【甚麼是RS485】

RS485，全稱EIA-485-A，是一種通訊協定，專為在長距離和高雜訊環境下實現可靠的串列通訊而設計。它定義了一種使用差動訊號傳輸的平衡電氣特性，允許在同一對傳輸線上連接多個裝置（最多32個節點），並支援半雙工或全雙工通訊。

RS485的定義與基本概念

RS485是一種由電子工業協會（EIA）制定的串列通訊標準。與早期的RS-232不同，RS485採用了差動訊號傳輸技術，這使其在抗雜訊和長距離傳輸方面具有顯著的優勢。在RS485中，數據是以電壓差的形式在兩根線上進行傳輸，而不是像RS-232那樣使用單根信號線相對於地線傳輸。這種差動傳輸方式能夠有效抵消共模雜訊，從而保證數據的完整性，尤其是在工業環境等電磁干擾較為嚴重的場合。

RS485標準的主要特點包括：

• 差動訊號： 數據通過兩條線（通常標記為A和B）之間的電壓差來表示。
• 多點連接： 允許在同一條匯流排上連接多個裝置，形成一個網路。
• 長距離傳輸： 在理想條件下，RS485可以支援長達1200米的傳輸距離。
• 高抗雜訊能力： 由於差動傳輸的特性，RS485對外部雜訊具有較強的抵抗力。
• 半雙工或全雙工： RS485支援半雙工（同一時間只能發送或接收）和全雙工（同時發送和接收）兩種工作模式，具體取決於所使用的硬體和軟體配置。

RS485的技術原理

RS485的傳輸原理基於差動訊號。它使用兩條訊號線，一條稱為「A」（或+），另一條稱為「B」（或-）。數據的邏輯狀態由這兩條線之間的電壓差來決定。

• 邏輯「1」： 通常定義為A線比B線高出一定的電壓值（例如，A-B > +200mV）。
• 邏輯「0」： 通常定義為B線比A線高出一定的電壓值（例如，B-A > +200mV）。

這種差動傳輸方式的關鍵優勢在於，即使兩條訊號線上都疊加了相同的雜訊（共模雜訊），接收端只需關注兩條線之間的電壓差，雜訊將被抵消，從而提高數據傳輸的可靠性。

RS485的匯流排結構

RS485採用匯流排（Bus）結構，這意味著所有連接的裝置都共享同一對傳輸線。在匯流排結構中，通常會有一個主裝置（Master）和一個或多個從裝置（Slave）。主裝置發起通訊，並向從裝置發送指令或請求數據；從裝置則根據主裝置的指令進行響應。

為了在多點環境下避免訊號衝突，RS485通訊通常採用以下一種通訊協議，例如Modbus RTU、Modbus ASCII、Profibus等。這些協議定義了數據幀的格式、定址方式、錯誤檢測機制等，確保多個裝置能夠在共享的匯流排上協同工作。

在RS485匯流排中，通常需要在匯流排的兩端安裝終端電阻（Termination Resistors）。這些電阻的阻值通常與傳輸線的特性阻抗（一般為120歐姆）相匹配。終端電阻的作用是吸收傳輸線上的訊號反射，防止訊號在線路上來回反射，從而保證訊號的完整性，尤其是在較長的傳輸距離和較高的傳輸速率下，終端電阻顯得尤為重要。

RS485的傳輸速率與距離

RS485的傳輸速率與傳輸距離之間存在一個權衡關係。根據標準，在 1200 米的距離下，最大傳輸速率通常為 9600 bps（每秒位元組）。然而，隨著傳輸距離的縮短，傳輸速率可以顯著提高。例如：

• 在 10 米的距離下，傳輸速率可以達到 10 Mbps（百萬位元組每秒）。
• 在 15 米的距離下，傳輸速率可達 2 Mbps。
• 在 100 米的距離下，傳輸速率約為 350 kbps。

需要注意的是，這些數值是理論上的最大值，實際應用中會受到傳輸線材品質、連接器、環境雜訊等因素的影響。

RS485的應用領域

RS485因其在長距離、高雜訊環境下的可靠性，在眾多領域得到了廣泛的應用：

工業自動化

這是RS485最為核心的應用領域。在工廠車間、生產線上，大量的感測器、控制器、PLC（可程式化邏輯控制器）、變頻器、人機介面（HMI）等設備需要進行串列通訊。RS485能夠在複雜的電磁環境中穩定工作，連接這些分散的設備，實現數據的採集和控制。

