盡管無線網絡越來越普及，有線串行網絡依然是最可靠、魯棒性最好的通信方式，特別是在惡劣環境下。對于工業和樓宇自動化等要求具備較高的抗干擾、抗靜電能力，以及高壓故障保護的應用環境，這類網絡能夠提供更有效通信，進而保障設備的正常運行時間。本指南回顧RS-485協議并討論其廣泛用于工業領域的原因，以及常見問題的解決途徑。

RS-485與RS-422

RS-485的特性使其成為惡劣工業環境下應用最廣的接口協議。
在惡劣的工業和樓宇自動化網中，RS-485收發器是實現串口通信最常見的物理層接口。該串行標準通過兩根線提供差分信號，實現工業應用所需的遠距離、高速率傳輸。RS-485標準提供的接口可承受惡劣環境。工業和樓宇自動化應用中最常見的問題之一是在快速切換電感負載、靜電放電以及工廠自動化設備運轉過程中頻繁的電壓浪涌，會產生較大的電氣特性瞬變，進而破壞數據傳輸或造成物理網絡損壞。

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現在常用的數據接口協議有很多種，每種協議都是針對特定的應用開的，具有特定的協議規范和結構。接口包括CAN、RS-232、RS-485/RS-422、I2C、I2S、LIN、SPI和SMBus等。其中，RS-485和RS-422仍然是最可靠的協議之一，特別適合工廠和樓宇自動化等惡劣的工業電氣環境。

盡管RS-485與RS-422非常相似，但兩者不同。以下是這兩項標準之間的一些差異，設計系統時需要注意。RS-422最適合只需要一個總線主機(驅動器)的工業環境，提供高達10Mbps的數據傳輸機制。RS-422使用兩根線發送信號，提高最大波特率和電纜長度。RS-422是為多點應用設計的，總線上只連接一個發送器且只有一個發送器進行發送，最多10個接收器(圖1)。典型應用包括過程自動化(化工、釀造、造紙廠)、工廠自動化(汽車和金屬制造)、HVAC、安防、電機控制和運動控制。

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圖1. RS-422多點總線

當需要多個總線主機/驅動器時，RS-485具有更高的靈活性。該標準在RS-422的基礎上進行改進，將設備數量從10個提高到了32個，擁有更寬的共模和差分電壓范圍，確保在最大負載下具有足夠的信號電壓。擁有這種增強的多點功能后，用戶可構建連接到單個RS-485串口的設備網絡。較強的抗噪性和多點功能使RS-485成為工業應用中的首選串行鏈路，可將多個分布式設備通過網絡連接到PC或者其它控制器，實現數據采集、HMI等類似操作。RS-485是RS-422的擴展，因此所有RS-422設備均可通過RS-485進行控制。

RS - 485 與RS - 422的典型應用相類似： 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、電機控制和運動控制。由于RS-485提高了靈活性，所以在兩者中更常見。

深入了解RS-485

如上所述，TIA/EIA-485常被稱為RS-485，是工業中應用最廣的接口。RS-485可用于長達4000英尺的距離和高達52 Mbps的速率，理想用于大型工廠環境，以支持工業自動化所需的高數據速率和長電纜距離。

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，以同時發送和接收數據。半雙工多點配置時可支持最多32個驅動器和多達32個接收器。市場上已經出現具有1/4單位負載甚至1/8單位負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。擁有這種增強的多點功能后，用戶可構建大型RS-485串行設備網絡，如圖2所示。

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圖2：工業應用中常見的多點半雙工收發器系統

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，驅動器輸出電壓最小值±1.5V、最大值±5V。

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圖3：RS-485的最小總線信號電平

工業環境帶來的挑戰

在可能損壞硬件或對數字通信產生不利影響的環境條件下，為保證可靠操作，工業系統設計師面臨諸多困難。

其中之一是工廠自動化領域的過程自動控制環節。過程控制器監測、測量環境變量，并將執行命令發送到控制或報警裝置。控制器大多基于微控制器設計，其架構優化滿足工廠和應用的需求。這些系統中的點對點通信線路容易受惡劣電氣環境的影響。

