第 2 章物理层与布线¶

现场总线的一切上层机制都建立在一个前提上：一对导线（或两根导线加一根参考地）能在电机、变频器与继电器密布的工业现场，把比特从 A 点送到 B 点且不错。物理层与链路层的关系类似地基与楼——链路层的错误检测、重发与仲裁只能在物理层给出的信噪比与拓扑约束内工作。本章覆盖差分信号的电学基础、RS-232 / RS-422 / RS-485 三种串行物理层的对比、传输线终端电阻的匹配计算，以及现场最容易踩坑的接地、屏蔽与失效保护偏置。

从差分信号到可靠布线的四层约束：

flowchart LR
    diff["差分传输<br/>共模抑制"] --> rs["RS-485：多点 / 半双工"]
    rs --> term["终端电阻匹配<br/>两端 120 Ω"]
    term --> gnd["接地 / 屏蔽 / 失效保护偏置"]

1. 差分传输与共模抑制¶

工业现场的信号完整性问题绝大多数源自共模噪声（common-mode noise）：变频器 PWM、电机换相、雷击感应与地环路电流会在信号线两端同时注入相同方向的扰动，其幅度可比有效信号大一到两个数量级。差分传输是对付共模噪声的标准手段。

1.1 单端信号在工业现场的失效模式¶

单端（single-ended）信号以"信号线对参考地的电压"表示比特，接收端比较该电压与阈值。RS-232 是典型单端接口：±3 至 ±15 V 摆幅对机壳地。这种表示方式在工业现场有两个致命弱点：

参考地不干净：变频器近旁的机壳地可能有几伏到十几伏的浮动电位；发射端"地"与接收端"地"不是同一个 0 V，单端信号直接被抬偏到阈值以上或以下。
感应噪声直接叠加：信号线是一段导体，附近强电流变化在其上感应出电动势，噪声电压与信号电压同路径进入接收端。

单端信号在工业场景的最大可靠距离通常在 3–15 m，正是 RS-232 常见标称 15 m 上限的物理成因。

1.2 差模、共模与共模抑制比¶

差分传输用一对线（记 A / B）承载信号：发送端把比特编码成两个反相电压，接收端只关心两者之差（差模，differential-mode，\(V_{dm} = V_A - V_B\)），忽略两者共同的对地电位（共模，common-mode，\(V_{cm} = (V_A + V_B)/2\)）。

外部噪声（感应、地浮动）几乎等量地注入 A 与 B 两条线，只抬高 \(V_{cm}\) 而不改变 \(V_{dm}\)。接收器放大 \(V_{dm}\)、抑制 \(V_{cm}\) 的能力由共模抑制比（Common Mode Rejection Ratio，CMRR）量化，单位 dB：

\[\text{CMRR} = 20 \log_{10} \frac{|A_{dm}|}{|A_{cm}|}\]

其中 \(A_{dm}\)、\(A_{cm}\) 分别是差模增益与共模增益。工程级差分收发器典型 CMRR 60–80 dB，意味着 ±7 V 共模扰动折算到输入端只剩 7 mV 至 0.7 mV 残余。RS-485 收发器规定在共模 −7 V 至 +12 V 范围内正常工作，正是靠这一抑制比把"地不干净"从致命问题降级为可容忍问题。

1.3 双绞线为何"绞"¶

差分线通常选双绞线（twisted pair）而非平行线。绞合的几何意义是：让 A、B 两段相邻绞距内轮流靠近外部噪声源，感应电动势在两条线上交替反向；长线累积后总感应电压趋近于零，只剩很短波长的高频残余。平行线没有这一几何补偿，感应直接成为差模噪声，差分接收器无法抑制。

屏蔽双绞线（STP）额外提供一层金属网套，接大地后吸收电场耦合；磁场耦合仍需依赖绞合与远离噪声源。
现场常用规格：CAN 与 RS-485 推荐 120 Ω 特征阻抗、双绞、带屏蔽、AWG 22–24；工业以太网 Cat 5e 及以上。

