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RS-485由電信行業(yè)協(xié)會(huì)和電氣工業(yè)聯(lián)盟于1983年制定。RS-485是一種差分信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，它定義了用于實(shí)現(xiàn)平衡多點(diǎn)傳輸線的驅(qū)動(dòng)器和接收器的電氣特性。該標(biāo)準(zhǔn)旨在作為諸如DLT-645、DMX-512、Modbus等更高層級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的物理層參考，并且因其強(qiáng)大的電氣特性而廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。
RS-485允許在多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行串行通信。其中的一些例子包括從發(fā)送端產(chǎn)生的最小所需信號(hào)幅度、接收器的輸入靈敏度以及接收器的輸入阻抗。該標(biāo)準(zhǔn)未對(duì)電纜、連接器和數(shù)據(jù)協(xié)議進(jìn)行定義，這為系統(tǒng)設(shè)計(jì)者提供了靈活性。
RS-485是一種平衡傳輸標(biāo)準(zhǔn)，這意味著它需要兩條信號(hào)線，其電壓彼此相反。這為信號(hào)完整性帶來了兩個(gè)優(yōu)勢(shì)。首先，由于這兩條信號(hào)線采用雙絞線電纜，來自外部源的噪聲作為共模噪聲同等地耦合到兩條信號(hào)線上，而共模噪聲又會(huì)被差分接收器抑制。
其次，由于兩條信號(hào)線彼此反向切換，每條線發(fā)出的電磁場(chǎng)也相互相反，有助于衰減發(fā)出的噪聲。
RS-485支持通過兩根線進(jìn)行多點(diǎn)雙向通信，這有助于降低電纜成本，而且RS-485驅(qū)動(dòng)器需要將大的差分信號(hào)驅(qū)動(dòng)到RS-485負(fù)載中。這使得信號(hào)能夠長(zhǎng)距離傳輸，同時(shí)仍然足夠大，以便接收器能夠準(zhǔn)確解讀。RS-485驅(qū)動(dòng)器和接收器還需要在負(fù)7V到12V的共模范圍內(nèi)工作。相對(duì)于其他接口標(biāo)準(zhǔn)，這使得在存在較大接地電位偏移的情況下仍能保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，也可能延長(zhǎng)RS-485傳輸線的可操作距離。
一條RS-485總線由多個(gè)收發(fā)器并聯(lián)連接到一根總線電纜上組成。為了消除線路反射，每根電纜的末端都連接有一個(gè)終端電阻，標(biāo)記為RT，其值與電纜的特性阻抗（標(biāo)記為Z0）相匹配。這種方法稱為并聯(lián)終端匹配，能夠在較長(zhǎng)的電纜長(zhǎng)度下實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率。
圖A展示了一個(gè)典型的半雙工RS-485總線配置。半雙工，即兩線制總線，由多個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器并聯(lián)連接到一對(duì)單線上組成。在半雙工通信中，一個(gè)收發(fā)器要么正在發(fā)送數(shù)據(jù)，要么正在接收數(shù)據(jù)，但不能同時(shí)進(jìn)行。在任何時(shí)候，連接到總線上的只有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器可以處于活動(dòng)或啟用狀態(tài)。多個(gè)活動(dòng)驅(qū)動(dòng)器將導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，并可能損壞收發(fā)器。
圖B展示了一個(gè)典型的全雙工RS-485總線配置。全雙工，即四線制總線，采用主從配置方式連接，其中主節(jié)點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)器并聯(lián)連接到一對(duì)單線上的所有從節(jié)點(diǎn)接收器，而主節(jié)點(diǎn)的接收器則并聯(lián)連接到另一對(duì)單線上的所有從節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)器。獨(dú)立的總線電纜允許主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)之間同時(shí)進(jìn)行雙向通信。
在要求低數(shù)據(jù)速率的應(yīng)用中，半雙工配置通常因其較低的電纜成本而更受青睞。全雙工網(wǎng)絡(luò)由于能夠同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，因此能夠適應(yīng)需要更高帶寬的應(yīng)用。一個(gè)RS-485驅(qū)動(dòng)器由兩對(duì)晶體管和二極管組成。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，D輸入引腳上的邏輯電平決定了哪一對(duì)晶體管被偏置，并且可以像H橋一樣在負(fù)載的任一方向上驅(qū)動(dòng)電流。從引腳A到引腳B測(cè)量的負(fù)載電阻上的電壓降被稱為驅(qū)動(dòng)器的差分輸出電壓。
