图 1 三种接口标准的D-Sub连接器线序
图 2 RS232接口电平图形表示
1.1 RS232接口电平
图 2所示，RS232采用负逻辑电平，-3V ~ -15V表示逻辑“1”，+3V ~ +15V表示逻辑“0”。以本地接口为参考，TXD为发送信号，RXD为接收信号，都以地为参考，所以RS232接口通信至少需要TXD、RXD和GND三根线。1.2 差分接收器的输入阈值电压
图 3所示，TIA/EIA-485-A将双绞线差分对中的两个线路表示为同相端A和反相端B。当驱动器的输入端(Driver Input)接收到逻辑高电平（即DI = 1）时，则线路同相端A高于线路反相端B（表示为VIA - VIB > 200mV）；那么，接收器的输出端(Receiver Output)将输出逻辑高电平（即RO = 1）。当驱动器的输入端(Driver Input)接收到逻辑低电平（即DI = 0）时，则线路同相端A低于线路反相端B（表示为VIB - VIA > 200mV或VIA - VIB < -200mV）；那么，接收器的输出端(Receiver Output)将输出逻辑低电平（即RO = 0）。有关车分接收器的真值表，请参见表3；若 -200mV < VIA - VIB < 200mV，接收端无法正确识别“1”和“0”。
图 3 差分驱动器和接收器
1.3 RS422与RS485的区别
RS422标准规定为单工多分支标准（点对多的双向通信），意味着只能将1个驱动器和最多10个接收器连接到同一总线，接收器之间无法通信。如果需要在同一总线上连接多个驱动器，则推荐RS485标准。RS485规定为多点标准，意味着可在同一总线上连接最多32个收发器。RS422标准规定数据速率最高10 Mbps，线路长度最长4000英尺（约1.2 km）。共模电压VCM定义为A引脚和B引脚相对于信号地的平均电压( VCM = ( VIA + VIB ) / 2 )，RS422接收器可承受±7V的共模电压。RS422总线上放置10个接收器时，发生最大负载调节。RS422接收器的输入阻抗必须等于或大于4kΩ。RS485标准规定接收器的输入阻抗RIN必须等于或大于12 kΩ。图 4所示，MAX3080的输入阻抗最小值为96 kΩ。
图 4 MAX3080接收器输入阻抗
RS485的共模电压范围扩展为-7V至+12V，当收发器处于三态中的高阻态（即从机从总线上断开）时，必须能承受此共模电压范围。RS485必须有一个，当特定节点不传输时，能够从总线断开的驱动器。当驱动器输出使能(Driver Output Enable)引脚为有效高电平(DE = 1)时，使能驱动器；当该引脚为低电平( DE = 0)时，将驱动器置于高阻条件，从总线上有效断开，允许其他节点在该双绞总线上传输。RS485收发器还必须有/RE引脚，用于使能/非能接收器。DE (Driver Enable)和/RE (Receiver Enable)引脚相结合，可使RS485收发器处于低功耗关断模式，这对电池供电类应用非常重要，可以延长电池续航能力。1.4 RS422接口电路拓扑
图 5所示，是典型的RS422接口电路互连拓扑，一个驱动器对应多个接收器，120 Ω并联端接电阻接在距离驱动器最远的接收器输入端。实际上，并联端接电阻RT并非一定取值120 Ω，在满足接收端VIA - VIB > 200mV条件下（即VIA - VIB不落在不确定范围内），RT等于传输线的阻抗即可。
图 5 RS422典型接口电路拓扑
1.5 RS485接口电路拓扑
图 6所示，是半双工RS485接口电路互连拓扑，总线链路上有多个驱动器和接收器，每个节点既可以发送数据又可以接收数据（即允许数据双向传输），但每次只允许一个节点发送数据，其余节点处于接收数据状态，称为“半双工模式”，因此RS485收发器必须具有驱动器使能引脚DE和接收器使能引脚/RE。
图 6 半双工RS485接口电路拓扑图 7所示，是全双工RS485接口电路互连拓扑，允许主从节点之间双向同时通信。注意与其他如SPI总线协议中“Master主机”和“Slave从机”概念上的区别。
图 7 全双工RS485接口电路拓扑
1.6 单位负载
