RS485和CAN总线布线规则及常见问题解答

德阳四星电子技术有限公司

关键词：RS485布线、CAN布线、RS485终端电阻、RS485支线问题、RS485接口隔离

1、概述

笔者结合多年工程实践经验，与广大同行讨论一番关于RS485和CAN总线布线工程中的一些常见问题。本文讨论的内容适合基于这些物理接口的各种底层和上层协议总线，如RS485、PROFIBUS、PPI、MPI、MODBUS、MODBUS+、CC-Link……；CAN、CAN FD、DeviceNet、CANopen、SDS、NMEA2000、 SAE J1939、SAE J2284 等。

众所周知，RS485和CAN是一种采用双绞线（特性阻抗为120欧姆）传输的、手牵手、无支线、总线两端必须有终端电阻的一种线性总线结构，如图1-1所示。

图1-1 标准的RS485和CAN总线连接拓扑

为图示清晰，后面均采用下面图1-2所示的简洁图示：

图1-2标准的RS485和CAN总线连接拓扑简洁图示

2、RS485和CAN总线的终端电阻

关于RS485和CAN总线终端电阻的详细论述请参看相关教科书。简单的表述是：当信号在电缆中传输时，由于电缆的线间电容、电感和电阻的作用，会产生信号反射，从而引起波形畸变使得通信数据出错。在电缆的两端各并接一只与电缆特性阻抗相同的电阻，就可以消除这种信号反射，从而保证数据正常传输，这两个电阻就叫做终端电阻。双绞线的特性阻抗通常为120欧，所以终端电阻的标准值通常也为120欧。如上面图1-1和图1-2所示。

由于信号是双向传输的，所以一段总线电缆的终端电阻是2个，需分别安装在一段电缆的两端。当总线中安装有中继器、集线器、光纤转换器等部件后，电缆就被这些部件分割成了几段，每段电缆的两端都须安装终端电阻，以此类推，如图2-1、图2-2、图2-3所示。

图2-1 有中继器时的终端电阻配置

图2-2 有集线器时的终端电阻配置

图2-3 有光纤转换器时的终端电阻配置

2.1、RS485和CAN总线电缆超过多长才需安装终端电阻？

这个问题与通信波特率（通信速率）密切相关，笔者实际测试的结果是，RS485波特率为9.6Kbps时，电缆长度几百米无需终端电阻也能正常通信，波特率12Mbps时，电缆长度十几米必须有终端电阻才能正常通信；CAN总线波特率为1Mbps时，电缆长度几米也必须有终端电阻才能正常通信。总之笔者认为，不管电缆长短，都应该有终端电阻，遵守规则总是正确的。

2.2、为什么有的RS485总线两端必须安装有源终端电阻？

先看一个案例：如图2-4，两台西门子S7-200PLC之间通讯，电缆长度十几米，没有120欧终端电阻时通信正常，有120欧终端电阻时则不能通信。

图2-4

分析如下：

如图2-5是S7-200PLC的RS485通信口简化图，为了保证总线上能够挂接数十个RS485站点，PLC的RS485接口上只能设计两个100K的弱上拉电阻和下拉电阻（也称为偏置电阻，该电阻不能过小，否则节点挂多了时会把总线拉死！）。

图2-5 S7-200PLC的RS485接口简图

接入120欧终端电阻后，在RS485总线上产生偏置电压为：5×0.12 /（100+100+0.12）=0.003V，众所周知，RS485芯片的门限电压为±0.2V，也就是说RS485输入电压在-0.2V～+0.2V之间时，其接收器的输出是不确定的，如果接收器输出为逻辑0 ，就会使CPU收到连续长0信号而无法正常通信。

西门子为解决这种问题设计了两种产品：总线连接器和有源终端电阻，二者原理相同，都是在终端电阻上增加了390欧的上拉电阻和下拉电阻，如图2-6所示，RS485空闲时，在总线上产生逻辑1偏置电压为：5×220 /（390+390+220）=1.1V，或5×120 /（390+390+120）=0.66V，该电压大于RS485的门限电压0.2V，从而保证了RS485接收器输出为逻辑1，使总线处于空闲待机状态。