工業應用中使用的DC - DC轉換器包括高輸入電壓和隔離電源轉換器。許多應用采用24V或48V DC分布式供電。總線電源降壓轉換至12V或5V后，再采用負載點轉換器提供必要的供電。用于遠端傳感器和執行器通信的網絡還需要保護措施，以防止瞬態、EMI以及地電位差的影響。

Maxim Integrated致力于保證工業應用IC的可靠性，并且能夠承受惡劣的電氣環境。Maxim的RS-485收發器IC內置保護功能，例如高ESD保護、高壓故障保護（防止較大電壓尖峰）和熱插撥功能，確保無誤碼數據傳輸。

惡劣環境與系統保護

以下是R S - 4 8 5 收發器集成的保護功能。

增強ESD

兩種具有不同電勢的材料相互接觸時，會發生靜電放電(ESD，一種過壓故障)，儲存的靜態電荷發生轉移，產生火花。ESD火花往往是由于人與周圍環境的相互作用產生的。這些意外的火花會改變半導體器件的特性，使其性能下降或徹底損毀。在更換電纜甚至接觸到I/O端口時，ESD也會威脅到電子系統。伴隨這些日常事件產生的放電，可能會損毀接口IC，進而造成端口無效(圖4)。此類故障的代價可能非常昂貴—不但增加保修成本，降低產品的品質認知度。ESD是一種嚴重的工業問題，據估算每年造成數十億美元的損失。現場發生的ESD事件會造成個別元件失效，有時會引發災難性的系統故障。

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圖4. ESD保護性能不足的IC，很容易發生災難性的故障

外部ESD二極管和其它分立元件可用于保護數據線。許多IC集成一定程度的ESD保護，IC本身無需更多的外部保護。圖5所示為常見集成保護的簡化功能圖。信號輸入/輸出(I/O)上的電壓尖峰被箝位到VCC或GND，以保護內部電路。許多接口產品和模擬開關集成ESD保護，其設計符合IEC 61000-4-2標準。

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圖5：簡化的集成ESD保護電路

Maxim Integrated投入了大量精力開發具有可靠ESD保護的IC。從RS-232和RS-485接口IC開始，Maxim已經成為接口收發器E S D保護領域的領導者。這些器件的I/O引腳可承受IEC61000-4-2標準規定的ESD沖擊，非常可靠，無需外部元件，且成本低于絕大多數替代方案。

Maxim器件的所有引腳均采用ESD保護架構，在處理和組裝期間提供靜電放電保護。具有高E S D保護的器件，例如MAX3483AE/MAX3485AE系列，其發送器輸出和接收器輸入提供高達±20kV ESD保護功能。這些收發器不但不會被低于其額定值的ESD尖峰損壞，而且在靜電沖擊后無需斷電或重啟即可繼續正常工作。此外，在上電、斷電及關斷模式下均提供ESD尖峰保護。

故障保護

工業網絡應用中，RS-485器件的驅動器輸出/接收器輸入經常遭受瞬態高壓(電壓超出了EIA/TIA-485標準規定的-7V至+12V范圍)沖擊。此類故障不同于ESD事件。ESD事件的持續時間較短，小于100ns，而電壓故障通常持續較長時間，大約為200μs或更長。過壓等故障可能是由于接線錯誤、連接松散、電纜擠壓等故障造成的，甚至是PCB或連接器中的焊料碎屑造成電源線與數據短接。許多工業電源超過+20V，所以這種現象可能是災難性的。與數據線的任何接觸可能都會造成標準、沒有保護的RS-485收發器損壞。