2. RS-232 / RS-422 / RS-485 电气对比¶

三种接口是串行通信的"电气三兄弟"，都通过电压差或电压对地传递比特，但目标场景与拓扑约束不同。CAN 的物理层与它们相邻但不重合，本节末给出对照。

2.1 三组关键电气参数¶

参数	RS-232（TIA/EIA-232-F）	RS-422（TIA/EIA-422-B）	RS-485（TIA/EIA-485-A）
信号形式	单端、对地	差分	差分
逻辑"1"（MARK）电平	−3 至 −15 V	\(V_A - V_B \geq +200\) mV	同 RS-422
逻辑"0"（SPACE）电平	+3 至 +15 V	\(V_A - V_B \leq -200\) mV	同 RS-422
接收器门限	±3 V	±200 mV	±200 mV
驱动器输出阻抗	未规定	低，驱动差分负载	低，需能驱动 60 Ω 负载（多节点并联）
共模范围（接收器容许）	−3 至 +3 V（相对本端地）	−7 至 +7 V	−7 至 +12 V
全双工	支持（RX/TX 两对线）	支持（四线：TX± / RX±）	半双工（两线共用；也可四线全双工）
最大节点数	1 收 1 发	1 发 10 收	32 单位负载（unit load）；1/4 UL 收发器可到 128，1/8 UL 可到 256
最大速率 / 距离	115.2 kbps × 15 m	10 Mbps（短距）/ 1200 m（低速），速率与距离反比	10 Mbps（短距）/ 1200 m（低速）

三行的直观读法：RS-232 是"点对点长导线"，RS-422 是"一点对多点广播差分"，RS-485 是"多点共享差分总线"。RS-485 通过限制驱动器输出电流与规定最小输入阻抗，让最多 32 个接收器挂同一对线仍能维持差分幅度。

2.2 拓扑与节点数上限¶

RS-232：点对点，一个 DTE 对一个 DCE。想接多台设备需要多对线或专门的切换器。
RS-422：一主多从的单向广播；发送端只有一个，接收端至多 10 个。适合"主控把指令送给多台仪表"这类应用。
RS-485：多主多从能力（电气层面允许多个收发器共享总线）；协议层决定谁在说话。Modbus RTU 用 RS-485 电气但在协议上强制单主轮询。

单位负载（unit load，UL）是 RS-485 规定收发器对总线"抽取电流"的度量：一个标准收发器为 1 UL，总线驱动器能供 32 UL。低功耗收发器（1/4 UL、1/8 UL）能让同一驱动器挂 128 或 256 台设备，代价是输入灵敏度阈值更严、抗噪余量小。

2.3 距离与波特率的反比曲线¶

RS-422 / RS-485 规范给出一条经验反比：速率 × 长度 ≤ 约 \(1.2 \times 10^8\) bps·m。这是信号在传输线上的边沿衰减、终端反射累积与线路 RC 常数共同作用的结果。

100 kbps 下典型可用 1200 m；
1 Mbps 下上限约 120 m；
10 Mbps 下压到 12 m。

CAN 的位速率–长度上限（第 3 章位时序给出算式）与这条曲线同源：往返传播时延必须落在 PROP 段预算内（PROP 至少覆盖 \(2 \times\) 单程传播时延），才能可靠仲裁。

2.4 CAN 物理层与 RS-485 的异同¶

CAN 的物理层与 RS-485 电气相近但不完全等价：

差分逻辑电平：ISO 11898-2 接收器阈值典型 0.9 V 差分（上方判显性、下方判隐性），典型工作时显性差分接近 2 V（CAN_H 与 CAN_L 分别拉到约 3.5 V / 1.5 V）、隐性差分接近 0 V（两线均回到约 2.5 V 基线）；相比 RS-485 的 ±200 mV 接收阈值更宽，配合驱动器与终端电阻的非线性行为换取"线与"能力。
显性/隐性电平不对称：显性把总线拉向固定电平、隐性释放到高阻；多节点同时驱动时，任一节点发显性、其他节点发隐性，总线读到的就是显性——这是位仲裁"线与"的物理基础。RS-485 驱动器是推挽差分输出，两个节点同时发相反逻辑会打电流、可能烧器件。
收发器输出阻抗与短路保护按 ISO 11898-2 设计，允许节点在错误条件下"卡住"发显性而不损坏总线。

RS-485 不等于 CAN 的物理层。RS-485 是电气标准，不涉及仲裁、错误处理与帧结构；CAN 复用了"差分双绞 + 总线拓扑 + 终端电阻"这套物理布置，但收发器电平规则、驱动器状态与位时序都不属于 RS-485。把 RS-485 收发器接成 CAN 拓扑不会得到 CAN 协议行为。

3. 总线拓扑与终端电阻¶

物理层设计里最容易被"抄手册"糊弄过去的是终端电阻——接还是不接、接多大、接几头。这三问的答案完全由传输线理论给出，与厂商推荐无关。

3.1 传输线模型与特征阻抗¶

一根双绞线在信号边沿的时间尺度上不是理想导线，而是分布式电感与电容构成的传输线。当边沿上升时间 \(t_r\) 与线长往返时延 \(2 \cdot l / v\) 可比时（工程经验判据：\(l \geq t_r \cdot v / 6\)），必须按传输线处理。

