本文針對地磅數字式稱重傳感器的串行通訊方式，對目前RS- 485通訊（四線 制）和RS- 485倆線制）作以下介紹和分析。

一、引言

目前國內市場數字稱重傳感器的通訊方式主 要采用兩線制RS-485接口，也有部分廠家采用四 線制RS-485接口。隨著數字稱重傳感器廠家的大 力推廣和客戶實際使用的良好效果，數字稱重傳 感器的應用范圍逐年擴大。市場競爭越加激烈，兩線制和四線制將成為數字稱重傳感器應用技術 討論的重要議題。

其實從專業(yè)技術角度歸納起來我們討論的本 質問題，就是數字稱重傳感器兩線制和四線制 RS-485接口的通訊問題（兩線制RS-485加電源 正和電源負兩根線后就是目前衡器廠家所謂的四 線制數字式稱重傳感器，四線制RS- 485加電源正 和電源負兩根線后，就是目前地磅廠家所謂的六 線制數字式稱重傳感器）。無論是RS-485接口還 是我們熟悉的RS-232接口，都屬于串行通訊接 口。本文就數字式稱重傳感器的串行通訊方式作 以下介紹和分析。

二、RS- 485串口通訊的發(fā)展史簡介

RS-232、RS-422與RS-485都是串行數據接 口標準，最初都是由美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA制 訂并發(fā)布的，RS-232在1962年發(fā)布，命名為 EIA-232-E，作為工業(yè)標準，以保證不同廠家產品 之間的兼容。RS-422由RS-232發(fā)展而來，它是 為彌補RS-232之不足而提出的。為改進RS-232 通信距離短、速率低的缺點，RS-422定義了一種 平衡通信接口，將傳輸速率提高到10Mb/s，傳輸 距離延長到4000英尺（速率低于100kb/s時），并 允許在一條平衡總線上連接最多10個接收器。 RS-422是一種單機發(fā)送、多機接收的單向、平衡 傳輸規(guī)范，被命名為nA/EIA-422-A標準。為擴 展應用范圍，EIA又于1983年在RS-422基礎上 制定了 RS-485標準，增加了多點、雙向通信能 力，即允許多個發(fā)送器連接到同一條總線上，同 時增加了發(fā)送器的驅動能力和沖突保護特性，擴 展了總線共模范圍，后命名為TIA/mA-485-A標準。由于EIA提出的建議標準都是以“RS”作為 前綴，所以在通訊工業(yè)領域，仍然習慣將上述標 準以RS作前綴稱謂。

RS- 232、RS- 422與RS- 485標準只對接口的 電氣特性做出規(guī)定，而不涉及接插件、電纜或協(xié) 議，在此基礎上用戶可以建立自己的高層通信協(xié) 議。因此在視頻界的應用，許多廠家都建立了一 套高層通信協(xié)議，或公開或廠家獨家使用。如錄 像機廠家中的Sony與松下對錄像機的RS- 422控 制協(xié)議是有差異的，視頻服務器上的控制協(xié)議則 更多了，如Louth、Odetis協(xié)議是公開的，而Pro- LINK則是基于Profile上的。

1.RS-232串行接口標準

目前RS- 232是PC機與通信工業(yè)中應用最廣 泛的一種串行接口。RS-232被定義為一種在低速 率串行通訊中增加通訊距離的單端標準。RS- 232采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊。

收、發(fā)端的數據信號是相對于信號地，如從 DTE設備發(fā)出的數據在使用DB25連接器時是2腳 相對7腳（信號地的電平。典型的RS-232信號 在正負電平之間擺動，在發(fā)送數據時，發(fā)送端驅 動器輸出正電平在+5?+15V，負電平在-5? -15V電平。當無數據傳輸時，線上為TTL，從開 始傳送數據到結束，線上電平從TTL電平到 RS-232電平再返回TTL電平。接收器典型的工作 電平在+3?+12V與-3?-12V。由于發(fā)送電平與 接收電平的差僅為2V至3V左右，所以其共模抑 制能力差，再加上雙絞線上的分布電容，其傳送距 離最大約為15米，最高速率為20kb/s。RS- 232是 為點對點（即只用一對收、發(fā)設備）通訊而設計 的，其驅動器負載為3?7kQ。所以RS-232適合 本地設備之間的通信。其有關電氣參數參見下表。

2.RS-422與RS-485串行接口標準

2.1平衡傳輸

RS-422、RS-485 與 RS-232 不一樣，數據信號采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸，它使用 一對雙絞線，將其中一線定義為A，另一線定義 為 B。

