基于Modbus协议的串口通讯程序——(RS485总线系统应用之3)

    在工业测控和数据采集系统的数据通信中，需要利用计算机通过串行接口与测控网中的设备进行数据或命令传输。截止到目前为止，被广泛应用的串行通信接口有RS-232、RS-485/422等。

    RS-232是最早的串行接口，应用于低波特率的串行通信。RS-232采取的是单端不平衡传输方式，其收发端的数据信号都是相对于地信号的，所以共模抑制能力差。再加上双绞线分布电容的影响，其最大传输距离仅为 15米，最高传输速率只有20kbit/s(=2560Byte/s)，并且只支持点对点通信。

为克服RS-232串口的通信距离短、波特率低的缺点，后来推出了RS-485/422接口标准(以下简称485总线)。由于485总线的先进性，很快在工业测控等领域得到了广泛地应用。

2. 485总线的特点

485总线采用了平衡发送和差分接收接口标准。在发送端将串行口的TTL电平信号转换成差分信号由A、B两线输出，经过双绞线传输到接收端后，再将差分信号还原成TTL电平信号。因此具有极强的抗共模干扰能力，加之总线收发器灵敏度很高，可以检测到低至200mV的电压。故传输信号经过千米以上的衰减后都可以完好恢复。在100kbit/s的传输速率下，通信距离可以达到1200米左右。如果通信距离较短，其最大传输速率可达10Mbit/s。如果需传输更长的距离，需要增加485中继器。RS-485采用半双工工作方式，支持多点数据通信。RS-485总线网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构。即采用一条总线将各个节点串接起来，不支持环形或星型网络。如果需要使用星型结构，就必须使用485中继器或者485集线器。RS-485/422总线一般最大支持32个节点，如果使用特制的485芯片，可以达到256个节点或更多。

3. 485总线布线规则

    为了避免数据传输错误，在485总线的布线设计和施工中，应特别注意以下几点：

　　①.由于485总线传送的是一对差分信号，485网络上各设备之间的数据传输线最好采用外加屏蔽层的双绞线，屏蔽层应在一个点可靠接地。

　　②.在工业现场应用中，如果现场干扰源非常复杂，各节点之间可能存在很高的共模电压。虽然485接口使用的是差分传输方式，具有抗共模干扰能力。但是当共模电压大于+12V或者小于-9V时，就超过了485接收器的极限接收电压，接收器将无法工作，甚至可能烧毁芯片和设备。此时，应在485总线网络中使用485光隔离中继器，从而消除共模电压的影响。

　　③.随着传输距离的延长，485总线网络上会产生回波反射信号。如果485总线的传输距离超过100米，建议在485网络的开始端和结束端并接120Ω电阻。

　　④.一般应采用手牵手的总线拓扑结构。最好不要采用星型拓扑结构。否则会产生反射信号，影响通信质量。要尽量减少节点设备与主干线路之间的距离，如果在实际应用中必须距离较远，应使用485中继器接出一个485总线的分支。如果实际应用中一定要使用星型拓扑结构，则必须使用485集线器。

⑤.必须重视485总线的负载能力，影响负载能力的因素有：接在主计算机串口的485转换器的供电能力，通讯距离，485数据线材的品质，波特率等。

无源型的485转换器是从计算机的串口窃电，供电力较差，带负载能力不足。如果485网络上的设备比较多，应使用带电源的485转换器。选用好的485专用通讯线缆，尽可能使用低的波特率。使用485中继器或者485集线器，都可以提高485总线的负载能力。

4. 485总线布线方法

    在485总线的简单应用中，一般采用总线型的拓扑结构布线方式。但是在比较复杂的系统中，总线型拓扑结构的布线施工不但非常繁琐，而且还浪费了大量的连线。灵活利用485集线器或485中继器，可以将总线型的拓扑结构连接成星形或树型的拓扑结构。大大的方便了前期施工和后期的维修工作。

 

485总线星形拓扑结构

485总线树型拓扑结构

5. 120Ω电阻的连接方法

    在485总线的实际应用中，当传输距离超过一定的长度时，总线的抗干扰能力就会出现下降，在这种情况下，就要在485总线的首尾两端接入120欧姆的终端匹配电阻，以保证485总线的稳定性。[page]

　　终端匹配电阻的正确接法是在485总线的首端的设备的出口和末端的设备的入口上各接一个120欧姆的终端电阻，该电阻并接在485总线的正负两线之间。如下图所示：

单独使用232转485转换器时终端匹配电阻的接法

加接485中继器时终端匹配电阻的接法

使用485集线器时终端匹配电阻的接法

参考文献：

① 《微型计算机原理与接口技术》 中国科学技术大学出版社  作者： 周荷琴吴秀清

② 《单片机原理及串行外设接口技术》北京航空航天大学出版社  作者：李朝青等