為預防這些故障，普通的RS-485器件需要昂貴的分立式外部保護電路或器件。具有故障保護功能的RS-485收發器提供通信總線上高達±40V、±60V甚至±80V的過壓保護。Maxim提供許多具有故障保護功能的RS- 4 8 5 /RS-422收發器，例如MAX13442EMAX13444E，數據引腳可承受高直流電壓。為降低系統復雜度，省去外部保護，此類故障保護器件的驅動器輸出和接收器輸入可承受高達±80V(相對于地)的故障電壓，不會造成損壞。無論器件處于工作狀態、關斷模式還是沒有供電，均能保證有效保護。這使其成為業界最可靠的收發器，理想用于工業應用。這些器件的設計可承受過壓故障，例如直接短路到電源、接線錯誤、連接器故障、電纜碾壓以及錯誤使用工具等。

真失效保護接收器

許多RS-485收發器的重要特性之一是真失效保護，該功能可保證接收器在輸入開路時或端接總線的所有發送器被禁止(高阻態)時，輸出為邏輯高電平。真失效保護通過將接收器輸入門限更改為略低的-50mV和-200mV負差分電壓， 解決了總線跌落問題。通過將接收器輸入門限設置
為-50mV和-200mV之間，確保邏輯高電平輸出。如果差分接收器輸入電壓(VA - VB)大于或等于-50mV，RO輸出為邏輯高電平；如果(VA - VB)小于或等于-200mV，RO輸出為邏輯低電平。當掛接在終端匹配總線上的所有發送器都禁止時，接收器差分輸入電壓將通過匹配電阻拉至地，失效保護確保接收器輸出邏輯高電平，噪聲裕量為50mV (最小)。與以往的失效保護器件不同，-50mV至-200mV門限電壓滿足EIA/TIA-485標準規定的±200mV。

熱插拔功能

熱插拔電路可消除電路初始化過程中或連接到帶電背板時數據電纜的錯誤跳變；短路限流和熱關斷保護電路可以使驅動器不受大功率損耗的損害。

將電路板插入到帶電背板時，可能會在DE、DE/RE、RE以及接收器輸入A、B線上引起較大的電壓瞬變，從而造成數據通信故障。例如，電路板插入時，處理器執行上電序列。在此期間，輸出驅動器的高阻態不能將收發器的使能輸入驅動至預定邏輯電平。同時，高阻輸出高達10μA的漏電流，或者VC C或G N D的容性耦合噪聲，可能造成輸入漂移到不正確的邏輯狀態。為防止發生此類問題，MA X 3 4 4 0 E -MA X 3 4 4 3 E在DE、DE/RE和RE端增加了熱插拔保護電路，防止在熱插拔條件下錯誤地激活驅動器。VCC升高時，熱關斷(或RE上拉)電路使DE保持至少10μs的低電平狀態，直到DE電流超過200μA。完成初始上電過程后，下拉電路不起作用，并復位熱插拔輸入。

內部熱插拔電路的工作原理是什么？驅動器使能輸入(DE)由兩個nMOS器件M1和M2 (圖6)構成。當VCC由零開始上升時，內部15μs定時打開M2，觸發SR鎖存器，而鎖存器又同時打開M1。晶體管M2 (2mA流入電流源)和M1 (100μA流入電流源)通過5.6kΩ電阻將DE拉至GND。M2將DE拉至禁止狀態，防止最高100pF的外部寄生電容將DE驅動為高電平。15μs后，定時器斷開M2，M1保持導通，使DE保持低電平，防止三態漏電流將DE驅動到高電平。M1保持導通，直到外部電流源達到所要求的輸入驅動電流。此時，復位SR鎖存器，M1關斷。M1關閉時，DE恢復為標準高阻CMOS輸入。一旦VCC下降至1V以下，即復位輸入。對于RE，互補電路利用兩個pMOS器件將RE拉高至VCC。

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圖6. 驅動器使能引腳(DE)簡化結構

總結

工廠自動化等工業系統應用容易受惡劣電氣環境的影響。對于系統級設計師來說，開發能夠承受此類工作環境的硬件時，綜合考慮各種原因的電壓瞬變至關重要。大多數數據通信網絡借助RS-485協議標準的可靠性，以及收發器IC的特殊安全功能，可以勝任此類工作。諸如外部ESD保護、高壓故障保護以及熱插拔等結構可預防故障的發生，有助于保證系統可靠性。