串行數據通信的協議從RS-232到千兆位以太網，雖然每種協議都有特定的應用領域，但任何情況下我們都必須考慮成本和物理層(PHY)性能。本文主要介紹RS-485協議及該協議所適合的應用。同時給出了根據電纜長度、系統設計以及元件選擇來優化數據速率的方法。

傳輸協議

什么是RS-485？Profibus又是什么？與其它串行協議相比，它們的性能如何？適用于哪些應用？為了回答這些問題，我們對RS-485物理層(PHY)、RS-232和RS-422的特性、功能進行了總體比較[1] (本文中的RS表示ANSIEIA/TIA標準)。RS-232是一個最初用于調制解調器、打印機及其它PC外設的通訊標準，提供單端20kbps的波特，后來速率提高至1Mbps。RS-232的其它技術指標包括：標稱±5V發送電平、±3V接收電平(間隔/符號)、2V共模抑制、2200pF最大電纜負載電容、300最大驅動器輸出電阻、3k最小接收器(負載)阻抗、100英尺(典型值)最大電纜長度。RS-232只用于點對點通信系統，不能用于多點通信系統，所有RS-232系統都必須遵從這些限制。

RS-422是單向、全雙工通信協議，適合嘈雜的工業環境。RS-422規范允許單個驅動器與多個接收器通信，數據信號采用差分傳輸方式，速率最高可達50Mbps。接收器共模范圍為±7V，驅動器輸出電阻最大值為100，接收器輸入阻抗可低至4k。

RS-485標準

RS-485是雙向、半雙工通信協議，允許多個驅動器和接收器掛接在總線上，其中每個驅動器都能夠脫離總線。該規范滿足所有RS-422的要求，而且比RS-422穩定性更強。具有更高的接收器輸入阻抗和更寬的共模范圍(-7V至+12V)。

接收器輸入靈敏度為±200mV，這就意味著若要識別符號或間隔狀態，接收端電壓必須高于+200mV或低于-200mV。最小接收器輸入阻抗為12k,驅動器輸出電壓為±1.5V (最小值)、±5V (最大值

驅動器能夠驅動32個單位負載，即允許總線上并聯32個12k的接收器。對于輸入阻抗更高的接收器，一條總線上允許連接的單位負載數也較高。RS-485接收器可隨意組合，連接至同一總線，但要保證這些電路的實際并聯阻抗不高于32個單位負載(375)。

采用典型的24AWG雙絞線時，驅動器負載阻抗的最大值為54，即32個單位負載并聯2個120終端匹配電阻。RS-485已經成為POS、工業以及電信應用中的最佳選擇。較寬的共模范圍可實現長電纜、嘈雜環境(如工廠車間)下的數據傳輸。更高的接收器輸入阻抗還允許總線上掛接更多器件。

Profibus和Fieldbus[2]總線主要用于工業設備，是RS-485總線的擴展。用于工業環境的傳感器測量、激勵控制、數據采集/顯示以及過程控制系統與傳感器、激勵源網絡之間的數據通信。

注意：老式或現有的工業設備布線架構比較復雜，不可替換。

Profibus和Fieldbus是對系統的整體描述。RS-485支持Profibus和Fieldbus協議的物理層接口標準。Profibus與Fieldbus存在細微的差異，Profibus要求2.0V的最小差分輸出電壓，54的負載電阻；Fieldbus則要求1.5V的最小差分輸出電壓，54的負載電阻。Profibus傳輸速率為12Mbps，Fieldbus的傳輸速率為500kbps。Profibus應用對擺率和電容容限要求比較嚴格。

最適合的應用領域？

RS-232：用于與調制解調器、打印機及其它PC外設之間的通信。最大電纜長度為100英尺(典型值)。

RS-422：適用于單主機(驅動器)工業環境。典型應用包括：過程自動化(化工、釀造、造紙)、工廠自動化(汽車制造、金屬加工)、HVAC、安防、電機控制、運動控制等。

RS-485：適用于多主機/驅動器工業環境。其典型應用與RS-422相似，包括：過程自動化(化工、釀造、造紙)、工廠自動化(汽車制造、金屬加工)、HVAC、安防、電機控制、運動控制。

哪些因素限制了RS-485的數據速率？

在指定的傳輸距離下，下列因素限制了傳輸速率：

電纜長度：在特定頻率下，信號強度會隨著電纜長度而衰減。

電纜架構：5類24AWG雙絞線是RS-485系統最常用的電纜，屏蔽電纜可大大增強噪聲抑制能力，提高了一定距離下的數據傳輸速率。

電纜特性阻抗：分布電容和分布電感會降低信號的邊沿速度，從而降低噪聲裕量、補償“眼圖模板”特性。分布電阻直接導致信號電平的衰減。

驅動器輸出阻抗：阻抗過高會限制驅動能力。

接收器輸入阻抗：阻抗過低會限制與驅動器通信的接收器數量。

終端匹配：長電纜可看作傳輸線。電纜上應接阻值等于電纜特性阻抗的終端匹配電阻，可以降低信號反射，并提高數據速率。

噪聲裕量：越大越好。

驅動器擺率：降低邊沿速率(降低信號擺率)允許采用較長的電纜進行通信。

經驗數據

了解了以上相關的背景知識，接下來我們研究一個實際系統，如圖1所示。圖中所示電纜是RS-485系統最為常用的一種：EIA/TIA/ANSI 568 5類雙絞線。在長度為300英尺至900英尺的電纜上可以獲得的數據速率為1Mbps至35Mbps。