RS485标准规定接收器的输入阻抗RIN必须等于或大于12 kΩ（该参数一般会在Datasheet中“DC ELECTRICAL CHARACTERISTICS”栏中说明），此阻抗被定义为1个单位负载(Unit Load, UL)。标准RS485驱动器最多能够驱动32 UL。部分RS485接收器具有1/2 UL（最小输入阻抗24 kΩ），或1/4 UL（最小输入阻抗48 kΩ），或1/8 UL（最小输入阻抗96 kΩ）(参考图4）；若某接收器额定具有1/4 UL，意味着该接收器仅以1/4个标准UL向总线提供负载，因此可将多达4倍数量的该接收器连接到总线（4*32=128节点）。1.7 连接器类型
由于RS422和RS485接口标准并未对所采用的连接器型号做规定，一般有两种选择，一种是如图 1所示的D-Sub连接器，另一种是因特网所用的RJ45连接器。D-Sub连接器物理尺寸较大些，电缆制作过程较复杂些。RJ45连接器物理尺寸较小些，电缆选择普通网线即可（但要保证特征阻抗在100 Ω左右，加上直流电阻，总体阻抗在120 Ω左右，是为保证更好的信号质量；双绞线的特征阻抗与导线直径、导线间距及导线上的绝缘类型有关，与导线长度无关；导线的电阻与长度有关），压线相对简单，应用较多些。目前，RS232仍使用9针D-Sub连接器，又称DB9连接器。2 应用电路举例
图 8所示，是MAX3490 RS422典型应用电路，或者说是将MCU的单端UART信号转换成差分信号，以此增强信号抗干扰能力。图9所示，是MAX3491 RS485典型应用电路。(1) 接口保护用途的TVS管D1-4，通常用最大反向工作电压VRWM为5.0V的双向TVS管（如Diodes SMBJ5.0CA），PCB Layout时靠近物理接口放置。
说明：有人可能担心5.0V耐压的TVS可能有些小，是因为此例中的供电为3.3V，使用5.0V耐压的TVS已经够用了。如果要考虑输入端和输出端共模电压的话，可以选择12V以上耐压的TVS元件。
(2) DI和RO引脚都使用10k电阻上拉R1和R2，是为防止误触发，产生误动作，因为“UART以一个前导“0”触发一次接收动作”。
(3) 图8所示，差分接收器的端接电阻R7一般取值120 Ω，来源于通常RS422/485传输线所用的特征阻抗约为120 Ω。图 6和图7所示的RS485多点应用中，若在SCH&PCB设计时不清楚后期现场布线中哪两个设备距离最远，可在所有差分接收端都预留120 Ω端接电阻，以便后期现场应用时通过拨码开关选择性接入。
(4) 由于RS422/485差分接收器的特性是，VIA - VIB的绝对值必须大于200 mV，否则无法正确识别高低电平。所以，图8所示，当使用3.3V电源时，故障安全偏置电阻R5和R6最大取值为930 Ω；当使用5.0V电源时，R5和R6最大取值为1440 Ω。
说明：故障安全偏置电阻，是为了解决“总线空闲、开路或短路”情况下，接收端状态不确定的问题。由于RS422只支持点对点应用，且故障安全偏置电阻只需要在接收端使用，所以图8电路，R3-4不是必要的，R5-6是必要的，取值大小与所用电源大小呈正比，见下文“失效保护”章节(3.5 失效保护)说明。
(5) 图8所示，在RS422点对点应用中，两端的差分接收器都需要120 Ω并联端接电阻。
(6) 图7和图9所示，各支路的A&B引脚和Z&Y引脚都串联0R电阻，当某路故障时将RS485总线拉低时，逐一断开电阻，方便排查故障。
(7) SCH&PCB设计时，两个设备间的RS422/485通信线，除了两对差分线外，至少需要一根地线，防止共模电压超出规定的范围而导致通信故障。
(8) 有选择的情况下，RS422/485通信电缆中，信号线不应与电源线并行或尽量远离电源线，若无法避免，信号线最好使用带屏蔽的双绞线。且现场布线，采用菊花链拓扑，不采用星形或环形拓扑，以免因反射等因素导致通信错误。
图 8 MAX3490典型应用电路
图 9 典型的RS485接口电路
3 接口可靠性设计3.1 网络拓扑
图 5所示，是RS422典型接口电缆拓扑；图 6所示，是半双工模式的RS485接口电缆拓扑；图 7所示，是全双工模式的RS485接口电缆拓扑。不允许采用星形或环形拓扑，以免因反射等因素造成通信错误。3.2 电缆长度
对于RS422，数据速率/电缆长度的变化范围为90 kbps/4000英尺到10 Mbps/15英尺。图10提供了较为保守的数据速率与电缆长度变化曲线。
图 10 数据速率与电缆长度关系
3.3 支路长度
