串口通訊RS422、RS485與RS232詳解

1.RS232的優(yōu)缺點(diǎn)

RS-232采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊。RS-232是為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(即只用一對(duì)收、發(fā)設(shè)備)通訊而設(shè)計(jì)的，其驅(qū)動(dòng)器負(fù)載為3～7kΩ。所以RS-232適合本地設(shè)備之間的通信。由于RS-232-C接口標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)較早，難免有不足之處，主要有以下四點(diǎn)：

1)接口的信號(hào)電平值較高，易損壞接口電路的芯片，又因?yàn)榕cTTL電平不兼容故需使用電平轉(zhuǎn)換電路方能與TTL電路連接。

2)傳輸速率較低，在異步傳輸時(shí)，波特率為100Kbps左右。

3)接口使用一根信號(hào)線和一根信號(hào)返回線而構(gòu)成共地的傳輸形式，這種共地傳輸容易產(chǎn)生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱。

4)傳輸距離有限，最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為50英尺，實(shí)際上也只能用在50米左右。

缺點(diǎn)：數(shù)據(jù)傳輸速度慢、通訊距離短、未規(guī)定校準(zhǔn)的連接器、接口處各信號(hào)間易產(chǎn)生串?dāng)_。

通訊距離：9600波特率下建議在13米以內(nèi)。通訊速率(波特率 Baud Rate)：缺省常用的是 9600 bps，常見(jiàn)的還有 1200 2400 4800 19200 38400等。波特率越大，傳輸速度越快，但穩(wěn)定的傳輸距離越短，抗干擾能力越差。

針對(duì)RS-232的不足，于是就不斷出現(xiàn)了一些新的接口標(biāo)準(zhǔn)，比如RS422和RS-485。

2.平衡傳輸

RS-422、RS-485與RS-232不一樣，數(shù)據(jù)信號(hào)采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸，它使用一對(duì)雙絞線，將其中一線定義為A，另一線定義為B。

通常情況下，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器A、B之間的正電平在+2～+6V，是一個(gè)邏輯狀態(tài)，負(fù)電平在-2～6V，是另一個(gè)邏輯狀態(tài)。另有一個(gè)信號(hào)地C，在RS-485中還有一"使能"端，而在RS-422中這是可用可不用的。"使能"端是用于控制發(fā)送驅(qū)動(dòng)器與傳輸線的切斷與連接。當(dāng)"使能"端起作用時(shí)，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器處于高阻狀態(tài)，稱作"第三態(tài)"，即它是有別于邏輯"1"與"0"的第三態(tài)。

接收器也作與發(fā)送端相對(duì)的規(guī)定，收、發(fā)端通過(guò)平衡雙絞線將AA與BB對(duì)應(yīng)相連，當(dāng)在收端AB之間有大于+200mV的電平時(shí)，輸出正邏輯電平，小于-200mV時(shí)，輸出負(fù)邏輯電平。接收器接收平衡線上的電平范圍通常在200mV至6V之間。

3.RS422電器規(guī)定

RS-422標(biāo)準(zhǔn)全稱是"平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性"，它定義了接口電路的特性。由于接收器采用高輸入阻抗和發(fā)送驅(qū)動(dòng)器比RS232更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，故允許在相同傳輸線上連接多個(gè)接收節(jié)點(diǎn)，最多可接10個(gè)節(jié)點(diǎn)。即一個(gè)主設(shè)備(Master)，其余為從設(shè)備(Salve)，從設(shè)備之間不能通信，所以RS-422支持點(diǎn)對(duì)多的雙向通信。接收器輸入阻抗為4k，故發(fā)端最大負(fù)載能力是10×4k+100Ω(終接電阻)。RS-422四線接口由于采用單獨(dú)的發(fā)送和接收通道，因此不必控制數(shù)據(jù)方向，各裝置之間任何必須的信號(hào)交換均可以按軟件方式(XON/XOFF握手)或硬件方式(一對(duì)單獨(dú)的雙絞線)實(shí)現(xiàn)。

