RS-485通信协议及网关通信协议

一、RS-485通信协议

通信协议分为两部分，分别是硬件层协议和软件层协议，其中硬件层协议主要就是为了解决数据传输等问题，比如RS-232、RS-485、CAN总线等；软件层协议有Modbus协议等。

（一）硬件层协议

硬件层协议如RS232、RS485、CAN、IIC 、SPI等，主要是解决数据怎么传的问题。如发送1给对方，约定传输线路的电压应该是多少伏等，即都是解决0 和1 怎么传送的问题。

图 3-17展示的是硬件层三种传输方式：第一种为USART直连式：TTL电平是处理器控制的设备内部各部分之间通信的标准技术，STM32F1x系列的单片机以3.3V作为逻辑“1”，0V等价于逻辑“0”。TTL电平是单片机常用的USART通信方式。第二种是RS-232连接式：其逻辑1范围为-3V～-12V，逻辑0范围为+3～+12V，需要电平转换芯片实现转换。最后是RS-485连接式：采用差分信号负逻辑，逻辑“0”以两线间的电压差为+(2~6)V表示；逻辑“1”以两线间的电压差为-(2~6)V表示。RS-485的传输距离最长能达到1000M，RS-232为20M，USART为2M。USART是一种协议方式，根据不同电平方式分为RS-232和RS-485。

图3-17硬件层传输示例

RS-485采用差分传输方式，也称作平衡传输；它使用一对双绞线，一线定义为A，另一线定义为B；A、B线之间电平在+2～+6V，为逻辑“0”； A、B线之间电平在-2 ～ -6V，为逻辑“1”。

图3-18RS485通信协议

TTL和485都是解决0和1怎么传送的问题，TTL的处理方式是当输出为0时，这条线的电压小于0.4V；输出为1时，大于2.4V。因为一个是信号线，一个是地线，所以TTL信号线上的干扰信号会跟随有效信号传到接收端，为了减少干扰，接一个485。485是通过硬件层的芯片把TTL的一根信号线变成两根信号线A和B，如果A比B电压高，则发送1，否则发送0。

差分传输方式的意义就在于它能够极大的减少各种干扰，在接收端，由于其接收器是把正负信号相减的结果做为逻辑判决的依据，因此即使信号线上有严重的共模噪声或者地电平的波动，对于最后的逻辑电平判决影响很小。如图 3-20所示，无干扰时（DT）=(D+)-(D-)，有干扰时（DT）=[(D+)+Noise]-[(D-)+Noise] =(D+)-(D-)。

图3-20差分传输方式

二、RS-485网络实现方式

RS-485一般采用带有终端匹配的总线型结构（也称“手拉手”方式），不支持环形或星形网络。值得注意的是：总线的不同区段采用了不同电缆；各分支引出线过长；不接终端电阻（120欧）尽量远离动力线，尤其避免平行走线；单独走镀锌线管。

图3-21RS-485网络的拓扑结构示意图

图 3-22A、B、C为错误连接方式；D、E、F为正确连接方式。

图3-22RS-485总线正确及错误连接方式

RS-485网络线材选择主要采用“屏蔽双绞线（STP）”组网，双绞线的优点就是抗干扰能力强，作为数据传输协议，最重要的就是保证数据的稳定性和准确性，所以抗干扰也是很重要的一环，RS-485为半双工，只需一对平衡差分信号线。

图3-23RS-485网络线材

RS-485工业总线标准要求各设备之间采用链条式连接方式，两头必须接有120Ω终端电阻。但是在通信过程由于阻抗不连续和阻抗不匹配会导致信号反射，在电缆的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻，使电缆的阻抗连续；普通双绞线的特性阻抗为120欧，所以终端电阻一般选择120欧；在设备少距离短的情况下可不加终端电阻(小于300米)。

在RS-485网络施工中需要注意以下4点：第一是在条件允许的情况下，RS-485网络可采用“多股屏蔽双绞线”，多股是为了备用，屏蔽是为了便于出现特殊情况时调试；第二是RS-485总线一定要用手牵手式的总线结构，坚决避免星型连接和分叉连接；第三是设备供电的交流电及机箱一定要真实接地，确保接地良好，以防止雷击、浪涌冲击等意外情况损坏485设备；第四是为避免强电对其干扰，485总线应避免和强电走在一起。

三、RS-485与主从协议

软件层协议，即通讯协议，用于不同厂商之间的设备交换数据（一般是工业用途）。主从模式有如下规定：第一是系统中只能有一个主机；第二是任何时候所有从机不能给主机主动发送数据。

图3-24RS-485主从模式示意图

第三是上电后所有设备处于接收状态（监听），等待数据信号的来临；第四是主机要发送数据，先把自己设置为发送状态（通过改指定IO口的电平为1）,发送结束设置为接收状态；第五是从机接收到数据后，改为发送状态，因为要回应数据给主机。回应结束要改为接收状态。

图3-25RS-485引脚示例

四、网关协议

网关(Gateway)又称网间连接器、协议转换器。网关在传输层上以实现网络互连，是最复杂的网络互连设备，仅用于两个高层协议不同的网络互连。网关协议又分为外部网关协议和内部网关协议。

（一）外部网关协议

外部网关协议又简称为BGP，它的主要功能是控制路由策略，如是否愿意转发过路的分组等。BGP的报文通过TCP连接传送。BGP报文可实现以下3个功能过程：

1.建立邻居关系

位于不同的自治系统中的两个路由器首先要建立邻居关系，然后才能周期性地交换路由信息。建立邻居关系地过程是：一个路由器发送open报文，另一个路由器若愿意接收请求，则以keepalive（保持活动状态）报文应答.

2.邻居可达性

这个过程维护邻居关系地有效性。通过周期性地互相发送keepalive报文，双方都知道对方的活动状态.

3.网络可达性

每个路由器保持一个数据库，记录着它可到达的所有子网。当情况有变化时，用更新报文把最新信息及时地广播给所有实现BGP的路由器。

（二）内部网关协议

内部网关协议又分为RIP和OSPF，Internet的内部路由协议经过了几次大的变化。最初的RIP（路由选择信息协议）是基于Bellman-Ford算法的延迟矢量协议。这个协议规模不大时工作得较好，当网络规模扩大后，因为交换的路由信息太多而显得效率很低。于是，在1979年5月被另一个路由协议——基于Dijkstra算法的链接状态协议所取代。从1988年开始，IETF开始研制新的路由协议，这就是OSPF（开放最短路径优先）协议。1990年，OSPF正式成为新的内部路由协议标准。OSPF基本上仍是一种链路状态协议。