RS-485的節點(diǎn)和距離的理論極限

在下一代RS-485總線(xiàn)的概念下，BOSIKA將原本用于延長(cháng)RS-485通信距離并且提高負載能力的中繼器與RS-232/RS-485轉換器進(jìn)行綁定，推出RS-232 /RS-485中繼轉換器，同時(shí)對RS-485信號的流向進(jìn)行整理，使得用戶(hù)在使用時(shí)感覺(jué)就是一個(gè)RS-232與RS-485的轉換器。這種思想體現在最新的《一種帶中繼功能的串口轉換器》專(zhuān)利文獻中。對于BOSIKA而言，下一代RS-485總線(xiàn)的變化就是要不受最遠距離和節點(diǎn)數的限制，同時(shí)下一代RS-232/RS-485中繼轉換器485A2還得保持無(wú)需供電的特性。在這個(gè)思路中，BOSIKA的RS-232/RS-485中繼轉換器突破了傳統RS-485總線(xiàn)的節點(diǎn)數和距離的限制。每接一個(gè)RS-232/RS-485中繼轉換器，RS-485信號都得到了中繼增強，所以這種 RS-485總線(xiàn)不再受一條RS-485總線(xiàn)最遠1200米的限制，而是當接M個(gè)轉換器時(shí)就可以達到1200米的M倍距離，M是否不受限制---本文將討論M的理論極限。傳統的RS-485總線(xiàn)有接負載個(gè)數的限制，比如128個(gè)，就是同一條RS-485總線(xiàn)中最多掛128個(gè)RS-485口。使用M個(gè)RS-232/RS- 485轉換器構成的RS-485總線(xiàn)中，由于接入的轉換器將RS-485總線(xiàn)分開(kāi)為了M段(每一段之間相當于有一個(gè)中繼器)，所以當接M個(gè)轉換器時(shí)就可以達到128×M倍的負載個(gè)數，M是否受負載數限制---本文也將討論。

1、突破RS-485節點(diǎn)和距離極限的布線(xiàn)方式

RS-232/RS-485中繼轉換器有一個(gè)DB-9孔的RS-232口和2個(gè)帶接線(xiàn)端子的RS-485。DB-9孔端用于接RS-232口、 DB-9針端通過(guò)接線(xiàn)端子板接RS-485口。485A2的接線(xiàn)端子板上有5個(gè)接線(xiàn)端子(A1、B1、GND、B2、A2) ，為兩個(gè)RS-485口，共用GND地線(xiàn)。A1、B1與A2、B2是功能完全相同的，不分方向。 兩個(gè)RS-485口具有相互中繼的功能。

485A2應用與RS-485多機通信的典型接線(xiàn)圖。若每一段RS-485的距離為1200米和128個(gè)，則整個(gè)RS-485系統的距離達到(M×1200米)、節點(diǎn)數達到(M×128)?？梢钥闯?，使用了485A2的RS-485總線(xiàn)布線(xiàn)極其簡(jiǎn)潔。最遠兩端可以用485A，也可以用 485A2。注意整個(gè)RS-485系統共用GND線(xiàn)。

2、RS-485多機通信節點(diǎn)數的極限

假設RS-485通信的地址編碼為8位，那么最多的節點(diǎn)數就是2^8=256;假設RS-485通信的地址編碼為10位，那么最多的節點(diǎn)數就是2^10=1024。10位已經(jīng)多到極少用到。這個(gè)總線(xiàn)中的RS-485節點(diǎn)數的極限完全取決于通信軟件 ，與總線(xiàn)中所接的RS-485中繼轉換器個(gè)數沒(méi)有關(guān)系。實(shí)際上，因為受RS-485接口芯片性能的限制，每一段RS-485目前最多接128個(gè)節點(diǎn)，所以要達到256個(gè)的極限就得至少接一個(gè) 485A2中繼轉換器，要達到1024極限就要至少8個(gè)485A2中繼轉換器。