\(v\) 是电信号在线里的传播速度，典型 PVC 绝缘双绞线约 \(0.66c\)（\(c\) 为光速），即约 \(2 \times 10^8\) m/s。
特征阻抗 \(Z_0\) 由线芯间距、直径与绝缘介电常数决定；工业现场总线常用 120 Ω（CAN 与 RS-485 推荐线对典型 \(Z_0 = 120 \pm 12\) Ω）。

信号沿传输线传播时，遇到阻抗不连续的接点（连接器、分支线、终端负载）会部分反射。反射系数 \(\Gamma\)：

\[\Gamma = \frac{Z_L - Z_0}{Z_L + Z_0}\]

\(Z_L = Z_0\) 时 \(\Gamma = 0\)，无反射；开路（\(Z_L \to \infty\)）\(\Gamma = +1\)，全反射同相；短路（\(Z_L = 0\)）\(\Gamma = -1\)，全反射反相。

3.2 反射系数与匹配判据¶

CAN 与 RS-485 的匹配判据都是让总线两端的负载等于 \(Z_0\)：

总线两端各接 \(R_T = Z_0 \approx 120\ \Omega\)：从任一中间节点看出去，向左与向右两段线的输入阻抗分别等于 \(Z_0\)（因为远端已经匹配），并集后为 \(Z_0/2 = 60\ \Omega\)。这解释了 RS-485 规范里"驱动器要能驱动 60 Ω 负载"的由来。
只接一头：另一头开路，信号到达后全反射回来叠加，边沿振铃与过冲幅度可达 2 倍；短总线勉强能跑，长总线或高波特率下误码率飙升。
两头都不接：两端全反射，形成驻波；某些频率上信号幅度接近零，几乎不可靠。
中间接、两头开路：分支处仍会反射，且驱动器看向两端是无限长线，边沿被线路分布参数缓慢拉平；仅适合短距离、低速的临时场景。

判据要写成算式：总线长度 \(l\)、信号上升时间 \(t_r\)、传播速度 \(v\)。当 \(l > v \cdot t_r / 6\) 时必须按传输线处理，两端匹配到 \(Z_0\)。CAN 收发器输出上升时间典型 5–20 ns，\(v \approx 2 \times 10^8\) m/s 代入得 \(l > 0.2\text{–}0.7\) m——也就是说超过分米级就必须接终端电阻，"短线省电阻"的经验在 CAN 上不成立。

3.3 拓扑选择：菊花链 / 总线型 / 星型 / 环形¶

菊花链（daisy-chain）：节点串接在同一根线上，每节点用"进—出"两个接插件内部短接。反射最小，是 CAN 与 RS-485 的首选。
总线型 + 分支（drop）：主干一条线，节点通过短的"跳线"（stub）挂上。stub 长度受 \(l_{stub} < v \cdot t_r / 6\) 约束，工程上常取 < 0.3 m；CAN 规范在 1 Mbps 下建议 stub ≤ 0.3 m、总长 ≤ 40 m。
星型：主控在中心、每台节点各走一对线到中心。反射在中心汇聚，需要每支都单独终端且星型中心不引入额外阻抗。CAN / RS-485 不推荐星型；EtherCAT 与工业以太网允许。
环形 / 手拉手：总线两端回到主站形成环。EtherCAT 与 PROFINET 支持，用于冗余。

4. 接地、屏蔽与失效保护¶

物理层最后一组实操问题与"线之外"的环境有关：如何把参考地建立起来、如何把屏蔽层落地、总线空闲时读什么电平。

4.1 单点接地与地环路¶

多台设备各自接保护地（PE）时，PE 线上会有变频器、电机轴承电流与市电漏电流叠加的浮动电压；两台设备"地"之间几十伏交流属于常见现象。这条电位差会沿着信号线的屏蔽层或共模回流路径形成地环路电流（ground loop），反过来在信号上注入 50/60 Hz 及其谐波共模噪声。

工程惯例：

信号参考地单点共地：所有设备的信号"0"参考在总线的某一处（一般是主站侧）汇到 PE；中间节点不再各接 PE，避免环流。
变压器隔离或光电隔离收发器：把每个节点的信号地与总线地在电气上断开，共模电压降为收发器可承受的隔离度（1–5 kVrms）以内；隔离型 RS-485 收发器（如 ADM2483、ISO1410）在机器人关节驱动器上常见。
DC-DC 隔离电源：信号隔离必须同时隔离供电，否则地环路从电源侧绕回来。

4.2 屏蔽层连接与跨接¶

屏蔽层只对电场耦合有效，对磁场仍需依赖绞合与远离噪声源。屏蔽层落地方式：

一端接地（通常主控侧）：避免沿屏蔽层的地环路，但另一端悬空时屏蔽效能下降。
两端接地：屏蔽层成为低阻回流路径，能吸收磁场感应的高频分量；工频（50/60 Hz）地环路电流仍会走屏蔽层，需要配合单点共地使用。
电容跨接：屏蔽层两端通过 1–10 nF 电容接地，低频开路避免环流、高频短路维持屏蔽效能。工业现场常用。

