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EIA-485

EIA-485（過去叫做RS-485或者RS485[1]）是隸屬於OSI模型物理層的電氣特性規定為2線、半雙工、平衡傳輸線多點通信的標準。是由電信行業協會（英語：Telecommunications Industry Association）（TIA）及電子工業聯盟（EIA）聯合發佈的標準。實現此標準的數位通訊網可以在有電子雜訊的環境下進行長距離有效率的通訊。在線性多點總線（英語：Multidrop bus）的組態下，可以在一個網路上有多個接收器。因此適用在工業環境中。

TIA-485-A (Revision of EIA-485)
標準 ANSI/TIA/EIA-485-A-1998
1998年3月3日核可
2003年3月28日重新確認
物理介質 平衡傳輸線
網絡拓撲 點對點、多點總線（英語：Multidrop bus）、匯流排拓撲
最多設備 至少32個unit loads
最長矩離 未限定
運作模式 差動接收信號：
binary 1 (OFF)
(Voa–Vob < −200 mV)
binary 0 (ON)
(Voa–Vob > +200 mV)
可用信號 A, B, C
連接器型式 沒有指定

EIA一開始將RS（Recommended Standard）做為標準的字首，不過後來為了便於識別標準的來源，已將RS改為EIA/TIA[2]。電子工業聯盟（EIA）已結束運作，此標準目前是電信行業協會（TIA）維護，名稱為TIA-485，但工程師及應用指南仍繼續用RS-485來稱呼此一協定。

簡介

EIA-485的電氣特性和RS-232不一樣。EIA-485使用纜線兩端的電壓差值來表示傳遞信號，不同的電壓差分別標識為邏輯1及邏輯0。兩端的電壓差最小為0.2V以上時有效，任何不大於12V或者不小於－7V的差值對接受端都被認為是正確的。

EIA-485僅僅規定了接受端和發送端的電氣特性。它沒有規定或推薦任何數據協議。EIA-485可以應用於配置便宜的區域網和採用單機發送，多機接受通信鏈接，使用和EIA-422類似的差動雙絞線。它提供高速的數據通信速率（10m時35Mbit/s；1200m時100kbit/s）。有一個有關EIA-485的經驗法則，是比特率乘以線長（單位為公尺）的乘積無法超過108，因此 50 m的線上速度不會超過2 Mbit/s[3]，在特定條件下，其數據通信速率可以到64 Mbit/s.[4]。

EIA-485和EIA-422一樣使用雙絞線進行高電壓差分平衡傳輸，它可以進行大面積長距離傳輸（超過4000英尺，1200公尺）。和EIA-422相對照的是，EIA-422採用不可轉換的單發送端，EIA-485的發送端需要設置為發送模式，這使得EIA-485可以使用雙線模式實現真正的多點雙向通信。

EIA-485推薦使用在點對點網絡中，線型、總線型，不能是星型、環型網絡。假如必須要使用星型網絡，可以配合特殊的RS-485 star/hub中繼器，可以在多個網路中雙向的監聽資料，並且將資料再傳送到其他的網路上。

 
典型的終端電阻以及偏置電阻線路。EIA-485標準沒有標示終端電阻以及偏置電阻的阻值

理想情況下EIA-485需要2個終端電阻，其阻值要求等於傳輸電纜的特性阻抗（英語：Characteristic impedance）（一般而言，雙絞線會是120 ohms）。沒有特性阻抗的話，當所有的設備都靜止或者沒有能量的時候就會產生噪聲，而且線移需要雙端的電壓差。沒有終接電阻的話，會使得較快速的發送端產生多個數據信號的邊緣，這其中的一些是不正確的。之所以不能使用星型或者環型的拓撲結構是由於這些結構有不必要的反映，過低或者過高的終端電阻可以產生電磁干擾（EMI）。有時在一組網路線上。會加上上拉及接地電阻（偏置電阻），若通訊線上沒有任何設備時，上面的資料可以有失效安全的機制。這樣可以讓網路線上有固定的偏置電壓，節點較不容易在沒有任何節點發送資料時，將線上的雜訊解讀成實際的資料。若沒有偏置電阻，通訊線處於浮接的狀態，在所有節點都未發送資料或未供電時，最容易受到雜訊的影響[5]。