RS422是雙端線傳送信號(hào)，通過(guò)傳輸線驅(qū)動(dòng)器，把邏輯電平變換成電位差，完成始端的信息怤;通過(guò)傳輸線接收器，把電位差轉(zhuǎn)變成邏輯電平，實(shí)現(xiàn)終端的信息接收。線總RS485和RS422電路原理基本相同，都是以差動(dòng)方式發(fā)送和接受，不需要數(shù)字地線。差動(dòng)工作是同速率條件下傳輸距離遠(yuǎn)的根本原因，這正是二者與RS232的根本區(qū)別，因?yàn)镽S232是單端輸入輸出，雙工工作時(shí)至少需要數(shù)字地線發(fā)送線和接受線三條線(異步傳輸)，還可以加其它控制線完成同步等功能。RS422通過(guò)兩對(duì)雙絞線可以全雙工工作收發(fā)互不影響，而RS485只能半雙工工作，發(fā)收不能同時(shí)進(jìn)行，但它只需要一對(duì)雙絞線。RS422和RS485在19kpbs下能傳輸1200米。用新型收發(fā)器線路上可連接臺(tái)設(shè)備。

RS-422的最大傳輸距離為4000英尺(約1219米)，最大傳輸速率為10Mb/s。其平衡雙絞線的長(zhǎng)度與傳輸速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能達(dá)到最大傳輸距離。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長(zhǎng)的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率僅為1Mb/s。

RS-422需要一終接電阻，要求其阻值約等于傳輸電纜的特性阻抗。在矩距離傳輸時(shí)可不需終接電阻，即一般在300米以下不需終接電阻。終接電阻接在傳輸電纜的最遠(yuǎn)端。

RS422每個(gè)通道要用二條信號(hào)線，如果一條是邏輯"1"狀態(tài)，另一條為邏輯"0"。電路由發(fā)送器、平衡連接電纜、電纜終端負(fù)載、接收器幾部分組成。在電路中規(guī)定只許有一個(gè)發(fā)送器，可有多個(gè)接收器，因此通常采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊方式。

RS422通訊基礎(chǔ)知識(shí)：他的通訊原理和RS485類似，區(qū)別在于他的總線是兩組雙絞線(4根線)，分別標(biāo)示為R+ R- T+ T- .缺點(diǎn)是布線成本高，容易搞錯(cuò)?，F(xiàn)在用得比較少。

4.RS485

由于RS-485是從RS-422基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，所以RS-485許多電氣規(guī)定與RS-422相仿。如都采用平衡傳輸方式、都需要在傳輸線上接終接電阻等。RS-485可以采用二線與四線方式，二線制可實(shí)現(xiàn)真正的多點(diǎn)雙向通信而采用四線連接時(shí)，與RS-422一樣只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多的通信，即只能有一個(gè)主(Master)設(shè)備，其余為從設(shè)備，但它比RS-422有改進(jìn)，無(wú)論四線還是二線連接方式總線上可多接到32個(gè)設(shè)備。

RS-485與RS-422的不同還在于其共模輸出電壓是不同的，RS-485是-7V至+12V之間，而RS-422在-7V至+7V之間，RS-485接收器最小輸入阻抗為12k而RS-422是4k;RS-485滿足所有RS-422的規(guī)范，所以RS-485的驅(qū)動(dòng)器可以用在RS-422網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。

RS-485與RS-422一樣，其最大傳輸距離約為1219米，最大傳輸速率為10Mb/s。平衡雙絞線的長(zhǎng)度與傳輸速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能使用規(guī)定最長(zhǎng)的電纜長(zhǎng)度。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長(zhǎng)雙絞線最大傳輸速率僅為1Mb/s。