由于信号在总线拓扑中的支路上也有反射，会影响总线上的信号质量，所能允许的支路长度也和信号的转换时间、传输速率有关，下面的经验公式可用于估算支路的最大长度：Lmax = ( tRISE ns * 0.2 m/ns ) / 10 ( m ) (公式 1)这里，tRISE是驱动器的上升时间Rise time tDR或下降时间Fall time tDF（该参数一般在Datasheet “SWITCHING CHARACTERISTICS”栏中给出）。图11所示，以Maxim MAX3080为例，其上升时间典型值为1320 ns，应用 (公式 1) 计算出其分支长度最大值为26 m。
图 11 MAX3080驱动器上升和下降时间参数
3.4 阻抗匹配
差分对传输线路中存在两条线，一条将电流从驱动器载至接收器，另一条提供电流返回路径。传输线的基本原理对RS422和RS485依然适用，要实现可靠的通信，必须尽可能减少传输线中的反射，这就要求进行适当的电缆端接或阻抗匹配。是否需要对总线链路进行终端阻抗匹配，取决于数据传输速率、电缆长度等因素。在不确定是否需要端接的情况下，建议都做端接。图 5所示的RS422应用中，总线上只有一个驱动器，如需使用端接，必须将端接电阻置于距离驱动器最远的接收器的电缆末端。图 6和图 7所示的RS485应用中，端接电阻应置于主节点及距离主节点最远的从节点。一般情况下有三种常见端接方法：①电阻并联端接；②阻容并联端接；③二极管钳位并联端接。① 电阻并联端接图 5、图 6和图 7所示，跨接在线路A和线路B之间的并联电阻RT即是并联端接电阻。这种方法最简单，只需将端接电阻RT取值等于传输电缆的特征阻抗即可，一般取值120 Ω，因为多数双绞线的特征阻抗约在100 – 120Ω之间。缺点是，端接电阻上有较大的功耗，对电池供电类功耗限制较为严格的应用须平衡取舍。② 阻容并联端接/交流并联端接图 12所示，利用电容隔断直流成分可以节省大部分功耗，但电容取值是难点，需要在功耗和匹配后的信号质量之间折中考量。③ 二极管钳位端接图 13所示，这种方案虽未实现真正的阻抗匹配，但利用二极管的钳位作用迅速削弱反射信号，达到改善信号质量的目的，功耗降低效果显著。
图 12 阻容并联端接/交流并联端接
图 13 二极管钳位端接
3.5 失效保护
图 14 不带故障安全偏置的主/从RS485电路拓扑
图 15 带故障安全偏置的RS485电路图 14所示，是不带故障安全偏置的主/从RS485电路拓扑，一般用于异步数据传输（具体可参考ADI AN-960文档中“故障安全偏置”部分）。但在多点应用中，当没有器件驱动总线，总线上连接的收发器同时处于接收模式时，会产生问题。这种情况称为总线空闲条件，即总线上的差分电压(VOA - VOB)为0V。另外，总线开路或短路都有可能使差分电压(VOA - VOB)落在Noise Margin ±200 mV内。在总线空闲、开路或短路三个条件下，RS485标准并未定义接收器的输出(RO)，因此接收器输出端会产生随机数据（无效起始位、虚假中断和帧错误）。由于UART以一个前导“0”触发一次接收动作，所以此随机数据可能导致系统误动作。为解决上述问题（总线空闲或开路），传统做法是在接收器的端接电阻处同时放置上偏置电阻R1和下偏置电阻R2，即图 15所示的带故障安全偏置的RS485电路。注意：图 15中，R1和R2更偏向于是模拟电路中“偏置电阻”的概念，与数字电路中“上拉/下拉电阻”的概念有所区别。端接电阻仍然使用120Ω的话，若在此处应用“上拉/下拉电阻”的概念，且认为4.7kΩ和10kΩ没什么区别，将导致传输线上阻抗失配的情况，从而增加反射，降低信号质量，严重时通信异常。且该电阻与端接电阻不匹配，差分电压(VOA - VOB)落在Noise Margin ±200 mV内，也将导致通信异常。图 15所示，假设端接电阻RT=120Ω，偏置电阻R1和R2的阻值计算如下：R1=R2=RVIA-VIB= ( VCC / ( R1 + R2 + RT) )*RT ≥ 200 mV (公式 2)由以上得出 R ≤ ( ( VCC – 0.2 V) / 0.4 ) * RT (公式 3)，可见偏置电阻大小与电源VCC呈正比。当VCC = 5V时，电阻R ≤ 1440 Ω，即5V电源条件下的偏置电阻最大取值是1440Ω；当VCC = 3.3V时，电阻R ≤ 930 Ω，即3.3V电源条件下偏置电阻最大取值是930Ω。