RS485 通訊協定完整教學：從硬體接線到 ESP32/STM32 實作

RS485 通訊協定是工業自動化領域最廣泛使用的有線通訊標準之一。無論是 PLC、變頻器、感測器陣列還是 SCADA 系統，RS485 幾乎無所不在。它的最大優勢——長距離（最長 1200m）、多站（最多 256 個裝置）、差動訊號抗干擾——讓它成為工廠環境的首選。本文從 MAX485 教學開始，帶你實作 ESP32 RS485 和 STM32 的通訊。

這篇文章會從 RS485 的硬體原理開始，帶你一步步看懂接線、選擇收發器晶片，並在 ESP32（Arduino）和 STM32（HAL） 上實作 RS485 通訊。

什麼是 RS485？

RS485（也稱 TIA-485）是由 Electronic Industries Alliance（EIA） 定義的差動串列通訊標準。它使用兩條線（A 線 / D+ 和 B 線 / D-）傳送差動訊號，而不是像 UART 那樣用單端訊號對地參考。

差動訊號的核心優點：

• 抗共模干擾：外界雜訊同時耦合到 A、B 兩線，電壓差不受影響
• 長距離傳輸：1200m 仍可保持 10Mbps 以上速率（距離越短速度越快）
• 多站匯流排：一條匯流排最多可接 256 個收發器（標準 RS485 驅動器為 32 單位負載）
• 雙向半雙工：同一時間只能一個裝置發送，但所有裝置都能接收

RS485 vs RS232 vs TTL UART

簡單總結：RS232 是 PC 時代的遺產，TTL UART 是晶片內部用的，而 RS485 才是工業現場的主力。

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RS485 硬體接線

A/B 線（D+/D-）

RS485 使用兩條絞線（Twisted Pair）：

• A 線（D+ / Non-inverting）：當 A 電壓高於 B 時，邏輯為 1（Mark）
• B 線（D- / Inverting）：當 B 電壓高於 A 時，邏輯為 0（Space）

注意不同廠商的標示方式可能不同——有些標 A/B，有些標 D+/D-，有些標 P/N（Positive/Negative）。接線前一定要確認規格書。

終端電阻

在匯流排最遠的兩端各接一顆 120Ω 電阻（A 到 B 之間）：

• 防止訊號反射造成資料錯誤
• 確保空閒時差動電壓在負載狀態
• 只在最遠的兩個節點加，中間節點不需要

偏壓電阻

在某些系統中，為了確保匯流排空閒（所有發送器均為高阻抗）時的電位穩定，會在 主站端 加入偏壓電阻：

• A 線接到 Vcc（通常 470Ω ~ 1kΩ）
• B 線接到 GND（通常 470Ω ~ 1kΩ）

收發器晶片：MAX485 與 MAX3485

MCU 的 UART 腳位輸出的是 TTL 電平（0-3.3V 或 0-5V），不能直接接到 RS485 匯流排。你需要一顆 RS485 收發器：

對於 ESP32（3.3V 系統），MAX3485 是首選——不需要電平轉換。對於 STM32（5V 容忍腳位），MAX485 也可以直接驅動。

MAX485/MAX3485 腳位

關鍵控制腳：DE 和 RE。RS485 是半雙工，發送和接收不能同時進行。通常把 DE 和 RE 接在一起，用一個 GPIO 控制：

• GPIO = HIGH：DE 啟用 → 發送模式（RE 同時被拉高，接收關閉）
• GPIO = LOW：RE 啟用 → 接收模式（DE 同時被拉低，發送關閉）

ESP32 + MAX3485 實作（Arduino）

接線方式

A 和 B 腳接到 RS485 匯流排。

程式碼

#include <HardwareSerial.h>

#define TX2_PIN 17
#define RX2_PIN 16
#define RS485_CTRL 4   // DE/RE 控制腳

HardwareSerial rs485(2);  // UART2

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(RS485_CTRL, OUTPUT);
  digitalWrite(RS485_CTRL, LOW); // 預設接收模式

  rs485.begin(9600, SERIAL_8N1, RX2_PIN, TX2_PIN);
}

void rs485_send(const uint8_t* data, size_t len) {
  digitalWrite(RS485_CTRL, HIGH);  // 切換到發送模式
  delay(1);                         // 等待電晶體穩定
  rs485.write(data, len);
  rs485.flush();                    // 等待資料發送完畢
  delay(1);
  digitalWrite(RS485_CTRL, LOW);   // 回到接收模式
}

void loop() {
  if (rs485.available()) {
    uint8_t buf[64];
    size_t len = rs485.readBytes(buf, 64);
    
    Serial.print("收到 ");
    Serial.print(len);
    Serial.println(" bytes:");
    for (size_t i = 0; i < len; i++) {
      Serial.printf("0x%02X ", buf[i]);
    }
    Serial.println();