图2-6 RS485总线上拉下拉电阻的原理

西门子采用的终端电阻是220欧，笔者测试的结果是：电缆长度1000米，RS485芯片发送器发送信号，用示波器观察该RS485芯片的接收器输出，电缆的两端都有390欧的偏置电阻时，终端电阻为220欧和120欧都没有信号反射，当电缆只有一端有390欧偏置电阻时，终端电阻为120欧仍然没有信号反射，220欧时有信号反射。

图2-7是西门子总线连接器原理图，图2-8是四星电子有源终端电阻原理图。

图2-7 西门子总线连接器原理图

图2-8 四星电子有源终端电阻原理图

另一种结构的RS485接口电路，如CC-Link，如图2-9所示，这种RS485接口电路无需在设备外部设计上拉下拉电阻，直接并接120欧终端电阻即可，即使总线短路也不会使RS485接收器输出长逻辑0给CPU，读者可自行分析。

图2-9 CC-Link的RS485接口电路

CAN总线的门限电平为≥0.9V才有效，因此也就不存在上拉下拉电阻问题了，直接在电缆两端并接120欧终端电阻即可。

3、RS485和CAN总线的支线问题

支线问题往往被很多用户忽视，当支线较多或太长时会产生一些奇怪的通信故障。支线是指RS485或CAN接口到总线的那一段电缆，如图3-1所示。

图3-1 RS485和CAN总线的支线

当RS485或CAN信号在总线上传输时，会在支线中产生回波使得信号波形畸变，当支线长度过长或者支线站点过多时尤其严重。常见的错误支线如图3-2所示。

图3-2 RS485和CAN常见错误支线

3.1、支线到底允许多长？

相关文献和产品说明书上讲RS485或CAN的支线允许长度时，几乎没有统一的数据，有说允许支线最长1米，有说允许支线最长5米，特别是CAN总线的支线问题，其允许每个支线长度和支线数量等还有很复杂的估算公式。其实支线长度也是和通信波特率密切相关的，笔者认为，施工布线成无支线为上策，避免不必要的麻烦。

3.2、怎样做到无支线？

对于接口形式是DB9插座的现场总线，如PROFIBUS、PPI、MPI、CANOpen，西门子等公司早已设计有PROFIBUS总线连接器（俗称DP插头）、CANOpen总线连接器等部件，只要使用这些连接器就可实现无支线的网络结构，PROFIBUS总线连接器的原理图见前面的图2-7，下面图3-3是CANOpen总线连接器原理图。

图3-3 CANOpen总线连接器原理图

现在新型的DeviceNet连接器采用了一分二的双孔连接器端子，同样也实现了无支线的网络结构，如图3-4所示。

图3-4 DeviceNet一分二连接器

对于那些只有一对接线端子的RS485和CAN接口，可采用双线并接一个端子的方式来实现无支线结构，如图3-5所示。

图3-5 双线并接的无支线结构

3.3、无法避免支线怎么办呢？

在RS485和CAN总线布线施工时，有些时候由于环境局限或本身就需要将电缆分支引到别处，这时就必须在分支处安装中继器，经过中继器就产生了一条新的总线，且传输距离符合RS485标准，如图3-6所示。注意，图中的中继器在总线段1中是作为一个站点（节点），在总线段2和总线段3中是作为一个终端。

图3-6 RS485和CAN总线在分支处须安装中继器

4、RS485信号极性标注符号

RS485标准中没有规定信号正负极性的符号，因此各厂家产品标注RS485信号正负极性的符号各不相同，中国的产品以及日本三菱的PLC、CC-Link等工控产品多以A（或DA）表示RS485信号正、B（或DB）表示RS485信号负。而西门子、欧姆龙、施耐德等则相反，用B表示RS485信号正、A表示RS485信号负。 用户经常因此犯糊涂。

判断RS485信号正负极性很简单：取下电缆，用万用表电压档测量一下RS485两个端子上的开路电压极性便知，RS485开路时，即使内部没有设计上拉下拉电阻，也总会有一定的残余电压。