由 (公式 2) 可以看出，通过正确的偏置电阻取值，能够使VIA - VIB差值落在Noise Margin ±200 mV外，且偏置电阻R取值越小，VIA–VIB差值比200 mV越大，总线上可以得到更大的噪声裕量；但缺点是，此处偏置的直流功耗会更大，对电池供电类功耗限制较为严格的应用须平衡取舍。仍由(公式 2)可以看出，在VCC保持不变的情况下，若偏置电阻取值过大，将导致120 Ω端接电阻上的电流较小，当导致VIA - VIB差值落在Noise Margin ±200 mV左右时，通信不可靠；差值落在±200 mV内时，将无法正常通信。有关总线状态和差分输入电压的图形表示，请参考图 16所示。
图 16 差分输入电压和接收器输出状态但是，偏置电阻方法仍然无法解决总线短路问题。为此，如Maxim MAX3080系列RS422/485接口芯片将Noise Margin限制在-200 mV ~ -50 mV范围内（仍然兼容EIA/TIA-485标准的Noise Margin限制在±200 mV范围内），当VIA–VIB差值落在-50 mV ~ +200mV范围内时，接收器将输出高电平( RO = 1)，称为“真故障安全接收器(True Fail-Safe Receiver)”。不但可以省去外部偏置电阻，而且解决了总线短路情况下的失效保护问题。
3.6 电源和地
RS485总线上各收发器模块优先采用独立供电方案，或隔离供电方案（同时应将信号线通过光耦器件隔离，参考下文“隔离方案”部分）。有选择的情况下，RS485通信电缆中，信号线不应与电源线并行或尽量远离电源线，若无法避免，信号线最好使用带屏蔽的双绞线。典型的错误观点认为，RS485通信链路设备间不需要信号地。这将引起两个问题：共模干扰问题和电磁辐射问题。3.7 共模干扰——RS422/485需要地线的原因
RS485接口采用差分方式传输信号，并不需要相对于接地参考点来检测信号，系统只需检测两线之间的电位差就可以了，但应该注意的是，收发器只有在共模电压不超出一定范围（-7V至+12V）的条件下才能正常工作。当共模电压超出此范围就会影响通信的可靠，甚至损坏接口。图 17所示，当发送器A向接收器B发送数据时，发送器A的输出共模电压为VOS，由于两个系统具有各自独立的接地系统，存在着地电位差VGPD。那么，接收器B输入端的共模电压就会达到VCM = VOS + VGPD。RS-485标准规定VOS ≤ 3V，但VGPD可能会有很大幅度（十几伏甚至数十伏），并可能伴有强干扰信号，致使接收器共模输入VCM超出正常范围，并在信号线上产生干扰电流，轻则影响正常通信，重则损坏接口。因而通常做法是，将发送器A和接收器B系统工作数字地GND通过信号线直连（参考图 6和图 7），或通过屏蔽双绞线的屏蔽层直连。
图 16 地电位差导致的共模干扰问题
3.8 电磁干扰(EMI)
RS485能够实现较长距离通信的主要原因是，使用了平衡或差分线路，一路信号需要一对双绞线传输。由于差分对上耦合的噪声相同，因此具有增强的噪声性能。差分对内的信号反相，电磁场彼此抵消，这样降低了系统的电磁干扰(EMI)。这就是使用差分或平衡线路传输的原因。任何信号都可以表示成差模信号和共模信号的形式。在RS485应用中，驱动器输出信号中的共模部分需要低阻返回路径，即信号地。若无信号地低阻返回路径，共模部分会以反射的形式返回驱动端，总线就会像巨大的天线向外辐射电磁波，对电路系统其它部分构成电磁干扰。3.9 浪涌防护
在工业与仪器仪表应用(I&I)中，常需要在距离很远的多个系统之间传输数据，因而RS485总线标准是使用较为广泛的物理层总线标准之一。而雷击、电源波动、感应开关和静电放电会通过较大的瞬变电压对RS485收发器造成损害。IEC 61000-4-2 ESD保护、IEC 61000-4-4 EFT保护、IEC 61000-4-5浪涌保护技术规范适用于RS485收发器，如ADI ADM3072E等，在产品型号中加入“E”表示增强ESD保护。如果再使用TVS管等外部钳位器件，可进一步提升保护程度。在RS485应用中，TVS管的功能是将总线上的瞬态电压钳位至共模电压范围( -7V ~ +12V)内。
图 17 TVS管在RS485接口电路中的应用
3.10 隔离方案