RS-485需要2個(gè)終接電阻，其阻值要求等于傳輸電纜的特性阻抗。在矩距離傳輸時(shí)可不需終接電阻，即一般在300米以下不需終接電阻。終接電阻接在傳輸總線的兩端。

RS-485總線,在要求通信距離為幾十米到上千米時(shí)，廣泛采用RS-485 串行總線標(biāo)準(zhǔn)。RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測(cè)低至200mV的電壓，故傳輸信號(hào)能在千米以外得到恢復(fù)。 RS-485采用半雙工工作方式，任何時(shí)候只能有一點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號(hào)加以控制。RS-485用于多點(diǎn)互連時(shí)非常方便，可以省掉許多信號(hào)線。應(yīng)用RS-485 可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)，其允許最多并聯(lián)32臺(tái)驅(qū)動(dòng)器和32臺(tái)接收器。

因RS-485接口具有良好的抗噪聲干擾性，長(zhǎng)的傳輸距離和多站能力等上述優(yōu)點(diǎn)就使其成為首選的串行接口。因?yàn)镽S485接口組成的半雙工網(wǎng)絡(luò)，一般只需二根連線，所以RS485接口均采用屏蔽雙絞線傳輸。RS485接口連接器采用DB-9的9芯插頭座，與智能終端RS485接口采用DB-9(孔)，與鍵盤(pán)連接的鍵盤(pán)接口RS485采用DB-9(針)。

RS485通訊的基本知識(shí)：RS485和RS232的基本的通訊機(jī)理是一致的，他的優(yōu)點(diǎn)在于彌補(bǔ)了RS232 通訊距離短，不能進(jìn)行多臺(tái)設(shè)備同時(shí)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)管理的缺點(diǎn)。

計(jì)算機(jī)通過(guò) RS232 RS485轉(zhuǎn)換器，依次連接多臺(tái) 485設(shè)備(門(mén)禁控制器)，采用輪詢的方式，對(duì)總線上的設(shè)備輪流進(jìn)行通訊。

接線標(biāo)示是 485+ 485- ，分別對(duì)應(yīng)鏈接設(shè)備(控制器)的 485+ 485-。

5、RS-422與RS-485傳輸線上匹配的一些說(shuō)明

對(duì)RS-422與RS-485總線網(wǎng)絡(luò)一般要使用終接電阻進(jìn)行匹配。但在短距離與低速率下可以不用考慮終端匹配。那么在什么情況下不用考慮匹配呢?

理論上，在每個(gè)接收數(shù)據(jù)信號(hào)的中點(diǎn)進(jìn)行采樣時(shí)，只要反射信號(hào)在開(kāi)始采樣時(shí)衰減到足夠低就可以不考慮匹配。但這在實(shí)際上難以掌握，美國(guó)MAXIM公司有篇文章提到一條經(jīng)驗(yàn)性的原則可以用來(lái)判斷在什么樣的數(shù)據(jù)速率和電纜長(zhǎng)度時(shí)需要進(jìn)行匹配：當(dāng)信號(hào)的轉(zhuǎn)換時(shí)間(上升或下降時(shí)間)超過(guò)電信號(hào)沿總線單向傳輸所需時(shí)間的3倍以上時(shí)就可以不加匹配。例如具有限斜率特性的RS-485接口MAX483輸出信號(hào)的上升或下降時(shí)間最小為250ns，典型雙絞線上的信號(hào)傳輸速率約為0.2m/ns(24AWGPVC電纜)，那么只要數(shù)據(jù)速率在250kb/s以內(nèi)、電纜長(zhǎng)度不超過(guò)16米，采用MAX483作為RS-485接口時(shí)就可以不加終端匹配。

