Posted By Liang Bird on 1 月 30, 2020 in Maker電子學, UART界面, 教學文 | 7 comments

上篇文章【Maker電子學】認識UART界面#2—通訊標準，我們聊了 UART 轉換到實體通訊界面 RS-232、RS-422 及 RS-485，這次我們來深入探究 RS-485 這個簡單易用且功能強大的通訊標準吧！

半雙工的 RS-485 網路

上次說過，RS-485 和 RS-422 在實體層都是使用差動訊號來傳遞訊息，不過兩者的訊號規格略有不同。

RS-422 的傳送器電壓定義是：

邏輯 1：V_A-V_B= +2 V ~ +6 V

邏輯 0：V_A-V_B= -2 V ~ -6 V

而 RS-485 的傳送器電壓定義則是：

邏輯 1：V_A-V_B = +1.5 V ~ +6 V

邏輯 0：V_A-V_B = -1.5 V ~ -6 V

兩者在最低電壓的要求差了 0.5 V，但在接收端，不管是 RS-422 還是 RS-485，都只需要 200 mV 的電壓，就能夠判定邏輯 0 或 1：

邏輯 1：V_A-V_B > 200 mV

邏輯 0：V_A-V_B < -200 mV

發射器和接收器之間電壓的差距，就是通訊標準所容許的實體層電氣損耗。典型的 RS-422 或 RS-485 只要搭配適當的纜線，可以將訊號傳輸至 400 英呎（130 公尺）之遠，靠的就是差動訊號耐干擾的特性以及其所容許的線上電氣損耗。

RS-485 是半雙工的通訊界面，它的傳送和接收共用同一對線路，典型的線路結構長這樣：

（圖片來源：Bird 提供）

在這個圖中，總共有四個 RS-485 的裝置接在同一個網路上，並共用同一對傳輸線路。電路上看來，所有裝置的 A 點都是接在一起的，B 點亦同，因此我們可以說，在 RS-485 網路上所有的裝置都是並聯在一起的。

上圖也可看出，線路的兩端各有一個電阻 RT 將 A 和 B 連接起來，這個電阻叫做「終端電阻」（terminator），它的用意是在纜線的尾端將訊號消耗掉，避免訊號反射回來，同時也作為傳送電路的負載，典型的 RS-485 終端電阻是 120 Ω。

這種網路有個特別的名字叫做「multi-drop network」，其實就是「有很多裝置的網路」。在這種網路上，一次只能有一個裝置進入傳送模式，其它裝置則在接收模式，這是因爲接收器的阻抗通常很高，不太會消耗訊號，因此一個傳送器可以同時驅動很多個接收器，讓大家收到一樣的東西。以 RS-485 的標準而言，它允許網路上最多可以有 32 個裝置。

如果同時有兩個裝置進入傳送模式，它們傳送的訊號就有可能會打架！比方說一個裝置傳送 0，另一個裝置傳送 1，那線路上的狀態到底是 0 還是 1 呢？這根本就是一個不正常的狀態，會讓其它正在接收的裝置無所適從，因此在這種多裝置的網路上，必需要有一些規則，像是「先舉手再發言」、「沒人說話時再發言」或是「按照固定的順序輪流發言」等，以維持網路上的秩序。

當我們要用 UART 界面來控制 RS-485 時，會遭遇一個問題。先前說過，UART 是個「idle high」的界面，也就是說當我們沒在使用它時，它會維持在 high 的狀態，或是邏輯 1 。還記得嗎？但如果我們直接將 UART 的 TX（也就是傳送訊號），接在 RS-485 的傳送器上，當我們沒有在傳送資料時，UART 的 TX 始終會在邏輯 1 的狀態，那麼傳送器就會一直傳送 RS-485 的「1」出去，而如果這時候網路上有其它的裝置要傳送訊號，這個很堅持的邏輯 1 就會跟它打架，導致訊號整個垮掉。

因此在 multi-drop 的網路上，傳送器除了邏輯 0 和邏輯 1 外，還需要第三種狀態，叫做「不傳送」。它既不是 0 也不是 1，就是一個不去干預網路、隨波逐流的狀態，你也可以將它想像成「這個傳送器沒有接在網路上，彷彿不存在」。在這種「不傳送」的狀態下，對網路上的其它裝置而言，這個傳送器有一個很高的輸出阻抗，我們把這個狀態稱為「high impedance」，或是「Hi-Z」（電路學中常用大寫字母 Z 來代表阻抗）。

爲了要控制這種「不傳送」的狀態，RS-485 的傳送器除了連接 UART 的 TX外，還多了一個 enable 訊號，以用來控制傳送器的工作。當 enable 訊號讓傳送器工作時，傳送器會忠實地反應來自 UART 的邏輯訊號， 1 就是 1，0 就是 0，而當傳送器在工作狀態時，理論上網路上不應該有其它裝置同時也處於傳送狀態，否則網路上的訊號就會打架；如果 enable 訊號讓傳送器處於不工作狀態，對於網路上的其它裝置來說，這個傳送器就好似人間蒸發，不存在這個網路上，因此不管 UART 送來的是 0 或 1，都不會有訊號跑到 RS-485 的網路上。

這種有 enable/disable 能力的收發器，我們稱之爲「三態」收發器，或是 tri-state transciever，因爲它在 0 與 1 之外，還有一個 Hi-Z 的狀態。

RS-485 收發器實戰

接著我們來說說 SN75176A 這顆 RS-485 收發器 IC。SN75176A 是 TI 在 1984 年推出的 RS-485 收發器 IC，歷史悠久，屹立不搖。

SN75176 只有八支接腳，比我們上回介紹的 RS-232 收發器 MAX232 還簡單。根據 RS-485 的規範，傳送側的驅動電壓最小只需要 2 V，因此 5 V 供電的 SN75176A 可以直接產生足夠的驅動電壓，不需要額外的 charge pump 輔助，若扣掉兩支電源接腳，SN75176A 的接腳功能如下：