回想一下，我們?cè)岬津?qū)動(dòng)器能夠雙向驅(qū)動(dòng)電流。這意味著，相對(duì)于引腳A，差分輸出電壓可能為負(fù)，就像右邊的圖中所示那樣。在理想情況下，驅(qū)動(dòng)器的差分電壓將覆蓋整個(gè)VCC電壓范圍。但由于驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)，二極管和晶體管上存在電壓降，這會(huì)降低差分電壓。
因此，驅(qū)動(dòng)器的總差分電壓等于高電壓減去二極管的兩個(gè)電壓降，再減去晶體管上的兩個(gè)電壓降。為了使RS-485驅(qū)動(dòng)器符合RS-485規(guī)范，所有驅(qū)動(dòng)器都必須能夠在54Ω的電阻上產(chǎn)生至少1.5V的差分輸出電壓。
驅(qū)動(dòng)器的簡(jiǎn)化模型如圖所示，其中引腳A和B在負(fù)載電阻上產(chǎn)生電壓差。但引腳A和B的電壓是電壓差的正負(fù)一半再加上一個(gè)偏移電壓。
RS-485接收器會(huì)衰減傳輸信號(hào)，這些信號(hào)通常超出了接收器電源電壓的范圍，將其衰減到電源電壓范圍內(nèi)的電平。由于總線上各接收器之間可能存在接地電位差，設(shè)備的A和B端子上可能會(huì)出現(xiàn)低至負(fù)7V、高至12V的電壓。衰減系數(shù)通常約為10比1。所以，實(shí)際出現(xiàn)在比較器輸入端的電壓電平處于設(shè)備的工作范圍內(nèi)。
正電壓輸入閾值（VIT+）是這樣一個(gè)值：當(dāng)電壓輸入差（VID，即VA減去 VB）大于或等于正電壓輸入閾值（VIT+）時(shí)，接收器輸出必須為高電平。TIA/EIA-485A標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，接收器的正輸入閾值（VIT+）應(yīng)不大于正200mV。
負(fù)電壓輸入閾值是這樣一個(gè)值：當(dāng)電壓輸入差（VID）小于或等于負(fù)電壓輸入閾值（VIT-）時(shí)，接收器輸出必須為低電平。TIA/EIA-485A標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，接收器的負(fù)輸入閾值（VIT-）應(yīng)不小于負(fù)200mV。
當(dāng)負(fù)電壓輸入閾值（VIT-）小于或等于電壓輸入差（VID）且VID小于或等于正電壓輸入閾值（VIT+）時(shí)，接收器的輸出狀態(tài)是不確定的?，F(xiàn)代收發(fā)器的正電壓輸入閾值（VIT+）小于或等于0V。這是為了確保在總線短路、開路和空閑等情況下，接收器在不使用外部故障安全電阻的情況下輸出高電平故障安全信號(hào)。外部故障安全電阻會(huì)增加總線上的共模負(fù)載。因此，通過使用具有集成故障安全保護(hù)偏移接收器輸入閾值的收發(fā)器，可以將更多的接收器連接到總線上。
在總線短路情況下，接收器的A和B輸入端子短路在一起，產(chǎn)生的差分輸入電壓（VID）為0V，接收器輸出為高電平。在總線開路情況下，A和B端子處于懸浮狀態(tài)，接收器比較器的輸入由接收器輸入偏置網(wǎng)絡(luò)決定，它們是相等的，產(chǎn)生的差分輸入電壓（VID）為0V，接收器輸出為高電平。
在總線空閑情況下，沒有驅(qū)動(dòng)器主動(dòng)在任一條總線上建立電位。由于在這種情況下沒有電流流動(dòng)，終端電阻上的差分電壓為0V，產(chǎn)生的差分輸入電壓（VID）為0V，接收器輸出為高電平。
遲滯電壓（VHYS）規(guī)定了正電壓輸入閾值（VIT+）與負(fù)電壓輸入閾值（(VIT-）之間差值的最小值。遲滯電壓（VHYS）的最小值規(guī)定了在信號(hào)切換過程中，接收器能夠保證不受影響的最大差分噪聲值。
TIA/EIA-485A標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，符合要求的RS-485驅(qū)動(dòng)器必須能夠在-7V到+12V的共模范圍內(nèi)，驅(qū)動(dòng)等效負(fù)載為32個(gè)單位負(fù)載接收器的情況下，產(chǎn)生1.8V的差分輸出電壓。
一個(gè)單位負(fù)載相當(dāng)于在12V電壓下1mA的輸入漏電流，即12KΩ的阻抗?，F(xiàn)代收發(fā)器具有更高的接收器輸入阻抗，這使得總線上能夠接入更多的收發(fā)器。
下表列出了不同接收器特性對(duì)應(yīng)的單位負(fù)載、總線輸入漏電流以及等效輸入阻抗。從數(shù)據(jù)表中確定接收器負(fù)載時(shí)，總線輸入漏電流是最可靠的方法。
總結(jié)：RS-485作為一種廣泛應(yīng)用的差分信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，憑借其強(qiáng)大的電氣特性和多點(diǎn)雙向通信能力，在工業(yè)領(lǐng)域占據(jù)重要地位。其平衡傳輸設(shè)計(jì)有效抑制噪聲，確保信號(hào)完整性，并支持長(zhǎng)距離、高數(shù)據(jù)速率傳輸。通過半雙工與全雙工配置，RS-485靈活適應(yīng)不同帶寬需求。驅(qū)動(dòng)器與接收器的嚴(yán)格規(guī)范，保障了通信的可靠性與穩(wěn)定性，而高輸入阻抗特性則進(jìn)一步提升了系統(tǒng)靈活性，使得RS-485成為工業(yè)通信領(lǐng)域的優(yōu)選方案。
