阻抗為12kΩ，驅(qū)動器輸出電壓最小值±1.5V、最大值±5V。

圖3. RS-485的最小總線信號電平

ESD是一種嚴(yán)重的工業(yè)問題，據(jù)估算每年造成數(shù)十億美元的損失。

在可能損壞硬件或?qū)?shù)字通信產(chǎn)生不利影響的環(huán)境條件下，為保證可靠操作，工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計師面臨諸多困難。

其中之一是工廠自動化領(lǐng)域的過程自動控制環(huán)節(jié)。過程控制器監(jiān)測、測量環(huán)境變量，并將執(zhí)行命令發(fā)送到控制或報警裝置。控制器大多基于微控制器設(shè)計，其架構(gòu)優(yōu)化滿足工廠和應(yīng)用的需求。這些系統(tǒng)中的點(diǎn)對點(diǎn)通信線路容易受惡劣電氣環(huán)境的影響。

工業(yè)應(yīng)用中使用的DC - DC轉(zhuǎn)換器包括高輸入電壓和隔離電源轉(zhuǎn)換器。許多應(yīng)用采用24V或48V DC分布式供電。總線電源降壓轉(zhuǎn)換至12V或5V后，再采用負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器提供必要的供電。用于遠(yuǎn)端傳感器和執(zhí)行器通信的網(wǎng)絡(luò)還需要保護(hù)措施，以防止瞬態(tài)、EMI以及地電位差的影響。

Maxim Integrated致力于保證工業(yè)應(yīng)用IC的可靠性，并且能夠承受惡劣的電氣環(huán)境。Maxim的RS-485收發(fā)器IC內(nèi)置保護(hù)功能，例如高ESD保護(hù)、高壓故障保護(hù)（防止較大電壓尖峰）和熱插拔功能，確保無誤碼數(shù)據(jù)傳輸。