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分享一个RS485收发自动切换电路

RS485是最常见的一种远距离可靠传输和组网的UART串口信号接口协议。RS485使用半双工通信，即只有一个信道，在同一时刻要么从A到B，要么从B到A传输信号，但不能同时双向传输信号。因此理论上说，每个RS485接口芯片就都需要一个“收发切换”信号，以控制该接口芯片当前是发送还是接受信号。在单片机系统中就往往需要一个额外的GPIO来控制收发状态的切换。这本来是显而易见的道理，我已经见惯不怪了，但有一天突然看到市面上有供PC或工控机使用的UART-RS485转换器，我迷惑了：它是如何通过PC输出的UART实现RS485收发切换控制的呢？

显然，这不是通过PC软件控制收发的，那就一定有硬件电路实现了“RS485自动收发切换”功能。我查阅了网络，发现还真有一些公开电路，我根据自己对这些公开电路优缺点的分析。
一、常见RS485接口电路（无自动收发切换功能）

各大半导体公司都有自己的RS485收发器，且解法基本相同，这里给出典型的收发器接法。

使用RS485协议组网通信的工程项目中，往往采用图1所示的电路作为每个网络节点的接口电路。所有节点的差分信号线对：RS485_A/RS485_B，则被短路到一起进行通信。由于网络中所有节点的通信信号RS485_A/RS485_B全部被短接在一起，因此每个时刻只能有一个通信节点处于发送状态，而其他节点的RS485_A/RS485_B信号只能处于高阻态，否则两个处于发送状态的节点将发生“撞车”，而无法通信。

为实现上述功能，RS485接口芯片提供了写使能管脚DE和读使能管脚#RE。为节约单片机管脚，两者的逻辑是相反的：DE为高电平有效，低电平无效；#RE为低电平有效，低电平无效。如图1所示，它们可以被短接在一起由一个GPIO控制。每个节点的单片机在认为该自己占据RS485_A/RS485_B总线发送数据时，将USART_EN信号拉高，从而使接口芯片退出高阻态，控制差分信号的电平。

二、RS485自动收发切换电路

本文的目的，是总结常见的自动收发切换信号USART_EN信号产生电路，从而为省去其占用的GPIO，以节约单片机资源并为PC等不具备GPIO的设备提供收发控制。
1、低成本自动收发切换电路

下图所示的是网络中可以查阅得到的最常见RS485收发自动控制电路。

图2 低成本的RS485收发自动控制电路

 图2电路设计非常精巧，其原理为：1、但UART发送管脚USART_TX输出低电平时，三极管Q1截止,接收使能#RE和发送使能DE同时被R6拉高，接口芯片进入发送状态。此时会将连接到发送信号管脚DI上的低电平发送除去，从而在差分输出RS485_A/RS485_B上得到逻辑低电平对应的输出。2、当USART_TX管脚发送高电平时，三极管Q1导通,接收使能#RE和发送使能DE同时被拉低，接口芯片进入接收状态，A、B两个管脚为高阻态。但此时连接到RS485_A/RS485_B上的其他网络节点，却会因为电阻R2和R3（4.7KΩ）的上下作用，将RS485_A/RS485_B上的高阻态理解为高电平。因此，图2虽未直接将USART_TX的信号发送到RS485_A/RS485_B上，但却在逻辑上同时起到了发送数据和自动控制收发状态切换的作用。

图2中的电路，几乎不需要增加附加成本（小功率NPN三极管非常便宜，且不占PCB面积）,应该是大部分PC或工控机使用的UART-RS485转换器所使用的原理，被很多老工程师奉为经典。

但我窃以为这个电路有着明显的缺点，在对成本不敏感的高可靠性工控产品中未必是最佳选择。原因如前所述：图2输出的高电平不是由接口芯片直接驱动的，而是在接口芯片进入高阻态后，由上下拉电阻R2和R3产生的。正常情况下一般RS485接口芯片驱动能力可轻松达30mA以上（表1为MAX485的驱动能力），从而保障了RS485接口电路的驱动距离、负载数和强干扰环境下的可靠性。

但图2所示电路高电平的短路驱动能力（Driver Short-Circuit Current）仅为VCC/(R2+R3)。为了保证输出低电平时系统的总体功耗，R2和R3又不可能太低，如图2所示仅为4.7KΩ，显然无法完全发挥RS485接口的驱动和抗干扰能力。