本文摘要
- RS485是一種硬體架構，它僅規範了發射器和接收器的電氣特性，並不推薦任何特定的傳輸協定。
- RS485通過生成高低電壓來傳輸二進制信號，代表二進制的0和1（開和關），使其在電子噪聲環境中能夠進行高效的長距離通信。
- 使用RS485的設備可以使用如Modbus和ASCII等通訊協定與中央控制系統進行通信。
一、什麼是 RS485?
RS485是一種標準通訊接口（Serial Communication Interfaces），RS（Recommended Standard）為推薦標準，485是標識號。RS485又稱為TIA-485(-A)或EIA-485。
RS485 規定了2線、半雙工、多點通信的電氣特性，使用雙絞線來傳輸信號，主要優點之一是RS485允許將多個設備放在同一條總線上，並且距離越短，數據傳輸速率越高，適合在有電子雜訊的環境中進行長距離、高效的通訊。
“RS485不是通訊協定(Communication Protocol)”
RS485標準僅規定了硬體層面的電壓、信號傳輸方式等「電氣特性」，用來確保設備之間可以透過物理連接進行信號傳輸，但沒有規定如何編碼或解碼數據、傳輸格式等「通訊協定」。
因此，RS485的設備需要配合其他通訊協議（如Modbus、ASCII等）來進行實際的數據傳輸和解讀。RS485 可藉由電路所產生的高低電壓作為二進制的0跟1 (開跟關) 的差分信號傳輸，並可在有電子雜訊的環境下進行長距離有效率的通訊。
一般來說，使用RS485的裝置，可利用Modbus、ASCII 等通訊協定來與中央控制系統溝通，例如，LORRIC 的蹼輪式流量計，以Modbus為基礎來定義各種訊號傳輸，以RS485來傳輸訊號，與客戶的中央控制系統串連，藉由中控系統的相關程式與設定，而能讀取相關流量計量資料。
二、RS485 vs RS232
RS485在許多方面改進了 RS232 的限制（如傳輸距離、多點通信和抗干擾能力），但兩者並非完全替代關係，RS232 更適合簡單的短距離、點對點連接，如電腦與外部設備之間的通信；而 RS-485 則更多用於工業和樓宇自動化等需要長距離、多設備穩定通信的環境。
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| 通訊接口 |
RS232 |
RS485 |
| 傳輸方式 |
點對點通信，一次只能連接兩台設備。
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多點通信，根據晶片級別，同一條總線可以連接 32、128 或 256 個發送器和接收器。
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| 傳輸距離 |
15公尺內 |
最大傳輸距離可達 1200公尺 |
| 抗干擾能力 |
單端信號，電壓範圍大，對外部電磁干擾的抵抗力較弱。 |
差分信號傳輸，電壓範圍小，通過兩條電線的電壓差進行通信，抗干擾能力佳。 |
| 通信速率 |
最大傳輸速率為 20 kB/s |
距離越短時速率越高，最大傳輸速率可達 10 Mbps |
| 成本 |
低 |
高 |
| 設計 |
簡單 |
複雜 |
二、RS485 配線方式
1. RS485 一條配線串接多部設備
RS485是一種可以一條雙絞線配線，串接起很多裝置，以進行數據交換的方式，其接線方式包括兩線半雙工和四線全雙工兩種。四線全雙工目前較不常見，兩線半雙工為目前主流配線。
圖片展示了RS485的布線方案，包括設備如何串聯互連、雙絞線的結構以及如何進行信號傳輸：
- 設備（Device 1, Device 2, Device N）依次串聯，形成一個菊花鏈拓撲結構（Daisy Chain Topology，也稱為手牽手式總線結構）
每個設備的A+和B-端口通過雙絞線連接到下一個設備的對應端口，布線方式使用了A+和B-兩條線路，這是一種雙線半雙工配置，是RS485中最常用的布線方法。
- 圖片左側顯示了雙絞線的結構，包括銅線、屏蔽層和絕緣層，這種電纜結構有助於在電子噪聲環境中進行穩定的數據傳輸。需注意，每個設備之間的連接線盡可能短，以減少信號衰減和干擾，提高通信的可靠性。
- 整個串聯網絡最終連接到PLC（可編程邏輯控制器），這使得數據可以在多個設備和中央控制系統之間進行交換。通過RS485標準，使用A+和B-線進行信號傳輸，高低電壓分別代表二進制的1和0（開和關），實現可靠的數據通信。
2. RS485 配線建議