一般終端匹配采用終接電阻方法，前文已有提及，RS-422在總線電纜的遠(yuǎn)端并接電阻，RS-485則應(yīng)在總線電纜的開(kāi)始和末端都需并接終接電阻。終接電阻一般在RS-422網(wǎng)絡(luò)中取100Ω，在RS-485網(wǎng)絡(luò)中取120Ω。相當(dāng)于電纜特性阻抗的電阻，因?yàn)榇蠖鄶?shù)雙絞線電纜特性阻抗大約在100～120Ω。這種匹配方法簡(jiǎn)單有效，但有一個(gè)缺點(diǎn)，匹配電阻要消耗較大功率，對(duì)于功耗限制比較嚴(yán)格的系統(tǒng)不太適合。

另外一種比較省電的匹配方式是RC匹配，利用一只電容C隔斷直流成分可以節(jié)省大部分功率。但電容C的取值是個(gè)難點(diǎn)，需要在功耗和匹配質(zhì)量間進(jìn)行折衷。

還有一種采用二極管的匹配方法，這種方案雖未實(shí)現(xiàn)真正的"匹配"，但它利用二極管的鉗位作用能迅速削弱反射信號(hào)，達(dá)到改善信號(hào)質(zhì)量的目的。節(jié)能效果顯著。

6、RS-422與RS-485的接地問(wèn)題

電子系統(tǒng)接地是很重要的，但常常被忽視。接地處理不當(dāng)往往會(huì)導(dǎo)致電子系統(tǒng)不能穩(wěn)定工作甚至危及系統(tǒng)安全。RS-422與RS-485傳輸網(wǎng)絡(luò)的接地同樣也是很重要的，因?yàn)榻拥叵到y(tǒng)不合理會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，尤其是在工作環(huán)境比較惡劣和傳輸距離較遠(yuǎn)的情況下，對(duì)于接地的要求更為嚴(yán)格。否則接口損壞率較高。

很多情況下，連接RS-422、RS-485通信鏈路時(shí)只是簡(jiǎn)單地用一對(duì)雙絞線將各個(gè)接口的"A"、"B"端連接起來(lái)。而忽略了信號(hào)地的連接，這種連接方法在許多場(chǎng)合是能正常工作的，但卻埋下了很大的隱患，這有下面二個(gè)原因：

1.共模干擾問(wèn)題：

正如前文已述，RS-422與RS-485接口均采用差分方式傳輸信號(hào)方式，并不需要相對(duì)于某個(gè)參照點(diǎn)來(lái)檢測(cè)信號(hào)，系統(tǒng)只需檢測(cè)兩線之間的電位差就可以了。但人們往往忽視了收發(fā)器有一定的共模電壓范圍，如RS-422共模電壓范圍為-7～+7V，而RS-485收發(fā)器共模電壓范圍為-7～+12V，只有滿足上述條件，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)才能正常工作。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)線路中共模電壓超出此范圍時(shí)就會(huì)影響通信的穩(wěn)定可靠，甚至損壞接口。

當(dāng)發(fā)送驅(qū)動(dòng)器A向接收器B發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器A的輸出共模電壓為VOS，由于兩個(gè)系統(tǒng)具有各自獨(dú)立的接地系統(tǒng)，存在著地電位差VGPD。那么，接收器輸入端的共模電壓VCM就會(huì)達(dá)到VCM=VOS+VGPD。RS-422與RS-485標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定VOS≤3V，但VGPD可能會(huì)有很大幅度(十幾伏甚至數(shù)十伏)，并可能伴有強(qiáng)干擾信號(hào)，致使接收器共模輸入VCM超出正常范圍，并在傳輸線路上產(chǎn)生干擾電流，輕則影響正常通信，重則損壞通信接口電路。

2.(EMI)問(wèn)題：

發(fā)送驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào)中的共模部分需要一個(gè)返回通路，如沒(méi)有一個(gè)低阻的返回通道(信號(hào)地)，就會(huì)以輻射的形式返回源端，整個(gè)總線就會(huì)像一個(gè)巨大的天線向外輻射電磁波。