具体做法以设备安装说明为准；跨接电容是多数 CAN 与工业以太网屏蔽层连接的推荐方案。

4.3 失效保护偏置与空闲态电平¶

RS-485 与 CAN 都存在"总线空闲时读什么"的问题：没有任何驱动器在说话时，两条差分线可能同时悬空（高阻），接收器输入端被噪声随机驱动，读到不定逻辑。工程上称此为失效保护（fail-safe）问题。

RS-485：在 A 与 B 之间接一个上拉至 VCC、一个下拉至 GND 的电阻对（典型 560 Ω–1 kΩ 到电源/地），把空闲态强制拉到 A > B 的稳定差模（逻辑"1"，MARK）。这类电阻称为偏置电阻（bias resistor），与终端电阻不同——偏置电阻只有一组挂在总线某一处，不能每节点都接否则等效负载太小。
CAN：显性电平由驱动器主动拉出（典型 CAN_H ≈ 3.5 V、CAN_L ≈ 1.5 V，差分接近 2 V），隐性电平由收发器释放到 recessive（两线各自回到约 2.5 V 的基线、差分接近 0 V）。总线空闲时 recessive 稳定，不需要外部偏置；但 CAN 收发器本身有短路保护与热保护设计，避免节点"卡"在显性把总线锁死。
失效保护接收器：新一代 RS-485 收发器（如 MAX13487）在内部实现偏置与门限，即使外部不接偏置电阻、终端电阻也断开，仍能识别"总线被短路/被开路/断电"三种异常为确定逻辑。选型时可优先这类。

5. 现场布线实操清单¶

把本章的判据落到接线动作上：

线材：120 Ω 特性阻抗屏蔽双绞（CAN / RS-485 推荐），AWG 22–24；短线（< 1 m 的机柜内跳线）可放宽。
终端电阻：总线两个物理端点各 120 Ω，中间节点不接；主站端口处于物理末端时同样要接，不能因"主站侧内部已有"而跳过。
分支：节点用短跳线（< 0.3 m）挂主干；避免长 stub、避免星型。
屏蔽：单层屏蔽两端跨 1–10 nF 电容接 PE；单层不够时可上双层（内层绞、外层屏蔽）。
电源隔离：DC-DC 隔离模块与隔离收发器配套；每台设备外壳接 PE 但信号 0V 不接外壳。
偏置电阻：RS-485 长总线或半双工换向场景加上拉/下拉，一组即可（在主站侧）；CAN 不接偏置。
接插件：M12（工业传感器）、DB9/DB25（老式 RS-232）、端子排（现场控制器）；同一条总线不要混用不同接插件类型。
布线走向：与动力线（电机 U/V/W、变频器输出）分槽或交叉直角通过，同槽平行时最小间距 30 cm；无法避免时选屏蔽更严的双层线。
上电自检：终端电阻两端并联合适（120 Ω || 120 Ω ≈ 60 Ω）时，用万用表在断开所有节点的总线两端量到 60 Ω 附近；显著偏大说明有一头没接或线断了，显著偏小说明中间节点误并了电阻。

6. 要点¶

差分传输靠 CMRR 抑制共模噪声；双绞的几何补偿抑制磁场感应到差模；屏蔽抑制电场。三者作用对象不同，不能相互替代。
RS-232 / RS-422 / RS-485 是三种不同拓扑取向的电气标准：点对点、一主多从广播、多节点共享总线；RS-485 与 CAN 电气相近但协议不等价，RS-485 不是 CAN 物理层。
终端电阻由传输线反射给出：\(l > v \cdot t_r / 6\) 时必须按传输线处理，两端各接 \(R_T = Z_0\)；CAN 的短总线判据只有几米，"短线省电阻"在 CAN 上不成立。
拓扑优先菊花链、其次总线型 + 短 stub；星型不推荐；环形冗余由具体协议（EtherCAT / PROFINET）在链路层支持。
接地与屏蔽处理地环路：信号参考地单点共地、屏蔽层电容跨接、隔离收发器；每条总线都要独立评估。
失效保护偏置是 RS-485 特有的空闲态问题，CAN 靠 recessive 显式定义空闲；选新一代带内部偏置的收发器可以简化外部元件。

参考文献与延伸阅读¶

ISO 11898-2. Road Vehicles — Controller Area Network (CAN) — Part 2: High-Speed Medium Access Unit. 2016.
CAN in Automation (CiA). 物理层与规范入口. 文档
Linux Kernel. SocketCAN 文档. 文档

第 2 章 物理层与布线¶