文章目录
- 前言
- [一、为啥STM32可以通过UART引脚转 RS-485](#一、为啥STM32可以通过UART引脚转 RS-485)
- 二、485芯片的核心特性
- 三、用法与典型应用电路
- 四、485终端120Ω电阻什么时候焊接什么时候不需要焊接？
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- [1. 什么时候 必须焊接？](#1. 什么时候 必须焊接？)
- [2. 什么时候 可以不焊接？](#2. 什么时候 可以不焊接？)
- [3. 什么时候 绝对不能乱焊？](#3. 什么时候 绝对不能乱焊？)
- 4.实践建议与配置方法
- 五、RS-485的静电防护
- 总结
前言
不管是RS232还是485都是串口通讯的变种。
一、为啥STM32可以通过UART引脚转 RS-485
STM32 能通过 UART 引脚转换为 RS-485 进行通信，核心在于 RS-485 标准在物理层上采用了差分信号传输，但其协议层与 STM32 内置的 UART 模块兼容 。实现这一转换需要一个关键的"翻译官"------RS-485 收发器芯片
它们都使用相同的串行数据帧格式，包括起始位、数据位、校验位和停止位。因此，STM32 的 UART 外设只需要像配置普通串口一样，设置好波特率、数据位长度、校验位等参数，即可处理 RS-485 通信中的数据打包和解包任务
核心转换器件：RS-485 收发器
STM32 的 UART 引脚（TX 和 RX）输出的是 TTL 电平信号，而 RS-485 总线使用差分信号。直接连接是不可能的，因此需要一个 RS-485 收发器芯片 （如 MAX485、SP3485 等）作为中间桥梁
这个芯片的核心作用有两点：
1. 电平转换 ：将 STM32 UART TX 引脚输出的 TTL 电平信号转换成 RS-485 的差分信号发送到总线上；同时，将总线上收到的差分信号转换成 TTL 电平送给 UART 的 RX 引脚
。
2. 收发方向控制 ：由于 RS-485 是半双工通信（同一时刻只能发送或接收），收发器上有专门的控制引脚（如 DE/RE）。STM32 需要通过一个普通的 GPIO 引脚来控制它
。
• 发送数据时 ：STM32 先将该 GPIO 置为高电平，使收发器进入发送模式，然后才能通过 UART 的 TX 引脚送出数据
。
• 接收数据时 ：STM32 将该 GPIO 置为低电平，使收发器进入接收模式，才能通过 UART 的 RX 引脚读取总线上的数据
•
⚙️ 软件配置要点
在软件层面，除了标准的 UART 初始化（使能时钟、配置 GPIO 为复用功能、设置波特率等参数）
，关键点在于对收发器方向控制引脚（DE/RE）的操控：
• 在发送数据前，先将控制引脚设置为发送模式，等待发送完成后，再迅速切换回接收模式，以监听总线上的响应
• 这种切换需要与 UART 的发送和接收操作精确配合。
💡 为何要这么做？
STM32 结合 RS-485 收发器的方式，成功地将自身强大的处理能力和灵活的外设控制，与 RS-485 标准的远距离传输、强抗干扰能力和支持多点组网的工业级物理特性结合了起来
。这使得STM32能够非常经济且高效地应用于复杂的工业自动化、楼宇控制等场景。
二、485芯片的核心特性
微控制器的UART接口输出的是0V/3.3V（或0V/5V）的单端信号 ，这种信号抗干扰能力差，传输距离短。485芯片将这些单端信号转换成符合RS-485标准的差分信号 ，从而可以实现长达1200米的远距离、抗干扰通信。
核心：差分信号传输
• 普通串口（如UART/TTL）： 使用一根信号线（TX）和一根地线（GND）。接收端通过判断信号线电压相对于GND的高低来识别0和1。长距离传输时，地线电位差和空间电磁干扰会叠加在信号线上，导致数据错误。
• RS-485： 使用一对双绞线（A线和B线）来传输一个信号。
o 发送端：芯片将数据转换成一对相位相反、幅度相等的差分电压，分别加载到A和B线上。
逻辑 1：B线电压比A线电压高（通常定义 B-A > +200mV）。
逻辑 0：A线电压比B线电压高（通常定义 B-A < -200mV）。