由于上述原因，RS-422、RS-485盡管采用差分平衡傳輸方式，但對(duì)整個(gè)RS-422或RS-485網(wǎng)絡(luò)，必須有一條低阻的信號(hào)地。一條低阻的信號(hào)地將兩個(gè)接口的工作地連接起來(lái)，使共模干擾電壓VGPD被短路。

這條信號(hào)地可以是額外的一條線(非屏蔽雙絞線)，或者是屏蔽雙絞線的屏蔽層。這是最通常的接地方法。

值得注意的是，這種做法僅對(duì)高阻型共模干擾有效，由于干擾源內(nèi)阻大，短接后不會(huì)形成很大的接地環(huán)路電流，對(duì)于通信不會(huì)有很大影響。當(dāng)共模干擾源內(nèi)阻較低時(shí)，會(huì)在接地線上形成較大的環(huán)路電流，影響正常通信。筆者認(rèn)為，可以采取以下三種措施：

如果干擾源內(nèi)阻不是非常小，可以在接地線上加限流電阻以限制干擾電流。接地電阻的增加可能會(huì)使共模電壓升高，但只要控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)就不會(huì)影響正常通信。

采用浮地技術(shù)，隔斷接地環(huán)路。這是較常用也是十分有效的一種方法，當(dāng)共模干擾內(nèi)阻很小時(shí)上述方法已不能奏效，此時(shí)可以考慮將引入干擾的節(jié)點(diǎn)(例如處于惡劣的工作環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備)浮置起來(lái)(也就是系統(tǒng)的電路地與機(jī)殼或大地隔離)，這樣就隔斷了接地環(huán)路，不會(huì)形成很大的環(huán)路電流。

采用隔離接口。有些情況下，出于安全或其它方面的考慮，電路地必須與機(jī)殼或大地相連，不能懸浮，這時(shí)可以采用隔離接口來(lái)隔斷接地回路，但是仍然應(yīng)該有一條地線將隔離側(cè)的公共端與其它接口的工作地相連。

7、RS-422與RS-485的網(wǎng)絡(luò)失效保護(hù)

RS-422與RS-485標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了接收器門(mén)限為±200mV。這樣規(guī)定能夠提供比較高的噪聲抑制能力，如前文所述，當(dāng)接收器A電平比B電平高+200mV以上時(shí)，輸出為正邏輯，反之，則輸出為負(fù)邏輯。但由于第三態(tài)的存在，即在主機(jī)在發(fā)端發(fā)完一個(gè)信息數(shù)據(jù)后，將總線置于第三態(tài)，即總線空閑時(shí)沒(méi)有任何信號(hào)驅(qū)動(dòng)總線，使AB之間的電壓在-200～+200mV直至趨于0V，這帶來(lái)了一個(gè)問(wèn)題：接收器輸出狀態(tài)不確定。如果接收機(jī)的輸出為0V，網(wǎng)絡(luò)中從機(jī)將把其解釋為一個(gè)新的啟動(dòng)位，并試圖讀取后續(xù)字節(jié)，由于永遠(yuǎn)不會(huì)有停止位，產(chǎn)生一個(gè)幀錯(cuò)誤結(jié)果，不再有設(shè)備請(qǐng)求總線，網(wǎng)絡(luò)陷于癱瘓狀態(tài)。除上述所述的總線空閑會(huì)造成兩線電壓差低于200mV的情況外，開(kāi)路或短路時(shí)也會(huì)出現(xiàn)這種情況。故應(yīng)采取一定的措施避免接收器處于不確定狀態(tài)。

通常是在總線上加偏置，當(dāng)總線空閑或開(kāi)路時(shí)，利用偏置電阻將總線偏置在一個(gè)確定的狀態(tài)(差分電壓≥-200mV)。

上述方法是比較經(jīng)典的方法，但它仍然不能解決總線短路時(shí)的問(wèn)題，有些廠家將接收門(mén)限移到-200mV/-50mV，可解決這個(gè)問(wèn)題。例如Maxim公司的MAX3080系列RS-485接口，不僅省去了外部偏置電阻，而且解決了總線短路情況下的失效保護(hù)問(wèn)題。

