2. RS-485 物理层详解
RS-485 是工业自动化领域最广泛使用的串行通信物理层标准，也是 Modbus RTU 协议最常用的底层承载介质。理解 RS-485 的电气特性、拓扑规则和接线方式，是搭建可靠数据采集系统的前提。
2.1 RS-485 标准概述
RS-485（正式名称为 TIA-485-A）由美国电子工业协会（EIA）制定，定义了平衡数字多点系统的电气特性。与 RS-232 相比，RS-485 在传输距离、节点数量和抗干扰能力上具有显著优势。
| 特性 | RS-232 | RS-485 |
|---|---|---|
| 传输方式 | 单端（不平衡） | 差分（平衡） |
| 最大节点数 | 1 发 1 收 | 32 个标准负载（可扩展至 256+） |
| 最大传输距离 | 约 15 m | 1200 m（@ 100 kbps） |
| 最大速率 | 约 115.2 kbps | 10 Mbps（短距离） |
| 共模电压范围 | ±15 V | -7 V ~ +12 V |
| 接收器输入阻抗 | 3 ~ 7 kΩ | ≥ 12 kΩ（单位负载） |
工程要点：RS-485 的“32 个节点”是基于单位负载（Unit Load, UL）定义的。现代收发器芯片常提供 1/4 UL、1/8 UL 甚至 1/10 UL 的选项，理论上可将节点数扩展至 256 个以上。
2.2 差分信号原理
RS-485 的核心优势来自差分信号传输。与单端信号依赖地电平作为参考不同，差分信号使用两条导线（A 和 B）之间的电压差来表示逻辑状态。
- 逻辑 1（Mark）： A 线电压高于 B 线电压 ≥ 200 mV（通常为 A+、B-）。
- 逻辑 0（Space）： B 线电压高于 A 线电压 ≥ 200 mV。
- 共模抑制：外部噪声同时耦合到 A、B 两线，差分接收器只响应两线之间的差值，从而大幅抑制共模干扰。
抗干扰量化：在工业现场，RS-485 的共模抑制比（CMRR）通常可达 60 dB ~ 80 dB，意味着 1 V 的共模噪声在接收端仅等效为 1 mV ~ 0.1 mV 的差模误差。
2.3 总线拓扑结构
RS-485 网络采用多点总线（Multi-Drop Bus）拓扑，所有节点并联在同一对差分线上。标准拓扑规则如下：
- 主干线（Trunk）：从主站到最远从站的一条连续双绞线，所有节点通过短分支线（Stub）接入。
- 分支线长度限制：在 115.2 kbps 速率下，分支线应 ≤ 1.2 m；高速应用（1 Mbps 以上）应 ≤ 0.3 m。
- 禁止星形或环形拓扑：非总线拓扑会导致信号反射和阻抗不连续，严重降低通信可靠性。
2.4 终端电阻匹配
终端电阻是 RS-485 总线可靠运行的关键要素。当信号在总线末端遇到阻抗突变时，会产生反射波，导致数据误码。
| 参数 | 推荐值 / 说明 |
|---|---|
| 电阻阻值 | 120 Ω（与双绞线特性阻抗匹配） |
| 安装位置 | 总线物理距离最远的两个端点 |
| 功率要求 | 1/4 W 或 1/2 W 碳膜/金属膜电阻 |
| 偏置电阻（可选） | 在 A 线上拉至 5 V，B 线下拉至 GND，确保空闲时总线处于确定状态 |
常见错误：在总线中间节点或每个节点都安装终端电阻，会导致阻抗并联降低，驱动负载加重，信号幅度下降。正确的做法是：只在两端各装一个 120 Ω 电阻。
2.5 常见接线方式：两线制与四线制
RS-485 标准支持两种接线模式，分别适用于半双工和全双工通信场景。
2.5.1 两线制（半双工）
两线制是 Modbus RTU 最常用的接线方式。所有节点共享一对差分线（A、B），同一时刻只能有一个节点发送数据，其他节点处于接收状态。
- 线缆：1 对双绞线（A+ / B-）。
- 收发控制：通过 DE（发送使能）和 RE（接收使能）引脚切换方向。
- 典型应用：Modbus RTU 主-从轮询通信。
2.5.2 四线制（全双工）
四线制使用两对双绞线，分别用于发送和接收，支持同时双向通信。通常用于主站与单个从站之间的高速数据交换。
- 线缆：2 对双绞线（发送对：Y+ / Z-；接收对：A+ / B-）。
- 拓扑限制：四线制通常只支持一个主站和一个从站，或主站与多个从站但主站始终发送。
- 典型应用：PLC 与变频器之间的实时参数读写。
2.6 工程实践要点
现场布线检查清单：
✅ 使用屏蔽双绞线（特性阻抗 120 Ω），屏蔽层单端接地
✅ 总线两端各安装一个 120 Ω 终端电阻
✅ 分支线长度控制在 1.2 m 以内（高速应用 ≤ 0.3 m）
✅ 所有从站地址唯一，且不重复
✅ 共模电压测量：A 线对 GND、B 线对 GND 应在 -7 V ~ +12 V 范围内
✅ 使用屏蔽双绞线（特性阻抗 120 Ω），屏蔽层单端接地
✅ 总线两端各安装一个 120 Ω 终端电阻
✅ 分支线长度控制在 1.2 m 以内（高速应用 ≤ 0.3 m）
✅ 所有从站地址唯一，且不重复
✅ 共模电压测量：A 线对 GND、B 线对 GND 应在 -7 V ~ +12 V 范围内