通常情況下，發(fā)送驅動器A、B之間的正電平 在+2?+6V，是一個邏輯狀態(tài)，負電平在-2? 6V，是另一個邏輯狀態(tài)。另有一個信號地C，在 RS-485中還有一 “使能”端，而在RS-422中這 是可用可不用的。“使能”端是用于控制發(fā)送驅動器與傳輸線的切斷與連接。當“使能”端起作 用時，發(fā)送驅動器處于高阻狀態(tài)，稱作“第三 態(tài)”，即它是有別于邏輯“1”與“0”的第三態(tài)。

接收器也作與發(fā)送端相對的規(guī)定，收、發(fā)端 通過平衡雙絞線將AA與BB對應相連，當在收 端AB之間有大于+200mV的電平時，輸出正邏 輯電平，小于-200mV時，輸出負邏輯電平。接 收器接收平衡線上的電平范圍通常在200mV至 6V之間。

2.2RS- 422 電氣規(guī)定

RS-422標準全稱是“平衡電壓數字接口電路的電氣特性”，它定義了接口電路的特性。實際上 還有一根信號地線，共5根線。由于接收器采用 高輸入阻抗和發(fā)送驅動器比RS- 232更強的驅動能 力，故允許在相同傳輸線上連接多個接收節(jié)點， 最多可接10個節(jié)點。即一個主設備（Masted，其 余為從設備（Salv)，從設備之間不能通信，所以 RS-422支持點對多的雙向通信。接收器輸入阻抗 為4k，故發(fā)端最大負載能力是10x 4k+100Q (冬 接電阻）。RS-422四線接口由于采用單獨的發(fā)送 和接收通道，因此不必控制數據方向，各裝置之 間任何必須的信號交換均可以按軟件方式 (XON/XOFF握手）或硬件方式（一對單獨的雙絞 線)實現(xiàn)。

RS-422的最大傳輸距離為4000英尺（約1219米），最大傳輸速率為10Mb/s。其平衡雙絞 線的長度與傳輸速率成反比，在100kb/s速率以 下，才可能達到最大傳輸距離。只有在很短的距 離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長的雙 絞線上所能獲得的最大傳輸速率僅為1Mb/s。

RS-422需要一終接電阻，要求其阻值約等于 傳輸電纜的特性阻抗。在矩距離傳輸時可不需終 接電阻，即一般在300米以下不需終接電阻。終 接電阻接在傳輸電纜的最遠端。

2.3RS- 485電氣規(guī)定

由于RS-485是從RS-422基礎上發(fā)展而來 的，所以RS-485許多電氣規(guī)定與RS-422相仿。 如都采用平衡傳輸方式，都需要在傳輸線上接終 接電阻等。RS-485可以采用兩線與四線方式，兩 線制可實現(xiàn)真正的多點雙向通信。

而采用四線連接時，與RS-422 —樣只能實現(xiàn) 點對多的通信，即只能有一個主（Masted設備， 其余為從設備，但它比RS-422有改進，無論四線 還是兩線連接方式總線上可多接到32個設備。

RS-485與RS-422的不同還在于其共模輸出 電壓是不同的，RS-485是-7V至+12V之間，而 RS- 422在-7V至+7V之間，RS- 485接收器最小 輸入阻抗為12k，RS-422是4k; RS-485滿足所 有RS-422的規(guī)范，所以RS-485的驅動器可以在 RS- 422網絡中應用。

RS-485與RS-422 —樣，其最大傳輸距離約 為1219米，最大傳輸速率為10Mb/s。平衡雙絞線 的長度與傳輸速率成反比，在100kb/s速率以下， 才可能使用規(guī)定最長的電纜長度。只有在很短的 距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長雙 絞線最大傳輸速率僅為 1Mb/s。

RS-485需要2個終接電阻，其阻值要求等于 傳輸電纜的特性阻抗。 在矩距離傳輸時可不需終 接電阻，即一般在300米以下不需終接電阻。終 接電阻接在傳輸總線的兩端。

三、兩線制和四線制的RS-485的通訊效率

RS-485接口的唯一作用就是數據通訊，兩線制的RS-485通訊是半雙工的，即不能同時收發(fā)數 據。大家為了得到RS-232的全雙工效率，又兼顧 有RS-485遠距離通訊的能力，于是就有了四線制 的 RS- 485。

從理論上分析，半雙工的器件同一時刻只能 發(fā)送數據或者只能接收數據，而全雙工的器件能 夠同時發(fā)送和同時接收數據，因而全雙工（四線 制)是半雙工（兩線制）效率的兩倍。由于數字 稱重傳感器通訊的應答機制的關系，數字稱重傳 感器實際通訊的時候卻根本無法實現(xiàn)全雙工的通 訊。即使硬件上有同時收發(fā)數據的能力，但也無 法同時使用。所以就實際應用而言，兩者效率是 相同的。就好比用一雙筷子吃飯用的好好的卻偏 偏要用兩雙筷子吃飯一樣。

