3、物理层基础：传输介质、电气特性与拓扑结构

各位同学，咱们今天聊聊物理层。说白了，就是信号到底怎么在线上跑的。我见过不少工程师，协议栈背得滚瓜烂熟，结果一到现场，线接错了，信号反射了，整个网络瘫了。嗯，物理层搞不定，上层协议再牛也白搭。

3.1 传输介质：选对线，少踩坑

传输介质这事儿，我个人的习惯是：先看距离，再看速率，最后看环境。别一上来就想着上光纤，杀鸡用牛刀。

3.1.1 双绞线

双绞线，工业现场最常见的东西。两根线绞在一起，干嘛用？抵消电磁干扰。你想想看，两根线受到的干扰差不多，一差分，干扰就没了。

• 屏蔽双绞线（STP）：外面包一层金属网，抗干扰强。我在电机驱动现场必用这个，不然变频器一开，数据全乱套。
• 非屏蔽双绞线（UTP）：便宜，但别用在强干扰环境。办公室网络用用还行，车间里？我劝你慎重。

3.1.2 同轴电缆

同轴电缆，中间一根芯，外面一层屏蔽。抗干扰比双绞线强，但贵，也硬。现在工业现场用得少了，但有些老设备（比如早期的CAN总线）还在用。

我记得有个项目，客户非要保留20年前的同轴电缆设备。我过去一看，接头都锈了。没办法，只能重新做接头，顺便把屏蔽层接地处理好。嗯，这里要注意：同轴电缆的屏蔽层必须单端接地，不然地环路电流会让你哭。

3.1.3 光纤

光纤，抗干扰之王。不怕雷击，不怕电磁，传输距离几公里起步。但贵，施工也麻烦。

• 多模光纤：距离短（几百米），便宜。适合工厂内部。
• 单模光纤：距离长（几十公里），贵。适合跨厂区。

3.2 电气特性：电压、电流与差分信号

电气特性，说白了就是信号怎么表示0和1。不同的协议，电平标准不一样。接错了，轻则通信失败，重则烧芯片。

3.2.1 RS-232

RS-232，老古董了。单端传输，一根信号线对地。电压范围±12V左右。逻辑1是-12V，逻辑0是+12V。你想想看，电压摆幅这么大，速率能高吗？也就115200bps到头了。

而且，RS-232只能点对点通信。我刚开始做项目时，想用RS-232连三个设备，结果怎么都调不通。后来才知道，这玩意儿天生就不是干这个的。

参数	RS-232
传输方式	单端
最大距离	约15米
最大速率	115.2 kbps
节点数	1对1

3.2.2 RS-485

RS-485，工业现场的主力。差分传输，两根线（A和B）互为参考。抗干扰强，距离远（1200米），还能挂128个节点。

逻辑怎么定义？A比B高0.2V以上是逻辑1，B比A高0.2V以上是逻辑0。说白了，看的是两根线的电压差，不是对地电压。这就是为什么RS-485抗干扰强——干扰同时作用在两根线上，差值不变。

我个人习惯，RS-485布线时走手拉手（总线型），别走星型。星型会导致阻抗不连续，反射严重。我曾经在一个项目中，客户非要星型接法，结果我加了三个中继器才搞定。

3.2.3 CAN

CAN总线，汽车和工业控制的老大。也是差分传输，两根线（CAN_H和CAN_L）。但电平定义和RS-485不一样。

• 显性电平（逻辑0）：CAN_H比CAN_L高2V左右。
• 隐性电平（逻辑1）：CAN_H和CAN_L电压相等（约2.5V）。

CAN的厉害之处在于：多主通信，仲裁机制。多个设备同时发数据，谁优先级高谁先发。硬件自动搞定，不需要软件轮询。

3.3 拓扑结构：怎么连，有讲究

拓扑结构，就是设备怎么连在一起。选错了，通信性能大打折扣。

3.3.1 总线型

总线型，所有设备挂在一根线上。RS-485和CAN的标配。简单，省线，但一个节点坏了，整个网络可能瘫。

我建议：总线型一定要加终端电阻，而且分支线越短越好。分支线长了，相当于多了个 stub，信号反射。我的经验是分支线不超过30厘米。

3.3.2 星型

星型，每个设备单独连到中心节点（交换机或集线器）。以太网就是星型。好处是单个设备坏了不影响其他设备。但中心节点是单点故障。

工业以太网现在很流行，但要注意：别用办公交换机。工业交换机有冗余电源，宽温设计，抗震动。我见过有人图便宜用家用交换机，结果车间一震动，端口全松了。

3.3.3 环型

环型，设备首尾相连。工业以太网常用（如PROFINET的环网）。好处是冗余：一根线断了，数据从另一条路走。

但环型必须支持环网协议（如MRP），不然数据会在环里死循环。嗯，这里要注意：环网恢复时间一般在几十毫秒，对实时性要求高的场合，这个时间能不能接受，你得算清楚。

拓扑	优点	缺点	典型协议
总线型	简单、省线	单点故障影响全网	RS-485、CAN
星型	故障隔离好	中心节点依赖	以太网
环型	冗余、高可靠	需要环网协议	PROFINET、EtherCAT

好了，物理层的基础就这些。说白了，传输介质、电气特性、拓扑结构，这三样决定了你的网络能不能稳定工作。下一章咱们聊聊数据链路层，看看数据是怎么打包成帧的。