在工控行業(yè)中，RS485 憑借其抗噪音抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)以及支持多點(diǎn)通信等顯著優(yōu)勢(shì)，成為了首選的串行接口。RS485 規(guī)定采用兩線制進(jìn)行半雙工多點(diǎn)通信，通過(guò)兩線差分信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)，具備出色的抗共模干擾能力。不過(guò)，由于其半雙工模式的特性，在通訊時(shí)需要進(jìn)行收發(fā)狀態(tài)的切換。下面，我們將詳細(xì)探討目前常用的幾種 RS485 收發(fā)切換方案。

常見(jiàn) RS485 應(yīng)用電路類型

1. 傳統(tǒng) RS485 電路（帶收發(fā)控制腳非隔離 RS - 485 電路）
   傳統(tǒng)的 485 應(yīng)用電路采用 3 線控制，分別為 UART_RXD、UART_TXD 和收發(fā)控制端 UART_CON。其控制策略明確：當(dāng) UART_CON 為低電平時(shí)，485 處于接收狀態(tài)；當(dāng) UART_CON 為高電平時(shí)，485 處于發(fā)送狀態(tài)。通過(guò)靈活切換 UART_CON 的電平，即可實(shí)現(xiàn) 485 收發(fā)狀態(tài)的切換。這種電路雖然原理簡(jiǎn)單，但在編程時(shí)需要對(duì)控制端電平進(jìn)行切換，增加了程序的復(fù)雜度。

1. 硬件自收發(fā)切換非隔離 RS - 485 電路
   為了簡(jiǎn)化編程，人們常常將電路改進(jìn)為自動(dòng)收發(fā)電路。這種采用分立元件搭建的非隔離自動(dòng)收發(fā) RS485 電路，其優(yōu)點(diǎn)在于控制簡(jiǎn)單，收發(fā)控制腳無(wú)需程序干預(yù)。然而，它也存在一定的局限性。受三極管切換速度、收發(fā)器內(nèi)部接口阻抗等因素的影響，分立元件搭建的自動(dòng)收發(fā)切換電路會(huì)降低系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的最大波特率。

1. 收發(fā)切換隔離 RS485 電路
   帶有隔離電路的 485 設(shè)計(jì)是最為穩(wěn)定的方案，但需要選擇隔離 485 芯片以及隔離電源，因此成本相對(duì)前兩種方案會(huì)高很多。不過(guò)，從系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性角度來(lái)看，這種方案在一些對(duì)穩(wěn)定性要求極高的場(chǎng)合具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。

485 硬件收發(fā)切換電路實(shí)例

這里介紹一個(gè)采用 MAX485 芯片的 485 硬件收發(fā)切換電路實(shí)例。該電路使用 NPN 三極管進(jìn)行收發(fā)切換。控制原理如下：MCU 的 UART 的 TX 和 RX 引腳需要連上拉電阻（TX 和 RX 在沒(méi)有通信時(shí)均為高電平），這樣可以防止剛上電時(shí) TX 和 RX 引腳電平不穩(wěn)定，從而避免收到擾亂數(shù)據(jù)。同時(shí)，A 上拉電阻、B 下拉電阻，終端并聯(lián) 120 歐姆電阻，D10、D11、D12 為三個(gè)防雷防浪涌的 TVS 管，起到保護(hù)電路的作用。

• 接收過(guò)程：默認(rèn)沒(méi)有數(shù)據(jù)時(shí)，UART_TX 為高電平，三極管導(dǎo)通，MAX485 芯片 RE 低電平使能，RO 接收數(shù)據(jù)使能。此時(shí)，從 485AB 口收到的數(shù)據(jù)會(huì)通過(guò) RO 通道傳到 MCU，完成數(shù)據(jù)接收過(guò)程。
• 發(fā)送過(guò)程：當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，UART_TX 會(huì)有一個(gè)下拉的電平，表示開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)，此時(shí)三極管截止，DE 為高電平發(fā)送使能。當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)‘0’時(shí)，由于 DI 口連接地，數(shù)據(jù)‘0’就會(huì)傳輸?shù)?AB 口，A - B <0，完成低電平的傳輸。當(dāng)發(fā)送‘1’時(shí)，三極管導(dǎo)通，按理說(shuō) RO 使能，但由于此時(shí)還處在發(fā)送數(shù)據(jù)中，MAX485 處于高阻態(tài)，此時(shí)的狀態(tài)由 A 上拉 B 下拉電阻決定，A - B> 0，完成高電平的傳輸。這里可能會(huì)有人疑惑，發(fā)送數(shù)據(jù)‘1’時(shí)，三極管導(dǎo)通 RE 低電平有效，應(yīng)該是接收使能，為什么芯片會(huì)是高阻狀態(tài)呢？這是因?yàn)?UART 發(fā)送數(shù)據(jù)有一定的格式，數(shù)據(jù)以 “位” 為最小單位進(jìn)行傳輸。在收發(fā)數(shù)據(jù)之前，UART 之間要約定好數(shù)據(jù)的傳輸速率（即每位所占據(jù)的時(shí)間，其倒數(shù)為波特率）、數(shù)據(jù)的傳輸格式（有多少數(shù)據(jù)位、是否有校驗(yàn)位、奇校驗(yàn)還是偶校驗(yàn)、是否有停止位）。平時(shí)數(shù)據(jù)線處于 “空閑狀態(tài)”（1 狀態(tài)），當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，TX 由‘1’變?yōu)椤?’維持 1 位的時(shí)間，接收方檢測(cè)到開(kāi)始位后，再等待 1.5 位時(shí)間就開(kāi)始一位一位地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。也就是說(shuō)，已經(jīng)確定好發(fā)送狀態(tài)，電路發(fā)送‘1’時(shí) RE 雖然有效，但由于處于發(fā)送階段，芯片不會(huì)接收數(shù)據(jù)，即處于高阻狀態(tài)。