    // 回傳相同資料（Loopback 測試）
    rs485_send(buf, len);
  }
}

STM32 + MAX485 實作（HAL）

CubeMX 設定

• USART2：非同步模式，Baud Rate 9600，8N1
• PA0：GPIO_Output（DE/RE 控制）
• PA2 (TX)、PA3 (RX) 連接到 MAX485

程式碼

#define RS485_CTRL_PORT GPIOA
#define RS485_CTRL_PIN  GPIO_PIN_0

#define RS485_TX_MODE()  HAL_GPIO_WritePin(RS485_CTRL_PORT, RS485_CTRL_PIN, GPIO_PIN_SET)
#define RS485_RX_MODE()  HAL_GPIO_WritePin(RS485_CTRL_PORT, RS485_CTRL_PIN, GPIO_PIN_RESET)

void RS485_Send(uint8_t* data, uint16_t len) {
  RS485_TX_MODE();
  HAL_Delay(1);
  HAL_UART_Transmit(&huart2, data, len, HAL_MAX_DELAY);
  HAL_Delay(1);
  RS485_RX_MODE();
}

void RS485_Receive_IT(void) {
  RS485_RX_MODE();
  static uint8_t rx_byte;
  HAL_UART_Receive_IT(&huart2, &rx_byte, 1);
}

// 在回呼函數中處理收到的資料
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) {
  if (huart->Instance == USART2) {
    static uint8_t rx_buf[64];
    static uint16_t idx = 0;
    
    rx_buf[idx++] = rx_byte;
    
    // 遇到換行或緩衝區滿，處理一筆完整訊息
    if (rx_byte == '
' || idx >= 64) {
      RS485_Send(rx_buf, idx);  // 回傳（Loopback）
      idx = 0;
    }
    
    HAL_UART_Receive_IT(&huart2, &rx_byte, 1);
  }
}

DE/RE 控制時序圖

RS485 的正確操作離不開 DE/RE 的精準控制。下圖展示了 ESP32 發送一筆資料的全過程：

關鍵時間點：

1. t₁：DE 拉高 — 啟用驅動器，MAX485 開始驅動 A/B 線
2. t₂：開始發送資料 — A/B 線產生差動電壓
3. t₃：資料發送完成 — TX Buffer 已清空
4. t₄：DE 拉低 — 關閉驅動器，回到接收模式

注意 t₁→t₂ 和 t₃→t₄ 之間需要 1~2ms 的延遲，確保匯流排穩定。延遲過短會導致資料尾端被截斷，這是 RS485 開發中最常見的 bug。

RS485 常見問題與排錯

1. 資料亂碼或接收不到

• 檢查 Baud Rate：確認所有裝置的鮑率一致
• 檢查 A/B 線是否接反：A 接 A、B 接 B，不要在途中交叉
• 檢查終端電阻：沒有 120Ω 終端電阻時，長線會發生訊號反射
• 檢查 DE/RE 延遲：切換模式後留足夠時間讓收發器穩定

2. 最後一兩個 byte 遺失

這是 DE 切換時序問題的典型症狀。解決方案：

• 在 rs485.flush() 或 HAL_UART_Transmit() 返回後，務必延遲 2ms 以上再將 DE 拉低
• 考慮使用硬體自動方向控制（如 MAX13487 或 ADM2483）

3. 超過 32 個裝置時通訊不穩

標準 RS485 驅動器定義為 1 單位負載（UL），最多驅動 32 UL。超過 32 個裝置時：

• 使用 1/4 UL 收發器（如 MAX1487），可接 128 個
• 使用 1/8 UL 收發器（如 SN65HVD3082E），可接 256 個
• 加入 RS485 中繼器 擴充網路

4. 接地問題

RS485 雖然使用差動訊號，但 共模電壓範圍有限（-7V ~ +12V）。當節點間距離很遠時，地電位差可能超出範圍。解決方案：

• 在匯流排上加一條 第三條接地線
• 使用 隔離型 RS485 收發器（如 ADM2483、ISO3082）
• 使用 RS485 隔離模組（如 B0505S 隔離電源 + 光耦合）

總結

RS485 是工業通訊的基石。它的差動訊號設計讓它能在惡劣的工廠環境中穩定傳輸，而半雙工的特性要求開發者精準掌握 DE/RE 控制時序。

學會 RS485 之後，下一步可以學習 Modbus RTU——這是建立在 RS485 實體層之上的應用層協定，廣泛用於 PLC、感測器和工業儀表。到時候你在 ESP32 和 STM32 上的 RS485 底層程式碼可以直接沿用。

如果你在實作中遇到問題，歡迎留言討論。