標準的範圍及定義

EIA-485隻規範了信號產生器及接收器的電氣特性，只建議了物理層，沒有指定或是建議任何的通訊協定。EIA-485網路上的通訊協定是由其他的標準來定義的。標準的前言建議參考「電信系統公告TSB-89」（The Telecommunications Systems Bulletin TSB-89），其中有包括資料傳輸速度、線路長度、短線長度及組態在內的應用指南。

EIA-485標準的的第四章定義了產生器（傳送器或驅動器）、接收器、收發器和系統的電氣特性。這些特性包括：單位負載（unit load）的定義、電壓範圍、開路電壓、閾值和瞬態容差。其中也定義了三個產生器的信號線："A"、"B"及"C"。"A"和"B"是用來傳輸資料，"C"是參考電壓。這一章也用A和B信號線的極性來定義邏輯狀態1（off）和0（on），若A電壓比B要低（A-, B+），其狀態為1，若反過來（A+, B-），其狀態為0，不過標準中沒有定義這兩個狀態的邏輯功能。

Master-slave架構

若在Master-slave（英語：Master-slave (technology)）網路架構中，會有一台設備做為master，啟動所有網路活動，多半會由這一台來提供EIA-485的偏置電路，其他slave設備就不需偏置電路。在此組態下，master設備一般會在EIA-485網路中的中間點，而由網路最末端的兩台slave提供終端電阻。master也可以在網路的最末端，本身提供終端電阻，但這是不好的網路拓撲[6]，因為master若在網路的中間，在運作上是最理想的，可以讓信號強度最大，也可以提昇線長及通訊速度。若在多個設備加上偏置電路可能會違反EIA-485的規範，使得通訊誤動作。

全雙工的應用

EIA-485類似EIA-422，可以透過用四條線達到全雙工。不過因為EIA-485是多點的規範，在許多應中並不需要用到全雙工。EIA-485和EIA-422在有一定限制的情形下可以互操作。

EIA-485和其他通訊格式之間有轉換器可以轉換，讓個人電腦可以和遠端的設備通訊。利用「中繼器」及「多中繼器」可以架構很大的EIA-485網路。TIA/EIA-485-A的應用指南TSB-89A中有一張圖上面寫「星型組態，不建議使用」。利用EIA-485的「多中繼器」可以用進行類似多點連結的星型組態，類似Ethernet的Hub/Star組態（距離更長）。（利用多中繼器的）Hub/Star系統可以建構非常好維護的系統，不會違反任何EIA-485規範中的內容。中繼器可以用來延伸網路的長度，或是增加上面的設備數量。

用途

許多電腦及自動化系統中都會用到EIA-485通訊。電腦的SCSI-2和SCSI-3通常使用這種標準的設備來作為物理層，以進行電腦和硬碟機之間的資料傳輸。EIA-485經常和常用設備UART一起使用來實現在飛機上的低速率數據傳輸，舉個例子，一些乘客控制單元採用這種設備，從而只需要很少的線纜就可以實現幾個椅子共享線纜，從而減輕整個設備的重量。

許多工業控制系統中使用的自動化通訊協定以EIA-485為其物理層，其中也包括了常見的Modbus及Profibus。配合許多使用相同通訊協定的設備，EIA-485可以讓個人電腦和工業控制系統可以在局域網上進行通訊[7]。EIA-485也用在可編程邏輯控制器以及工廠的數據通信。EIA-485的差動特性可以抵抗馬達設備和焊接設備的電磁干擾。

EIA-485使用在大型音頻系統中，可以在音樂廳和劇院見到這種設備，可以使用普通的計算機來運行一些特殊的軟件實現遠距離音頻設備的控制。EIA-485通過XLR標準的線纜連接的設備大量的用於麥克風上，從而實現舞台和控制台之間的連接而不需要預設線路。在劇場及演出場所也會用EIA-485網路上的DMX512（英語：DMX512）通訊協定來控制燈光及其他系統。

在樓宇自動化中會使用EIA-485作簡單的網路應用，其支援長線的特性可以連接遠距的設備。EIA-485可以控制視頻監控系統，連接安全控制系統及設備（例如大門的門禁刷卡機）。