其他常見(jiàn) RS485 電路類型

1. 基本的 RS485 電路
   基本的 RS485 電路采用 3 線控制，R/D 為低電平時(shí)，發(fā)送禁止，接收有效；R/D 為高電平時(shí)，則發(fā)送有效，接收截止。上拉電阻 R7 和下拉電阻 R8 用于保證無(wú)連接的 SP485R 芯片處于空閑狀態(tài)，提供網(wǎng)絡(luò)失效保護(hù)，提高 RS485 節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)的可靠性。R7、R8、R9 這三個(gè)電阻的大小需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整，特別是使用 120 歐或更小的終端電阻時(shí)，R9 可以省略，此時(shí) R7、R8 使用 680 歐電阻。正常情況下，一般 R7 = R8 = 4.7K，R9 可不使用。圖中鉗位于 6.8V 的管 V4、V5、V6 用于保護(hù) RS485 總線，避免受外界干擾，也可以選擇集成的總線保護(hù)原件。另外，L1、L2、C1、C2 為可選安裝原件，用于提高電路的 EMI 性能。
2. 帶隔離的 RS485 電路
   帶隔離的 RS485 電路根本原理與基本電路相似，但使用 DC - DC 器件可以產(chǎn)生一組與微處理器電路完全隔離的電源輸出，用于向 RS485 收發(fā)器提供 + 5V 電源。不過(guò)，電路中的光耦器件速率會(huì)影響 RS485 電路的通信速率。例如，選用 NEC 的光耦 PS2501 時(shí)，該電路的通訊速率需控制在 19200bps 以下。
3. 自動(dòng)切換電路
   自動(dòng)切換電路中，TX、RX 引腳均需要上拉電阻。接收時(shí)，默認(rèn)沒(méi)有數(shù)據(jù)，TX 為高電平，三極管導(dǎo)通，RE 為低電平使能，RO 收數(shù)據(jù)有效，MAX485 為接收態(tài)。發(fā)送時(shí)，TX 會(huì)先有一個(gè)下拉的電平（起始位 - 由高向低），表示開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)，此時(shí)三極管截止，DE 為高電平發(fā)送使能。當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù) “0” 時(shí)，由于 DI 接口相當(dāng)于接地，數(shù)據(jù) “0” 就會(huì)傳輸?shù)?AB 口，A - B < 0，完成低電平傳輸；當(dāng)發(fā)送 “1” 時(shí)，三極管導(dǎo)通，按理說(shuō) RO 會(huì)使能，但由于還處于發(fā)送數(shù)據(jù)中，MAX485 處于高阻態(tài)，此時(shí)的狀態(tài)由 A 上拉、B 下拉電阻決定，A - B > 0，完成高電平的傳輸。同樣，這里發(fā)送數(shù)據(jù) “1” 時(shí)芯片處于高阻態(tài)的原因也是由于 UART 發(fā)送數(shù)據(jù)的格式規(guī)定。

RS485 常見(jiàn)問(wèn)題及解決方法

1. 節(jié)點(diǎn)故障影響其他節(jié)點(diǎn)通信
   問(wèn)題表現(xiàn)為 485 總線在通訊中，當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，其他一些節(jié)點(diǎn)會(huì)受到影響，出現(xiàn)通信故障。解決方法是在每個(gè)節(jié)點(diǎn)的 AB 線上串入一個(gè) 22 歐姆左右的電阻，同時(shí)在協(xié)議的編制上一定要考慮到故障偵測(cè)和報(bào)警功能，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理問(wèn)題。
2. 總線處于不確定狀態(tài)
   當(dāng) 485 總線處于開(kāi)路（485 收發(fā)器與總線斷開(kāi)）或者空閑狀態(tài)（485 收發(fā)器全部處于接收狀態(tài)，總線沒(méi)有收發(fā)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)）時(shí)，485 總線的差分電壓基本為 0，此時(shí)總線就處于一個(gè)不確定的狀態(tài)。解決方法是在 485 總線上增加上下拉電阻（通常 A 接上拉電阻，B 總線下拉電阻，一般為 1K 左右）。其理論依據(jù)是，根據(jù) RS - 485 標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng) 485 總線差分電壓大于 + 200mV 時(shí)，485 收發(fā)器輸出高電平；當(dāng) 485 總線差分電壓小于 - 200mV 時(shí)，485 收發(fā)器輸出低電平；當(dāng) 485 總線上的電壓在 - 200mV ~ + 200mV 時(shí)，485 收發(fā)器可能輸出高電平也可能輸出低電平，但一般總處于一種電平狀態(tài)。若 485 收發(fā)器的輸出低電平，對(duì)于 UART 通信來(lái)說(shuō)是一個(gè)起始位，此時(shí)通信會(huì)不正常。