8、RS-422與RS-485的瞬態(tài)保護(hù)

前文提到的信號(hào)接地措施，只對(duì)低頻率的共模干擾有保護(hù)作用，對(duì)于頻率很高的瞬態(tài)干擾就無(wú)能為力了。由于傳輸線對(duì)高頻信號(hào)而言就是相當(dāng)于電感，因此對(duì)于高頻瞬態(tài)干擾，接地線實(shí)際等同于開(kāi)路。這樣的瞬態(tài)干擾雖然持續(xù)時(shí)間短暫，但可能會(huì)有成百上千伏的電壓。

實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下還是存在高頻瞬態(tài)干擾的可能。一般在切換大功率感性負(fù)載如電機(jī)、變壓器、繼電器等或閃電過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生幅度很高的瞬態(tài)干擾，如果不加以適當(dāng)防護(hù)就會(huì)損壞RS-422或RS-485通信接口。對(duì)于這種瞬態(tài)干擾可以采用隔離或旁路的方法加以防護(hù)。

1.隔離保護(hù)方法。

這種方案實(shí)際上將瞬態(tài)高壓轉(zhuǎn)移到隔離接口中的電隔離層上，由于隔離層的高絕緣電阻，不會(huì)產(chǎn)生損害性的浪涌電流，起到保護(hù)接口的作用。通常采用高頻變壓器、光耦等元件實(shí)現(xiàn)接口的電氣隔離，已有器件廠商將所有這些元件集成在一片IC中，使用起來(lái)非常簡(jiǎn)便，如Maxim公司的MAX1480/MAX1490，隔離電壓可達(dá)2500V。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是可以承受高電壓、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的瞬態(tài)干擾，實(shí)現(xiàn)起來(lái)也比較容易，缺點(diǎn)是成本較高。

2.旁路保護(hù)方法。

這種方案利用瞬態(tài)抑制元件(如TVS、MOV、氣體放電管等)將危害性的瞬態(tài)能量旁路到大地，優(yōu)點(diǎn)是成本較低，缺點(diǎn)是保護(hù)能力有限，只能保護(hù)一定能量以內(nèi)的瞬態(tài)干擾，持續(xù)時(shí)間不能很長(zhǎng)，而且需要有一條良好的連接大地的通道，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難。實(shí)際應(yīng)用中是將上述兩種方案結(jié)合起來(lái)靈活加以運(yùn)用，如圖1。在這種方法中，隔離接口對(duì)大幅度瞬態(tài)干擾進(jìn)行隔離，旁路元件則保護(hù)隔離接口不被過(guò)高的瞬態(tài)電壓擊穿。

9、采用RS485接口時(shí)，傳輸電纜的長(zhǎng)度如何考慮?

答：在使用RS485接口時(shí)，對(duì)于特定的傳輸線經(jīng)，從發(fā)生器到負(fù)載其數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸所允許的最大電纜長(zhǎng)度是數(shù)據(jù)信號(hào)速率的函數(shù)，這個(gè)長(zhǎng)度數(shù)據(jù)主要是受信號(hào)失真及噪聲等影響所限制。

當(dāng)使用不同線徑的電纜。則取得的最大電纜長(zhǎng)度是不相同的。例如：當(dāng)數(shù)據(jù)信號(hào)速率為600Kbit/S時(shí)，采用24AWG電纜，最大電纜長(zhǎng)度是200m，若采用19AWG電纜(線徑為0。91mm)則電纜長(zhǎng)度將可以大于200m;若采用28AWG電纜(線徑為0。32mm)則電纜長(zhǎng)度只能小于200m。

審核編輯：湯梓紅