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。
本文目錄
一、什麼是 RS485?
二、RS485 vs RS232
二、RS485 配線方式
1. RS485 一條配線串接多部設備
2. RS485 配線建議
3. 以下情況，RS485 必須加上終端電阻
四、RS485 兩線半雙工
五、RS485 適合的拓撲結構
六、RS485 搭配的通訊協定
七、RS485 的應用範例
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」。
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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。
| 二進制的0跟1的信號傳輸示意圖
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。
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。
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。
| RS485的布線方案
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。
[4]
3. 以下情況，RS485 必須加上終端電阻
| 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。
| 在 master 及線路最遠端使用終端電阻
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：
| RS-485電路示意圖
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
RS485常搭配的拓撲結構是菊花鍊拓撲和匯流排拓撲(總線拓撲)，適合長距離、多設備連接的應用，並保持信號傳輸的穩定性，有時兩者也被視為相似的概念。
網絡拓撲結構是指計算機網絡中各節點（如計算機、伺服器、交換機等）之間的連接方式。不同的拓撲結構設計適應不同的網絡需求和應用場景，影響著網絡的性能、可靠性和可擴展性，每種結構都有其特定的優缺點，以下將介紹常見的拓墣結構與RS485適配性：
名稱
示意圖
簡介
與 RS485 適配度
菊花鍊拓撲
（Daisy Chain Topology）
菊花鏈拓撲將每個節點串聯起來，每個節點有兩個連接，一個連接到前一個節點，另一個連接到下一個節點，可理解為串聯。這種簡單的設計成本低廉、布線簡單、易於擴展，適合佈置於小型網絡中。然而，任何連接中的中斷都可能使整個網絡中斷，這使其在較大的設置中可靠性較低。
適合 RS485 ，所有設備並聯到一條總線上，避免過長的分支線，並且在兩端使用終端電阻。
匯流排拓撲
（Bus Topology / Linear Topology）
也稱為總線型拓撲，所有設備都連接到一條中央電纜上，稱為總線。任何設備發送的數據都沿著總線傳輸到其他所有設備，但只有預期的接收者會收到該消息。這種拓撲結構易於安裝，所需的電纜比其他拓撲結構少。然而，總電纜故障可能會使整個網絡崩潰，因此僅適用於小型或臨時網絡。
適合 RS485，設備依次串聯，沒有長分支線，因此信號完整性得以保持，終端電阻也能正確使用。
主幹加分支
（Backbone with Stubs）
其中一個中央主幹連接各種較小的網絡或分支。主幹提供主要的通信路徑，處理高容量或關鍵的通信流量，而分支則處理本地流量。這種設計通過集中關鍵路徑並分散本地流量處理來簡化網絡管理並提高效率。
不太適合 RS485，分支線過長可能會導致信號反射，影響通訊穩定性。
樹狀拓撲
（Tree Topology）
一條中央骨幹電纜連接到不同分支，每個分支又連接多個結點，形成樹狀結構。可擴展性強，適合需要層次組織的大型網絡，然而，如果骨幹失效，網絡的很大一部分可能會受到影響。
不太適合 RS485，存在信號反射問題，特別是在多個節點和分支上。
環型拓撲
（Ring Topology）
環型拓撲是以公共電纜組成一個封閉的環，各節點直接連到環上，訊息沿着環按一定方向從一個節點傳送到另一個節點。
不適合 RS485。RS485 不支持閉環結構，環型拓撲容易導致信號反射和衝突。
主幹加星型/集群
（Backbone with Stars/Clusters）
一個中央主幹連接多個星型或集群網絡。每個星型網絡有一個中央節點連接到周邊節點。這種設計通過將網絡分割成可管理的集群來平衡負載並提高容錯能力，同時通過主幹保持強健的互聯性。
不適合 RS485。這種結構中有許多分支或星型佈局，會導致嚴重的信號反射和通訊錯誤。
星型拓撲
（Star Topology）
星型拓撲結構中，網路中的各節點通過點到點的方式連接到中央節點，由中央節點向目的節點傳送信息。中央節點執行集中式通信控制使中央節點相當複雜，負擔比其他節點來得重許多。在星型網中任何兩個節點要進行通信都必須經過中央節點控制。
不適合 RS485。星型結構會導致每個分支線都有過長的延伸，完全破壞了 RS485 所需的匹配阻抗。
在眾多的拓樸結構中，RS-485的最佳選擇是菊花鏈拓樸 (Daisy) ，因為這種拓撲方式對信號的完整性影響最小。 菊花鏈拓樸的特點是將各個設備按照順序連接在一條線上，形成一個環形結構。這種結構使得數據在各個設備之間能夠高效地傳輸，
同時減少了信號失真的風險。但是需要注意的是，隨著線長度增加，信號在通信線路上的傳輸會出現失真現象，進而降低最大可傳輸的數據速率。
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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
| 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實景
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。
參考資料
^ EIA-485 - Wikipedia
^ Serial Communication Interfaces: RS-232 and RS-485 - Black Box
^ RS-232, RS-422, RS-485: What Are the Differences? - Texas instrument
^ 蹼輪式流量計說明書-電機安裝-配線建議
^ 雙工-Wikipedia
^ RS485 vs Ethernet: Which One is Most Used in Industry?