o 接收端：只关心A和B线之间的电压差，而忽略它们对地的电压
优势：
抗共模干扰能力强： 外部干扰（如电机噪声）会几乎同等地耦合到A和B两条线上。接收器检测的是电压差，这些共模干扰会被抵消掉。
传输距离远： 可达1200米。
支持多点网络： 一条RS-485总线可以挂接多达32个（或更多，取决于芯片驱动能力），什么时候需要两个485总线，原因就是一根总线挂在多个的话软件协议就比较复杂，然后还要单独控制，，半双工，如果两个设备需要实时的收发，还有一个就是两个都是主设备，没有地址，这个时候就可能需要每个设备一根485总线了
485芯片这样的收发器，实现多设备组网。这是它相对于RS-232的点对点通信的巨大优势
引脚功能描述
核心特性：
- 半双工操作：
o 发送数据 ： 将DE引脚拉高，同时将/RE拉高（或置之不理，因为DE为高时发送器会强制接收器输出高阻态）。此时，DI上的逻辑电平会控制A、B线上的差分电压。
o 接收数据 ： 将DE引脚拉低，同时将/RE拉低。此时，芯片内部的驱动器被禁用（输出高阻态，不影响总线），接收器开始工作，将A、B线上的差分电压转换为逻辑电平从RO输出。
重要规则：DE和/RE绝不能同时有效（即DE为高，/RE为低），通常将DE和/RE连接在一起，用一个MCU引脚控制，高电平发送，低电平接收。
三、用法与典型应用电路
一个典型的半双工RS-485网络连接如下图所示。MCU通过两个GPIO控制收发使能，通过UART的TX和RX连接485芯片。
电路连接步骤：
1. 电源 ： 将VCC接+3.3V或+5V，GND接地。强烈建议在VCC和GND之间靠近芯片引脚处放置一个0.1μF的去耦电容。
2. MCU连接 ：
• DI -> 连接MCU的UART TX 引脚。
• RO -> 连接MCU的UART RX 引脚。
• DE 和 /RE -> 连接在一起，并连接到MCU的一个GPIO引脚（如CTRL_PIN）。
3. 总线端（A， B）：
• 在芯片的A和B引脚上，通常需要**串联一个小电阻（如22Ω）**作为短路保护或者PTC，但是PTC成本比较高。
• 在总线远端（电缆的尽头），需要在A和B之间并联一个终端电阻（通常是120Ω） ，以消除信号反射。如果传输距离很短或波特率很低，可以省略。
• 为了增加抗干扰能力，通常在A线和B线到地之间各接一个ESD保护二极管（很多芯片已内置）和一个上拉/下拉电阻网络（例如，A线上拉至VCC，B线下拉至GND），以确保总线在空闲时处于一个确定的失效安全状态。
为什么通常在A线和B线和一个上拉/下拉电阻网络，A线上拉至VCC，B线下拉至GND）？
- 核心原理：为什么要建立偏置电压？
回忆一下RS-485的逻辑电平定义：
逻辑 1： B线电压 - A线电压 > +200mV
逻辑 0： A线电压 - B线电压 > +200mV
无效状态： -200mV < B线电压 - A线电压 < +200mV
现在考虑一种情况：当总线上没有任何一个发送器在驱动总线时（即所有发送器都处于高阻态），总线处于"空闲"状态。 这时，A和B两条线都处于浮空状态，电压不确定，容易受到外部电磁干扰。这会导致A、B之间的电压差在-200mV到+200mV这个"无效区间"内随机波动，接收器（如485芯片）的输出RO也会变得不确定，可能会向MCU输出乱码，导致UART帧错误。
解决方案： 通过外部电阻，在总线空闲时，主动为A和B线建立一个稳定的、大于+200mV的差分电压。
将A线通过一个电阻上拉到VCC（或逻辑高电平），迫使A线处于一个高电位。
将B线通过一个电阻下拉到GND，迫使B线处于一个低电位。
这样，在总线空闲时，我们人为地创造了一个条件：B线电压 - A线电压 = （一个低电位 - 一个高电位） = 一个明显的负电压差。这个负电压差的绝对值必须大于200mV，从而使接收器能明确地判断出这是一个逻辑0。
而对于UART协议来说，线路空闲时（没有数据传输）的电平应该是高电平（逻辑1）。这里似乎产生了矛盾？请注意以下关键点：
RS-485是电平标准，UART是数据协议。
UART期望在空闲时TX和RX线为高电平（逻辑1，对应RS-485的B>A）。
但我们刚才建立的偏置是 A > B（逻辑0）。