3、完全失敗的RS-485通信距離的理論極限

假設波特率為9600bps，就是每秒9600位。每個(gè)數據有1個(gè)起始位、8個(gè)數據位、1個(gè)校驗位、1個(gè)停止位，一共10位。也就是傳輸一個(gè)數據(1byte)的時(shí)間是11/9600=0.001145s。在這個(gè)時(shí)間內電磁波的傳輸距離(也就是光速為299792458m/s )為 343512米，即343.5千米。

如果電信號的電磁波延時(shí)達到0.001145s(大約1.25ms)，那么就會(huì )延時(shí)到錯位一個(gè)數據，這樣就無(wú)法正常通信。怎么理解?在某一時(shí)刻主機以9600bps同時(shí)向所有從機發(fā)送一組信號(比如ABCD)，從機都立即響應回答數據，注意在9600bps下每傳一個(gè)數據的時(shí)間差為 1.25ms，也就是發(fā)A比發(fā)B早1.25ms，發(fā)B比發(fā)C早1.25ms……。那么主機收到的最遠的節點(diǎn)的回答A的數據與1.25ms后最近的節點(diǎn)回答 B的數據重疊，這樣就無(wú)法通信。

也就是RS-485的理論傳輸的最遠距離在9600bps時(shí)只有大約343512米。假設每1200米進(jìn)行一次中繼，343512/1200=286，也就是說(shuō)要達到RS-485的理論極限，需要至少286次中繼延長(cháng)。

4、無(wú)誤碼的RS-485通信距離的理論極限

并非只有當整個(gè)10位數據完全重疊時(shí)才無(wú)法通信，實(shí)際上只要有1位錯位存在誤碼就不好。雖然有時(shí)候軟件有一定糾錯功能，容許存在一定程度的誤碼情況下也可以傳輸數據，但是我們還是要弄清楚無(wú)誤碼的極限。

假設波特率為9600bps，就是每秒9600位。也就是傳輸一位(1bite)的時(shí)間是1/9600=0.000104s。在這個(gè)時(shí)間內電磁波的傳輸距離(也就是光速為299792458m/s )為31228米。如果電信號的電磁波延時(shí)達到0.000104s(大約0.1ms)，那么就會(huì )延時(shí)到錯位一個(gè)數據位，這樣就會(huì )出現誤碼。怎么理解?在某一時(shí)刻主機收到的最遠的節點(diǎn)的數據會(huì )與大約0.1ms前最近的節點(diǎn)發(fā)送的數據重疊一位，這樣就有誤碼了。也就是RS-485的無(wú)誤碼通信的理論最遠距離在9600bps時(shí)只有大約31KM。假設每1200米進(jìn)行一次中繼，31228/1200=26.02，也就是說(shuō)要達到RS-485的理論極限，需要至少26次中繼延長(cháng)。

以上可以看出，RS-485通信距離的理論極限與波特率成反比，波特率越高極限距離越短。當波特率為115200bps時(shí)(=12×9600)，無(wú)誤碼傳輸的理論極限距離為31228/12=2602米。只有大約2.6km!這也難怪RS-485的遠程通信只說(shuō)9600時(shí)傳輸多遠，幾乎不提115200bps。

5、其它介質(zhì)和其它總線(xiàn)的理論極限

以上的RS-485距離極限343512米以及31228米(9600bps)與傳輸介質(zhì)無(wú)關(guān)，就是說(shuō)用光纖傳輸RS-485最遠也是這么多，無(wú)線(xiàn)也是一樣。

以上的無(wú)誤碼RS-485距離極限31228米(9600bps)與協(xié)議無(wú)關(guān)，就是說(shuō)用CAN、PROFIBIUS最遠也是這么多，原理是一樣的。

以上的通信完全失敗的RS-485距離極限343512米(9600bps)與數據位數有關(guān)，而且成正比例，就是說(shuō)用CAN2.0(29位)比CAN1.0(11位)的極限更加大，大一倍以上。

到這里，大家一定會(huì )驚訝RS-485通信距離理論極限之短?；ヂ?lián)網(wǎng)、手機、GPS是如何傳輸幾乎無(wú)限遠距離的呢?為了實(shí)現遠程通信，互聯(lián)網(wǎng)和手機通信幾乎無(wú)法做到實(shí)時(shí)，而GPS對延時(shí)的計算及其精確。以后將另外專(zhuān)文討論。