如前文所述，RS485应用中通常使用较长链路，这会使总线上不同节点的地电位略有不同，从而导致地电流通过公共接地或地线流过最低电阻路径。若将总线上所有地直连，接地噪声可能会降低。但是，电机、开关及其他电噪声设备仍可能在系统内引起接地噪声。若无法保证总线上不同节点的地电位不会超出收发器的共模范围( -7V ~ +12V)，则电流隔离（不阻止信息流，只阻止电流）不失为一种理想的解决方案。隔离方案能够彻底消除共模电压的影响，通常有以下两种做法：第一，使用带隔离的电源芯片将MCU/UART的供电与RS485收发器的供电隔离，同时UART的两个信号线TXD和RXD用光耦器件隔离。第二，采用带隔离的收发器芯片，如ADI ADM2485（参考图 19），Maxim MAX1490EA（参考图 20，该方案的外围电路更简单，已经将隔离电源集成在芯片内部）。
图 18 采用ADM2485的信号隔离和电源隔离
图 19 带隔离的全双工RS422/485应用电路
3.11 其他注意事项
(1) RO端上拉异步通信数据以字节的方式传送，在每一个字节传送之前，先要通过一个低电平起始位实现握手（即前文所述“UART以一个前导“0”触发一次接收动作”）。为防止干扰信号误触发RO（接收器输出）产生负跳变，使接收端MCU进入接收状态，建议RO外接10 kΩ上拉电阻。(2) 调试电阻图 7所示，RS485电路中，若某支路收发器发生故障将总线拉低，为方便调试，电路设计时可在各支路收发器的A&B和Z&Y引脚都串接0 Ω电阻。当用示波器发现总线被拉低的故障时，可逐一将各收发器的串接电阻断开排查故障点。4 现场布线
有选择的情况下，RS485通信电缆中，信号线不应与电源线并行或尽量远离电源线，若无法避免，信号线最好使用带屏蔽的双绞线。图 21所示，现场布线应采用总线式或菊花链式拓扑，不允许采用星形或环形拓扑，以免因反射等因素造成通信错误。这里很重要的一点是，施工现场布线时，确定某个节点距离驱动端最远后，如何加入120 Ω端接电阻，其余节点作为总线上的支路，如何使它们没有这个120 Ω端接电阻。这个问题反馈到研发设计阶段，就需要有以下两点考虑：第一，在研发设计阶段（SCH设计、PCB设计），若能够确认后期现场布置设备时哪个节点距离驱动端最远，则该节点在进行SCH和PCB设计时，需要在RS422/RS485接口芯片输出端的差分线之间端接120R端接电阻，而挂在RS422/RS485总线上处于发送端和最远端之间的节点，差分线之间无需端接120R电阻，参考图 6和图 7。第二，若在研发阶段无法确定后期现场布置设备时哪两个设备（节点）处于总线的两端，哪些设备（节点）处于总线的中间，那么需要在所有RS422/RS485接口设备的422/485差分信号接收端端接120R电阻（PCB Layout时接口芯片尽量靠近板边的物理接口放置，以方便该端接电阻引出到设备外壳），并将该电阻通过拨码开关的形式引出到设备外壳，以方便现场布设人员进行可靠性更高的系统搭建。
图 21 RS485总线连接拓扑
5 维护说明 维护或检修RS422/RS485电路的常用方法如下：（1）若出现系统完全瘫痪，大多因为某节点芯片的VA、VB被电源击穿，使用万用表测VA、VB间差模电压为零，而对地的共模电压大于3V，此时可通过测共模电压大小来排查，共模电压越大说明离故障点越近，反之越远。（2）总线连续几个节点不能正常工作，一般是由其中某节点故障导致的。一个节点故障会导致邻近的2～3个节点（一般为后续）无法通信，因此将其逐一与总线脱离，如某节点脱离后总线能恢复正常，说明该节点故障。（3）集中供电的RS-485系统在上电时常常出现部分节点不正常，但每次又不完全一样。这是由于对RS-485的收发控制端TC设计不合理，造成微系统上电时节点收发状态混乱从而导致总线堵塞。改进的方法是将各微系统加装电源开关然后分别上电。（4）系统基本正常但偶尔会出现通信失败。一般是由于网络施工不合理导致系统可靠性处于临界状态，最好改变走线或增加中继模块。应急方法之一是将出现失败的节点更换成性能更优异的芯片。（5）尽管RS-485规定差模电压大于200mV即能正常工作。但实际测量：一个运行良好的系统其差模电压一般在1.2V左右（因网络分布、速率的差异有可能使差模电压在0.8~1.5V范围内）。
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