第2章物理层与电气特性

第二讲：物理层与电气特性

各位同学，咱们今天聊聊物理层。说白了，就是信号在线上怎么跑、怎么保证它不跑偏。我做了十几年工业通讯，发现很多现场问题，追根溯源都是物理层没搞明白。你协议栈写得再漂亮，物理层一塌糊涂，照样通讯不上。

RS-232，这玩意儿年纪比我都大。但它现在还在用，为什么？简单、可靠。我记得刚入行那会儿，调试一台老式PLC，用的就是RS-232。一根串口线，三根线（发送、接收、地线）就能干活。

它的电气特性是这样的：用-3V到-15V表示逻辑"1"，用+3V到+15V表示逻辑"0"。你想想看，电压摆幅这么大，抗干扰能力自然不错。但代价是什么？传输距离短，一般不超过15米。速率也上不去，通常也就115.2kbps到头了。

我个人习惯，RS-232只用在设备间距离近、速率要求不高的场合。比如配置交换机、调试嵌入式设备，用RS-232最顺手。

关键参数速查：

RS-485就不一样了。它用的是差分信号传输，说白了就是两根线（A和B）拧在一起，信号靠两根线的电压差来传递。为什么工业现场都用它？抗干扰能力强啊！

我在一个化工厂项目里遇到过，现场电机一启动，RS-232通讯就乱码。换成RS-485之后，问题迎刃而解。差分信号的好处就在这里——干扰信号同时作用在两根线上，电压差基本不变，信号自然就保住了。

RS-485的电气特性：A线比B线高200mV以上，表示逻辑"1"；A线比B线低200mV以上，表示逻辑"0"。注意，这个电压差很小，但足够可靠。

RS-422和RS-485很像，但有个关键区别：RS-422是4线制（两对差分线），支持全双工。RS-485是2线制（一对差分线），半双工。

什么时候用RS-422？你需要同时收发数据的时候。比如某些高速数据采集系统，上位机要不停地发指令，设备要不停地回数据。用RS-485你得来回切换方向，麻烦。RS-422就省心多了。

特性	RS-232	RS-485	RS-422
信号方式	单端	差分	差分
传输距离	15米	1200米	1200米
最大节点数	1发1收	32个（标准）	1发10收
工作模式	全双工	半双工	全双工
常用速率	115.2kbps	10Mbps	10Mbps

咱们来拆解一下差分信号。你想想看，两根线走在一起，外界干扰来了，两根线上同时感应出同样的噪声。接收端看的是两根线的电压差，噪声一减，等于没影响。这就是共模抑制。

我曾经在一个变频器旁边测信号，用示波器看单端信号，波形上全是毛刺。换成差分探头看A-B的差值，波形干净得像教科书一样。嗯，这就是差分信号的魅力。

小技巧：现场排查干扰问题时，可以用示波器分别看A线和B线对地的波形。如果两根线的噪声波形几乎一样，说明共模干扰严重，但差分信号大概率没问题。如果两根线噪声不一样，那就要查接地了。

终端电阻，说白了就是在线路两端各并一个120欧姆的电阻。为什么？为了消除信号反射。

信号在线上跑，遇到阻抗不连续的地方就会反射。反射回来的信号和原来的信号叠加，波形就变形了。我见过一个现场，RS-485通讯时好时坏，查了半天，就是终端电阻没加。加上之后，稳如老狗。

怎么算终端电阻？特性阻抗。对于常用的双绞线，特性阻抗大约是120欧姆。所以终端电阻就用120欧姆。注意，只在最远的两端加，中间节点不要加。

警告：终端电阻不是随便加的！

做工业通讯这些年，接线错误见得太多了。我给大家列几个最常见的：

A/B线接反：这是最基础的错误。RS-485的A和B接反了，通讯肯定不通。解决办法？用万用表量一下，或者看设备上的标识。有些设备标的是D+和D-，对应A和B。
忘记接GND：很多人觉得RS-485是差分信号，不用共地。错！虽然差分信号对共模电压有容忍度，但共模电压超出范围（-7V到+12V）就会烧芯片。我建议，不管什么情况，都把GND接上。
星型拓扑：RS-485要求手拉手接线，不能搞星型。星型接法会导致信号反射，通讯不稳定。我曾经在一个项目里，施工队图省事，把设备都接到一个接线盒里。结果通讯乱得一塌糊涂。后来改成手拉手，问题解决。
终端电阻加在中间：这个错误也很常见。终端电阻要加在总线两端，不是中间。加在中间等于白加，还会影响信号质量。
线缆类型不对：RS-485要用双绞线，不能用平行线。双绞线能有效抑制共模干扰。我见过有人用电话线走RS-485，距离一长就出问题。

避坑指南：

我曾经在一个风电项目里，RS-485通讯总是丢包。现场排查了三天，最后发现是屏蔽层接地问题。屏蔽层要单端接地，不能两端都接。两端都接会形成地环路，引入干扰。从那以后，我每次做项目都会专门检查屏蔽层接地方式。

好了，物理层和电气特性就讲这么多。记住一句话：物理层搞不定，上层协议再牛也白搭。下一讲咱们聊聊数据链路层，看看数据帧是怎么组装和解析的。