為什么四線制的效率不能超過兩線制的 RS-485方式呢？這主要取決于數字稱重傳感器通 訊的機制，通過圖1、圖2就會比較清楚的知道通 訊的過程和效率了。

當數字稱重傳感器工作在應答式通訊方式 時，米用一問一答方式通訊。從圖1上分析兩線 制和四線制兩者效率完全相同。當數字稱重傳感 器工作在廣播通訊方式時，采用廣播命令發(fā)送， 數字稱重傳感器自動按地址號順序返回數據。從 圖2上分析這種通訊方式效率非常高，接近應答 式通訊的2倍，但是我們看到的兩線制和四線制 效率也是完全一樣的。所以無論是兩線制還是四 線制數字稱重傳感器在相同波特率下通訊效率是 相同的。

四、兩線制和四線制的RS-485的接線方式

圖3是兩線制的RS-485連接電路圖原理。其連接關系非常簡單，所有接口的A與A相連接， 所有接口的B與B相連接就可以通訊。即假如有 8個數字稱重傳感器，8個A并聯(lián)在一起，8個B并聯(lián)在一起，再與儀表的AB相連接即可。

圖4是四線制的RS-485連接電路圖原理，它 是由兩片RS-485芯片搭接而成。其信號定義和 RS-422相同,分別為：T+、T-、R+、R-四根信號 線。其連接關系比較復雜繁瑣，正常通訊為T+接 R+、T-接R-、R+接T+、R-接T-。實際接線時 比較容易接錯，工作時間和勞動強度相對于兩線 制的RS-485要多出1倍以上。

我們以一個實際的數字地磅安裝為例，一 套四線制通訊的數字地磅和一套兩線制的數字地磅進行對比。

四線制通訊數字稱重傳感器：電纜線6根(含電源線），8個數字稱重傳感器，共計接線量 6X 8=48 根。

兩線制通訊數字稱重傳感器：電纜線4根 (含電源線），8個數字稱重傳感器，共計接線量 4x 8=32 根。

如果現(xiàn)場實際接線錯誤，排查時間和勞動強 度與線的數量成正比。

五、兩線制和四線制的RS- 485抗干擾和故 障率問題

1.兩線制和四線制的RS-485抗干擾問題

兩線制RS-485是目前使用的最多的通訊方式 之一，其較遠的通訊距離和良好的信號傳遞能力

以及其良好的經濟性，在某些場合有著無法替代 的作用。從其誕生到現(xiàn)在一直是工業(yè)場合通訊的 首選，直至目前，各大半導體廠家還在源源不斷 推出各種新的RS-485接口芯片。例如：ADI公司 的 ADM2482E、ADM2485、ADM2490E，Maxim 公 司的 MAX13430E、MAX13431E、 MAX13432E、 MAX13433E，德州儀器公司的SN55LBC180、 SN65175、SN65176B 等等。

四線制是由兩線制的RS-485搭接而來（如圖 4，目前也有將兩個RS- 485集成的四線制 RS-485芯片。四線制的RS-485通訊傳輸器件的 好壞取決于兩線制的RS-485器件的好壞，因為它的質量是建立在傳統(tǒng)RS- 485器件上。如果兩線制 的通訊方式容易受到干擾，則四線制的更加容易 受到干擾。因為四線制器件更多，傳輸線更多。

實際情況是，如果我們將電源、接地、硬件 保護電路和軟件容錯機制處理好的話，無論是四 線制還是兩線制都不會有問題。四線制還是兩線 制的RS- 485通訊可靠性的核心是故障，即可靠性 是由故障引發(fā)出來的，影響故障率的因素主要有： (1）故障率與電子元件的質量直接相關。

(2）與器件的數量成正比，元器件數量越多故 障概率越高。

(3）與焊點的數量成正比，焊點數量越多虛焊 概率越高。

(4）連接線的數量成正比，連接線數量越多故 障概率越高。

(5）連接線的長度成正比，導線越長故障概率 越高。

(6）接頭端子的數量成正比，接頭端子越多接 觸不良故障概率越高。

從以上的故障率看兩線制明顯優(yōu)于四線制通訊。

六、目前國內采用兩線制RS- 485的數字稱重傳感器廠家（排名不分先后).

七、結語

我個人認為數字式稱重傳感器中兩線制明顯 優(yōu)于四線制RS-485通訊，如果五年后地磅的模擬稱重傳感器將由數字稱重傳感器全面替代，屆時國內數字稱重傳感器的銷量將達到每年80萬 只，如果都用四線制RS-485通訊，將造成所用電 纜線浪費每年2720萬米，可以繞地球2圈還有剩 余。從而產生的環(huán)保問題將是不可忽視的，這將 與世界環(huán)保的大趨勢背道而馳.