例如：

• PLC通訊： PLC與遠端的I/O模組、人機介面進行數據交換。
• 感測器網路： 將多個溫度、壓力、流量等感測器連接到中央控制器。
• 馬達控制： 變頻器與PLC之間進行速度、轉矩等參數的設定與監控。
• SCADA系統： 數據採集與監控系統（Supervisory Control And Data Acquisition）中，RS485是常見的現場匯流排選擇。

樓宇自動化

在智慧建築中，RS485被用於連接各種樓宇管理系統（BMS）的設備，包括空調控制器、照明系統、門禁系統、監控攝像頭、火災報警系統等，實現對建築環境的集中監控與管理。

交通控制

交通號誌控制器、可變資訊顯示牌、道路感測器等設備之間的通訊，也經常採用RS485標準，以確保在戶外環境下的穩定運行。

醫療設備

部分醫療儀器，如監護儀、輸液泵等，在設備間或與中央監控系統的通訊中，也可能採用RS485，以保證數據傳輸的準確性。

POS系統和零售

在一些POS（Point of Sale）系統中，掃描器、收銀機、印表機等周邊設備之間的連接，也可能使用RS485。

RS485的優勢與局限性

RS485之所以能在眾多應用中脫穎而出，得益於其一系列顯著的優勢，但同時也存在一些局限性。

RS485的主要優勢

• 高抗雜訊能力： 差動訊號傳輸是其最大的優勢，使其在工業雜訊環境下表現出色。
• 長距離傳輸： 相較於RS-232，RS485的傳輸距離大幅增加，可達1200米。
• 多點通訊： 支援多個裝置掛載在同一條匯流排上，節省佈線成本，易於擴展。
• 成本效益： 相對其他工業通訊協定，RS485硬體實現相對簡單，成本較低。
• 半雙工/全雙工支援： 靈活的通訊模式，可根據需求選擇。

RS485的局限性

• 通訊協議依賴： RS485本身只定義了電氣特性，具體的通訊方式、數據格式需要依賴上層的通訊協議（如Modbus），這增加了軟體開發的複雜性。
• 不支援熱插拔： 在通訊過程中，通常不建議熱插拔設備，否則可能導致匯流排上的訊號錯誤或損壞設備。
• 速度限制： 相較於Ethernet、USB等現代通訊技術，RS485的傳輸速率相對較低，對於需要高速數據傳輸的應用可能不適用。
• 半雙工的通訊機制： 在半雙工模式下，需要協調發送和接收的時機，避免衝突。

RS485與其他串列通訊標準的比較

為了更好地理解RS485，可以將其與其他常見的串列通訊標準進行比較：

• RS-232：
  • RS-232採用單端訊號傳輸，訊號線相對於地線。
  • 通訊距離短（通常15米以內）。
  • 抗雜訊能力較差。
  • 點對點通訊，不支援多點連接。
  • 常用於電腦與周邊設備（如印表機、老式數據機）的連接。
• RS-422：
  • RS-422也採用差動訊號傳輸，但通常使用四根線（一對發送，一對接收），支援全雙工通訊。
  • 每個驅動器可連接多達10個接收器，但支援的設備數量不如RS485。
  • 傳輸距離比RS-232長，但通常不如RS485靈活。
  • 主要用於點對多點或全雙工通訊。
• CAN Bus (Controller Area Network)：
  • CAN Bus是一種專為汽車應用設計的串列通訊匯流排，具有極高的可靠性和即時性。
  • 支援多主控、衝突檢測和自動重發等功能。
  • 通訊速率和距離也表現優異。
  • CAN Bus的複雜度和成本通常高於RS485，且應用領域相對專一。

總體而言，RS485在長距離、中低速率、多點連接、高雜訊環境的應用場景中，提供了最佳的性價比和可靠性。

總結

甚麼是RS485？RS485是一種堅固、靈活且廣泛應用的串列通訊標準，它通過差動訊號傳輸，有效解決了長距離和高雜訊環境下的通訊難題。憑藉其多點連接能力、優異的抗雜訊性能和相對較低的成本，RS485已成為工業自動化、樓宇自動化等眾多領域不可或缺的通訊介面。理解RS485的原理、應用和優勢，對於進行自動化系統設計和故障排除至關重要。