EIA-485也用在鐵道模型，車站和鐵道內部的通訊是用Digital Command Control（英語：Digital Command Control）通訊協定。車站和外部的界面一般會是EIA-485，可能是由手持的控制器傳送[8]，或是由網路/個人電腦控制[9]。使用的連接器會是8P8C / RJ45。

通訊協定

EIA-485只是電氣訊號介面，本身是通訊協定，有許多通訊協定使用EIA-485準位的電氣訊號，但EIA-485規格書本身沒有提到通訊速度、格式以及資料傳輸的通訊協定。若二台不同廠商的設備都使用EIA-485，即使是類似性質的設備，若只有電氣訊號介面相同，不保證互操作性。

EIA-485上最常使用的協定都是屬於非同步串列通訊（英語：Asynchronous serial communication），不過也有其他的通訊，例如簡易感測器介面協定（英語：Simple Sensor Interface protocol）（SSI）。

信號

EIA-485差動信號包括以下二個信號：

  • A，也稱為非反向（non-inverting）信號（不過也存在其他定義，見如下說明）
  • B，也稱為反向（inverting）信號

也可能會有第三個信號（TIA標準（ANSI/TIA/EIA-485-A, page 15, A.4.1）為了平衡線路可以正常動作，要求在所有的平衡線路上有一個共同common return path）：

  • SC，也稱為G或是參考（reference）信號（見如下說明）'

RS-485標準中提到：

  • 若是MARK（邏輯1），端子A的信號會比端子B的信號要低。
  • 若是SPACE（邏輯0），端子A的信號會比端子B的信號要高。

不同的IC使用的信號標示方式不同，不過EIA的標準中只使用A和B的名稱。資料為1時，信號B會比信號A要高。不過因為標準其中也提到信號A是「非反向信號」，信號B是「反向信號」，因此信號A、B的定義就更容易混淆了[10]。許多元件製造商（錯誤的）依循了這個A/B的命名原則，包括以下廠商：

  • 德州儀器，其EIA-422/485通訊的應用指南上標示A=non-inverting, B=inverting。
  • Intersil，其ISL4489收發器的數據表上是這樣標示的[11]
  • Maxim，其收發器的數據表上是這樣標示的[12]
  • Linear Technology（英語：Linear Technology）其LTC2850、LTC2851、LTC2852的數據表上是這樣標示的[13]。
  • Analog Devices其ADM3483, ADM3485, ADM3488, ADM3490, ADM3491的數據表上是這樣標示的[14]。
  • FTDI其USB-RS485-WE-1800-BT的數據表上是這樣標示的[15]。

上述製造商元件的標示方式都不符合「若是MARK（邏輯1），端子A的信號會比端子B的信號要低」的說明，但這些元件彼此定義是相容一致的，而且實際上許多設備使用這些元件，因此在使用A/B的命名方式時，需非常小心。

有一種常用的de facto命名方式是：

  • TX+/RX+ 或 D+ 來代替 B（信號1時為高電位）
  • TX-/RX- 或 D- 來代替 A（信號1時為低電位）

在Modbus、BACnet及Profibus通訊協定中，A/B的標示會以A為negative green線，B是positive red線，像D-sub接頭以及M12圓型接頭的定義一樣，在Profibus指南中也有類似的說明[16][17]。

EIA-485沒有定義連接器或是引出線。電路可以用鎖線端子（英語：screw terminal）、D-sub接器或是其他的連接器來進行配線。

EIA-485標準本身沒有提到纜線的屏蔽，不過有建議一些將線路參考地點和設備外殼的地點互連的作法。

共模

除了A和B兩個端子外，EIA標準還有提到第三個端子，稱為SC，是信號的參考點。此一端子可以限制接收器輸入端收到的共模信號，收發器會用這個信號做為基準值，來量測端子A和端子B旳電壓。

允許的共模電壓是在-7V至+12V的範圍內，也就是0-5V的信號準位，再往外延伸+/-7V。若共模電壓未在此範圍內，好的話只會造成信號的不完整，壞的話會造成設備的損壞。不過SC的接線也需要額外的考量，尤其是長線應用的情形，長的SC線路無法達到讓不同設備SC端子連在一起的原始目的，因此最好在SC線路上加上一些限流的裝置。建築物中的接地線，電壓變化其實不大，但因為其阻抗很小，因此可能會產生災難性的大電流，甚至大到會讓接地線、電路板銅箔熔化，並且破壞收發器設備。