这里有一个常见的误解点： 这个偏置的目的首要是防止总线进入不确定状态，而不是为了匹配UART的空闲状态。具备失效保护功能的接收器在检测到 A > B 的逻辑0时，其RO引脚会输出高电平。这样，就完美地匹配了UART的空闲高电平要求。
简而言之：偏置电阻确保总线空闲时 VA > VB，接收器检测到这个确定的"0"状态后，输出高电平RO=1，使得MCU的UART RX引脚收到高电平，正确识别为空闲状态。
电阻值如何取值
常用4.7kΩ（弱偏置，省电）或1kΩ（强偏置，抗干扰更好） 。具体值需根据终端电阻、节点数、电源电压和功耗要求权衡。
但要注意，上拉电阻电源要做好防倒灌措施
这是最简单、最经济的防倒灌方法。
• 做法： 在偏置上拉电阻Rup和本地VCC之间，串联一个普通的开关二极管（如1N4148）。二极管的正极接VCC，负极接Rup电阻。
• 原理：
o 当设备正常供电时，VCC电压高于总线电压，二极管正向导通，为总线A线提供上拉偏置。
o 当设备断电时，本地VCC=0V。总线A线上的电压会使二极管处于反向偏置状态，从而切断了电流倒灌的路径。
• 优点： 成本极低，电路简单。
• 缺点：
o 二极管有正向压降（约0.7V），会降低实际加到总线上的偏置电压。计算偏置电压时需要将这个压降考虑进去（例如，VCC=5V，则实际上拉电源约为4.3V）。
o 无法解决不同电源域电压不一致的问题。
在许多应用中，为了简化从设备设计，会采用一种更简单的方法：
• 做法： 在整个RS-485网络中，只在主设备（或一个始终在线的设备）上安装一套偏置电阻（Rup和Rdown），而所有从设备完全不安装偏置电阻。
• 原理： 由一个可靠的、永不掉线的电源（主设备电源）来建立整个总线的偏置。从设备只负责通信，不参与提供偏置。
• 优点：
o 从根本上避免了从设备掉电带来的倒灌问题。
o 简化了从设备的电路设计和PCB布局。
o 降低了整体网络功耗。
• 要求： 必须确保主设备稳定可靠，永不掉电。如果主设备掉电，整个总线将失去偏置。
四、485终端120Ω电阻什么时候焊接什么时候不需要焊接？
一句话总结
120Ω终端电阻应该在RS-485通信电缆的物理两端（最远的两端） 的设备上焊接，而在总线上的所有其他设备上都不应该焊接。它的核心目的是匹配电缆的特性阻抗，消除信号反射。
1. 什么时候 必须焊接？
当通信电缆的长度接近或超过 "电气长度" 的临界值时，必须在总线的物理始端和末端设备上焊接120Ω终端电阻。
什么是"电气长度"临界值？
这个临界值取决于信号的上升/下降时间和波特率。一个工程上常用的简化经验法则是：
当电缆长度 L（米）满足 L>传输延迟(ns/m)信号上升时间(ns) 时，就必须考虑终端匹配。
对于常见的RS-485通信（使用双绞线电缆，信号传播速度约为光速的2/3，即 ~0.2m/ns），这个经验法则可以简化为：
通信波特率 > 100 kbps 或 电缆长度 > 100米时，强烈建议焊接终端电阻。
为什么？
信号在电缆中是以电磁波的形式传播的。当电缆长度相对于信号的波长（与波特率和上升时间有关）足够长时，信号到达电缆末端会因为阻抗不连续而发生反射，反射波会与原信号叠加，造成波形严重畸变，导致数据错误。120Ω电阻的作用就是吸收信号能量，防止其反射。
2. 什么时候 可以不焊接？
当通信电缆很短，且通信波特率较低时，信号反射的影响很小，可以不焊接终端电阻。不焊接的好处是简化布线，并降低功耗（终端电阻会形成分压，消耗少量功率）。
典型场景：
电缆长度只有几米或十几米。
波特率在9600bps以下。
通信环境良好，没有强烈的电磁干扰。
注意： 即使电缆很短，如果通信不稳定（误码率高），尝试焊接终端电阻是首要的排查手段之一，因为可能是其他因素（如连接器、支线）导致了阻抗不匹配和反射。
3. 什么时候 绝对不能乱焊？
绝对不能在总线上的每一个设备都焊接120Ω电阻！
RS-485总线的特性阻抗约为120Ω。根据电阻并联公式，如果在总线上并联了N个120Ω电阻，总负载电阻会变为 120Ω/N。
挂接2个设备：总电阻 = 120Ω / 2 = 60Ω
挂接4个设备：总电阻 = 120Ω / 4 = 30Ω
...