- 一般建議使用帶屏敝 24awg 雙絞線（485+與485-一定要互為雙絞），以串接方式連線每台設備。不要使用環狀或放射狀線路，為避免強電對485通訊造成幹擾，也應避免強電線路與485線路走在一起。
- 在訊號幹擾多的地方，軟體可能需要多次詢問才能得到回應，請在通訊程式內建立多次詢問機制，以區別訊號幹擾與設備異常離線兩種情形。
- 使用在 RS485 通訊，盡量使用短線，降低雜訊幹擾。並將隔離網與主要通訊線屏敝相連後接地。
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3. 以下情況，RS485 必須加上終端電阻
➤ 長距離通信：當通信距離超過一定閾值（300m以上）時，由於信號在電纜中的傳輸時間增加，反射信號可能會在數據位的中間到達接收器，導致錯誤的數據讀取。
➤高速通信：在高速數據傳輸時，信號的上升和下降時間變短，這可能導致反射信號在數據位的中間到達，影響通信品質。
➤多設備網絡：在多設備連接的網絡中，終端電阻有助於維持信號穩定和可靠性。請在 master 及線路最遠端使用終端電阻，終端電阻業界常使用 120Ω，實際數值請參照線材規格計算。
四、RS485 兩線半雙工
兩線半雙工系統能夠在兩個設備之間進行雙向數據傳輸，但不能同時進行。例如，考慮設備A和B。在特定的時間範圍內，允許從A到B的數據傳輸，一旦完成，則可以進行從B到A的數據傳輸。下面是RS-485常用的電路圖：
上方電路圖展示了兩線布線設置的基本連接。在這種方法中，網絡中的所有節點共享同一對通信線路。一條線稱為A線（或Data+），負責傳輸差分信號，而另一條線稱為B線（或Data-），負責傳輸互補的差分信號。
RS485通信系統為差分信號傳輸模式，也就是在兩條線之間的電壓差用來表示數據，而不是像傳統的單端信號傳輸那樣，每條線獨立傳輸數據。因此，當一條線（例如A線）上升到高電壓時，另一條線（B線）下降到低電壓，形成一個差分信號對，而這個差分信號對用來表示二進制數據。在此差分信號模式中，A線和B線上的信號是互補的，即當A線上是高電壓時，B線上是低電壓，反之亦然。這種差分信號傳輸模式的好處是能夠有效減少了干擾，並提高了整體通信的可靠性。
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五、RS485 適合的拓撲結構
六、RS485 搭配的通訊協定
RS485 本身是物理層的通信接口標準，需搭配的通訊協定，通訊協定規範如何在多個設備之間進行數據交換和控制。
1. Modbus RTU
Modbus RTU 是工業自動化中最常見的通訊協定之一，經常採用RS485 作為物理層，進行二進制數據傳輸，採用主從架構，支持單次通訊的 256 位數據幀和 CRC 錯誤檢測，常用於工業數據交換。
2. Profibus DP
Profibus 是德國西門子公司推出的工業通訊協定，支持最高 12 Mbps 的數據速率，使用多主架構，應用於分佈式系統和現場設備的高效數據通訊。
3. BACnet MS/TP
BACnet MS/TP 是專為樓宇自動化和控制系統設計，採用主從和令牌傳遞機制，支持樓宇自動化系統中的設備間數據交換，傳輸速率從 9600 bps 到 1 Mbps。
4. DNP3
DNP3 主要用於電力系統中的通訊協定，使用 RS485 傳輸時間標記的事件驅動數據，支持高達 9600 bps 的傳輸速率，廣泛應用於 SCADA 系統中的數據收集與遠程控制。
5. CANopen
CANopen 是基於 CAN（Controller Area Network）總線的高層通訊協定，傳輸速率從 10 kbps 到 1 Mbps，適合嵌入式控制系統和自動化設備的實時數據交換。
6. HART
HART 主要用於智能儀表，使用 RS485 傳輸疊加在 4-20mA 模擬信號上的數據，支持每次通訊 16 位數據的雙向交換，主要用於現場設備的數據監控和診斷。
七、RS485 的應用範例
LORRIC 蹼輪式流量計於興森半導體中央加藥與配藥系統的應用範例
中國興森半導體之中央加藥與配藥系統，系統配置為中央儲藥槽加上每個製程端的配藥系統，以閥箱來掌控化學藥劑的供給量。每組閥箱內安裝一組LORRIC蹼輪式流量計用以來計算藥劑流量，流量計透過 RS485 將流量資訊即時回饋給中央控制系統，在藥劑每次的供給量到達指定量時停止供藥，在如此系統中，RS485扮演了一個重要的橋樑角色，建立了中央控制系統與各閥箱間的流量資訊溝通。