波形範例

下圖列出在RS-485利用「非同步開始-停止」方式傳送一個字元（0xD3，最低位元先傳送）時，+端子及 −端子上的電壓

 

相關條目

參考資料

  1. ^ PROFIBUS工業網路介紹. EE Times電子工程專輯. UBM Asia 香港商亞洲博聞有限公司台灣分公司. 2007-12-29 [2016-03-14]. （原始內容存檔於2009-07-17）. 
  2. ^ Trim-the-fat-off-RS-485-designs. EE Times. 2000 [2017-11-23]. （原始內容存檔於2013-06-19）. 
  3. ^ Soltero, Manny; Zhang, Jing; Cockril, Chris; Zhang, Kevin; Kinnaird, Clark; Kugelstadt, Thomas. RS-422 and RS-485 Standards Overview and System Configurations, Application Report (pdf). Texas Instruments (技術報告). May 2010 [2002] [2017-11-27]. SLLA070D. （原始內容存檔 (PDF)於2011-06-29）. 
  4. ^ 存档副本 (PDF). [2017-11-27]. （原始內容 (PDF)存檔於2017-07-13）. 
  5. ^ DS3695,DS3695A,DS3695AT,DS3695T,DS96172, DS96174,DS96F172MQML,DS96F174MQML: Application Note 847 FAILSAFE Biasing of Differential Buses (Literature Number: SNLA031) (PDF). Texas Instruments. 2011 [2017-12-01]. （原始內容存檔 (PDF)於2017-12-02）. 
  6. ^ Thomas, George. Examining the BACnet MS/TP Physical Layer (PDF). the Extension (Contemporary Control Systems, Inc.). March–April 2008, 9 (2) [2017-12-12]. （原始內容 (PDF)存檔於2017-05-16）. 
  7. ^ DH-485 Industrial Local Area Network Overview. Rockwell Automation. [10 September 2010]. （原始內容存檔於2016-08-17）. 
  8. ^ lenzusa.com （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, XpressNET FAQ, accessed July 26, 2015
  9. ^ bidib.org （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, "BiDiBus, a Highspeed-Bus for model-railways", accessed July 26, 2015.
  10. ^ Polarity conventions (PDF). Texas Instruments. 2003 [2018-01-08]. （原始內容存檔 (PDF)於2015-06-19）. 
  11. ^ Data Sheet FN6074.3: ±15kV ESD Protected, 1/8 Unit Load, 5V, Low Power, High Speed and Slew Rate Limited, Full Duplex, RS-485/RS-422 Transceivers (PDF). Intersil Corporation. 28 April 2006 [2018-01-08]. （原始內容 (PDF)存檔於2012-02-13）. 
  12. ^ Data Sheet 19-0122 – MAX481/MAX483/MAX485/MAX487–MAX491/MAX1487: Low-Power, Slew-Rate-Limited RS-485/RS-422 Transceivers (PDF). Maxim Integrated. September 2009 [2018-01-08]. （原始內容 (PDF)存檔於2009-09-27）. 
  13. ^ LTC2850/LTC2851/LTC2852 3.3V 20Mbps RS485/RS422 Transceivers (PDF). Linear Technology Corporation. 2007 [2018-01-08]. （原始內容存檔 (PDF)於2012-08-13）. 
  14. ^ ADM3483/ADM3485/ADM3488/ADM3490/ADM3491 (Rev. E) (PDF). Analog Devices, Inc. 22 November 2011 [2018-01-08]. （原始內容存檔 (PDF)於2012-01-31）. 
  15. ^ USB to RS485 Serial Converter Cable Datasheet (PDF). Future Technology Devices International Ltd. 27 May 2010 [2018-01-08]. （原始內容存檔 (PDF)於2018-02-05）. 
  16. ^ Profibus Interconnection Guideline (PDF) . 1.4. P International: 7. January 2007 [2018-01-08]. （原始內容存檔於2017-10-20）. 
  17. ^ SIMATIC NET Profibus Network Manual (PDF) (PDF). Siemens: 157. April 2009 [2018-01-08]. （原始內容存檔 (PDF)於2016-03-07）. 
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