四星电子的RS485正负极性符号为D+、D-，不易混淆。

5、RS485和CAN的信号地和屏蔽地

RS485和CAN总线电缆通常使用带屏蔽层的双绞线电缆，屏蔽层需接到各个站点的机壳地（屏蔽接地，符号通常为FG、SLD），这是屏蔽电缆接地的常规做法，很好理解，不用赘述。

很多RS485和CAN总线产品还有一个信号地（通常符号为SG、DG）端子，按照相关标准上的表述是需要用一根导线将所有站点的信号地连通，使之成等电位，以免各站点地电位差太大损坏RS485或CAN器件。如图5-1所示。

图5-1 将各站点的信号地SG连成等电位

CC-Link、DeviceNet、CANOpen等在产品上和通信电缆均设计了这个信号地线，而PROFIBUS从产品到通信电缆均没有设计这个信号地；众多的RS485、CAN总线在实际工程中其实都是使用二芯双绞线，大多数的用户都没有连接各站点的信号地线。

笔者认为，如果各站点的接口是经过隔离的，则完全没有必要连接第三条信号地线，因为隔离后各站点的信号地是各自独立不相干的，不会形成地线回路。

6、RS485和CAN总线的传输距离

RS485和CAN总线的传输距离除了与使用的双绞线有关外，还与通信波特率密切相关，波特率越低传输距离越远，反之波特率越大传输距离越短。RS485和CAN总线均规定了所使用双绞线的参数，如表6-1、表6-2所示。

表6-1  RS485专用双绞线电缆参数

表6-2  CAN总线专用双绞线电缆参数

有的电缆生产厂家为节省成本，在铜线中添加了其它廉价合金，这将使得电缆的电阻值增大，在购买电缆时需指明为无氧铜电缆。用户可对电缆进行一下简单粗略的测试：

用万用表电阻档测量电缆的电阻值、游标卡尺测量导体的直径（换算成截面积），根据导体电阻计算公式R= ρL/S，ρ：铜的电阻率为0.017，L：电缆长度（米），S：电缆截面积（mm2），根据公式可判断电缆是否为纯铜材质。

用万用表电容档测量电缆的线间电容，每米的线间电容应小于60pf。

表6-3 不同波特率下RS485的最大传输距离

表6-4 不同波特率下CAN总线的最大传输距离

为什么CAN总线电缆长度超过1km时，要求双绞线导体的截面积≥1.5mm2  ？

几乎所有关于CAN总线的教科书和产品手册上都提到CAN总线在通信速率为5Kbps时通信距离可达10公里，10Kbps时通信距离可达5公里，但用户在实际使用中却达不到说明书上注明的最大通信距离，原因何在？这里人们忽略了传输线的截面积问题，因为CAN在远距离传输时需要较粗的双绞线！我们假定不考虑通信线路的电感和线间电容，CAN数据发送和接收如下图6-1所示：

图6-1 CAN总线信号的发送与接收

图中：Rt为终端电阻，Rt=120欧；R为双绞线电缆电阻（二根线的电阻），阻值由线路的长度和粗细确定；Vo为CAN发送器输出电压，当接上终端电阻Rt时，Vo=2V；Vi为CAN接收器的输入电压，Vi≥0.9V时信号有效。

当发送器发送信号时Vo=2V，接收器输入电压Vi≥0.9V时信号被接收，这时允许通信线路的最大压降为：Vr=Vo-Vi=2-0.9=1.1V。线路电阻为：R=RtVo/Vi-Rt=120×2/0.9-120=146欧，线路导线的截面积为：S=ρL/R    S:：导线截面积mm2，ρ：铜的电阻率，ρ=0.017，L：线路长度（二芯），当通信距离为10公里时L=20000米，由此得出通信距离为10公里时的最小导线截面积为：S=0.017×20000/146=2.3 mm2。考虑到双绞线的电感和线间电容，截面积应该大于2.3 mm2，实际上传输10km距离时，双绞线截面积应选2.5mm2以上。

实际应用中，如果已敷设好截面积较小的双绞线，可将总线两端的终端电阻适当增大，比如可在120欧～390欧之间选择来试试，这样可提高CAN接收器分得的信号电压，因为低速通信时，较大的终端电阻产生的信号反射往往在容忍范围内。下表6-5是实测的CAN总线在不同传输距离和不同波特率下可使用的终端电阻经验数据。