芯片驱动器有最小负载电阻的要求（通常为54Ω至60Ω）。如果总负载电阻过小，会导致驱动器过载、发热，甚至无法产生足够的差分电压，使整个网络通信失败。
正确做法： 只在物理上处于总线最远两端的那个设备上焊接120Ω电阻。这样，整个总线只有一个120Ω的终端负载。
4.实践建议与配置方法
使用连接器或跳线： 在设备PCB设计时，最好的做法是将120Ω电阻的位置预留出来，但不直接焊接，而是通过一个2PIN的插针跳线帽或者一个0Ω电阻来选择是否连接。
当判断这个设备处于网络末端时，插上跳线帽或焊上120Ω电阻。
当设备处于网络中间时，保持断开或焊上0Ω电阻（仅作连通之用）。
这种做法最灵活，便于现场调试。
如何判断我的设备是否在末端？
查看物理布线，你的设备是否在RS-485总线电缆的起点或终点。
如果你的设备后面再也没有其他设备连接，那么它可能就是末端设备。
五、RS-485的静电防护
方案1：基础防护（必需）
这是最低要求，即使是最简单的应用也建议加上。
• 元件 ： 在A线对GND、B线对GND之间各加一个TVS二极管 ，或者在A和B之间加一个双向TVS二极管阵列（如SMBJ6.5CA 或 SMAJ6.5CA）。
• 作用 ： TVS响应速度比内部ESD二极管更快，钳位电压更低，能吸收比ESD能量更大的瞬态脉冲（如EFT），为内部芯片提供第一道屏障。
• 接线 ： TVS应尽可能靠近485芯片的A、B引脚放置。
方案2：标准防护（推荐用于工业环境）
这是最常见、最具有性价比的方案，能应对绝大多数工业场景。
• 元件 ： 在TVS二极管的前端（靠近电缆接口一侧），串联PTC自恢复保险丝 或电阻。
• 作用 ： 这是一个经典的"限压+限流"组合。
o TVS管负责限压，将瞬态高压钳位在安全范围。
o PTC负责限流，当有大电流（如浪涌）通过时，PTC电阻急剧变大，从而限制流入TVS和芯片的电流，保护它们不被烧毁。故障消除后，PTC能自动恢复。
• 布局顺序（从接口到芯片）： 电缆 -> PTC -> TVS管 -> 485芯片芯片。
方案3：高强度防护（用于极端恶劣环境）
如果设备用于户外、变电站等可能有雷击感应浪涌的区域，需要最高级别的保护。
• 元件： 在方案2的基础上，在最前端增加一个气体放电管。
• 作用： GDT能泄放巨大的雷击浪涌电流（如10kA以上），但它的响应速度较慢（微秒级），残压较高。TVS响应快，但通流能力小。两者结合，GDT先承受大部分大能量，TVS再将电压进一步钳位到芯片可承受的水平。PTC则提供过流保护。
• 布局顺序： 电缆 -> GDT -> PTC -> TVS -> 485芯片芯片。
如果设备为金属外壳，同时单板可以独立的划分出接口地，那么金属外壳与接口地直接电气连接，且单板地与接口地通过1000pF电容相连；
如果设备为非金属外壳，那么接口地PGND与单板数字地GND直接电气连接。
总结
以上就是今天要讲的内容
参考博文RS485接口6KV防雷电路设计方案