表6-5  CAN总线不同传输距离和波特率可使用的终端电阻经验数据

影响传输距离的因素除以上所述外，还和工业现场的干扰相关，特别是与大功率变频器通信时，其传输距离会大大的缩短。必要时需要增加安装中继器或隔离器来解决这些问题。西门子的相关产品说明书就表述得很保守，规定非隔离的RS485口传输距离不能超过50米，我们实测结果远不止50米，说明人家是考虑了现场干扰等综合因素。所以我们在实际工程中所使用的电缆长度最好不要超过标准规定的70%为宜，凡事需留有一定的余地。

7、RS485和CAN总线的星型连接

手牵手一条总线走到底的总线型连接是RS485和CAN的经典网络拓扑，但也存在以下缺点：

● 某个站点故障时可能会影响整条总线。

●  排查故障麻烦，特别是站点较多时，要找到故障站点很费时。

●  总线如遭遇雷击浪涌，可能损坏所有连接在总线上的站点设备。

●  在某些环境下施工麻烦。

●  对于总线型光纤连接，某个光纤适配器停电时，则后面的站点就无法进行通信了。

星型连接的网络拓扑就能很好的解决上述问题，如图7-1所示为使用集线器后星型连接拓扑。

图7-1 RS485和CAN总线的星型连接

四星电子为RS485和CAN总线的星型连接拓扑研发出了系列集线器，如组合式RS485集线器、组合式CC-Link集线器、组合式LonWorks集线器、PROFIBUS集线器、CAN总线集线器、AS-i总线集线器等系列产品。如图7-2所示。

图7-2 四星电子各种现场总线集线器

8、RS485和CAN总线接口隔离

接口隔离是用光耦将RS485或CAN接口与内部电路隔离开来，这样一来总线上的各个站点通信口之间就没有电的连接，也不会形成地线回路，起到了很好的抗共模干扰的作用，各站点的信号地就不必用导线连成等电位。在有些场合，接口隔离是必须的，如变频器的RS485口或PROFIBUS口，变频器的工作原理决定了其RS485口在输出正常数据信号的同时，往往还夹杂着一些杂波干扰信号，这些信号时常会使传输数据出错，现场实践中通常表现为通信时通时断。

用RS485隔离器可以解决或改善这种问题，如图8-1所示。图中接变频器的是RS485隔离器，接PLC的是隔离型的PROFIBUS总线连接器。

图8-1 西门子PLC与变频器隔离通信方案

9、RS485和CAN总线接口保护

图9-1是四星电子出品的RS485和CAN总线通用接口保护器BH-485，从图中可看出该保护器设计为二级保护，第一级采用陶瓷放电管吸收雷电浪涌，然后经过自恢复保险限流到第二级TVS保护，三个TVS器件分别对信号线之间、信号线与信号地之间进行钳位保护。

该保护器内还带有120欧终端电阻，通过短路S1、S2端子来接入终端电阻，而且该产品设计成J1、J2双接线端子，这样便于实现手牵手的无支线的连接方式。

图9-1 RS485和CAN浪涌保护器

10、RS485站点上电时对总线的影响

在实际工程中，有的从站是间歇式工作的，即需要时通电连入总线，不用时则关断从站电源。在设备上电的过渡过程中，其RS485口输出是不确定的，可能输出逻辑1或逻辑0电平短暂的拉死总线，从而造成通讯闪断。

如图10-1的接口电路设计可以防止这种现象的发生。

当上电瞬间，C1电压不能突变，或非门U1的1脚为高电平，输出3脚为低电平，确保了RS485芯片U2的发送器关闭，不会对总线造成扰动；当经过t=R1×C1时间后，U1的1脚变为低电平，使能信号EN才开始控制RS485芯片U2的数据收发。二极管D1的作用是反向电压钳位保护。

图10-1 上电瞬间不会对总线产生扰动的电路

CAN总线站点上电的过渡过程中，CANH、CANL是处于高阻悬浮状态，不会对总线产生影响。

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