選擇和使用RS-232、RS-422和RS-485串行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的指南

三種常見的串行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)RS-232、RS-422和RS-485按規(guī)格和電氣接口進(jìn)行描述。介紹了電纜端接技術(shù)、多個(gè)負(fù)載的使用、RS-232 的菊花鏈連接、RS-232 到 RS-485 的轉(zhuǎn)換、RS-485 到 RS-232 的轉(zhuǎn)換以及 RS-232 端口供電的 RS-485 轉(zhuǎn)換。

介紹

“標(biāo)準(zhǔn)的偉大之處在于有這么多可供選擇。這一聲明是在最近的一次光纖會(huì)議上發(fā)表的，也適用于電接口標(biāo)準(zhǔn)。由于串行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)往往在特定行業(yè)中單獨(dú)發(fā)展，因此我們擁有比我們應(yīng)該更多的標(biāo)準(zhǔn)。

也許PC和電信應(yīng)用最成功的串行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是RS-232。同樣，RS-485和RS-422是工業(yè)應(yīng)用中最成功的標(biāo)準(zhǔn)之一。這些標(biāo)準(zhǔn)不直接兼容。然而，對(duì)于控制和儀表應(yīng)用，通常需要在標(biāo)準(zhǔn)之間進(jìn)行通信。本文討論不同的標(biāo)準(zhǔn)（電氣物理層規(guī)范），解釋如何從一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，并演示如何在同一應(yīng)用中組合不同的標(biāo)準(zhǔn)。

RS-232 電氣規(guī)格和典型連接

RS-232鏈路最初旨在支持IBM PC上的調(diào)制解調(diào)器和打印機(jī)應(yīng)用程序，但是，它現(xiàn)在使各種外圍設(shè)備能夠與PC通信。RS-232標(biāo)準(zhǔn)被定義為以低波特率（<20kbps）增加串行通信距離的單端標(biāo)準(zhǔn)。多年來(lái)，標(biāo)準(zhǔn)不斷變化，以適應(yīng)更快的驅(qū)動(dòng)器，如MAX3225E，它提供1Mbps的數(shù)據(jù)速率能力。為了符合RS-232標(biāo)準(zhǔn)，MAX3225E等收發(fā)器必須滿足表1所列的電氣規(guī)格。典型的連接（圖1）顯示了使用硬件握手來(lái)控制數(shù)據(jù)流。

圖1.典型的 RS-232 連接。

典型的RS-232信號(hào)（圖2，CH1）擺幅為正和負(fù)。請(qǐng)注意左軸上 0V 跡線標(biāo)記的相對(duì)位置。盡管RS-232數(shù)據(jù)是反轉(zhuǎn)的，但從TTL/CMOS到RS-232并返回TTL/CMOS的整體轉(zhuǎn)換可以恢復(fù)數(shù)據(jù)的原始極性。典型的RS-232傳輸很少超過(guò)100英尺，原因有兩個(gè)。首先，發(fā)射電平（±5V）和接收電平（±3V）之間的差異僅允許2V的共模抑制。其次，較長(zhǎng)電纜的分布電容會(huì)通過(guò)超過(guò)最大額定負(fù)載（2500pF）來(lái)降低壓擺率。由于RS-232設(shè)計(jì)為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口而非多點(diǎn)接口，因此其驅(qū)動(dòng)器的額定值為3kΩ至7kΩ的單負(fù)載。因此，菊花鏈方案通常用于多點(diǎn)接口應(yīng)用（圖 3）。

圖2.RS-232接收器接受雙極性輸入信號(hào)（頂部跡線，CH1）并輸出反相TTL/CMOS信號(hào)（底部跡線，CH2）。

圖3.菊花鏈允許在一條RS-232線路上安裝多個(gè)從屬收發(fā)器。

菊花鏈器件及其局限性

在菊花鏈配置中，RS-232信號(hào)通過(guò)一個(gè)接收器進(jìn)入并環(huán)通到發(fā)射器。對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸線上的后續(xù)設(shè)備重復(fù)此配置。電纜斷裂是這種技術(shù)的一個(gè)主要問(wèn)題。從機(jī)1和從機(jī)2之間的中斷會(huì)阻止所有下游設(shè)備發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。其他多點(diǎn)RS-232技術(shù)包括預(yù)緩沖或升壓RS-232輸出驅(qū)動(dòng)（使其能夠并聯(lián)驅(qū)動(dòng)多個(gè)5kΩ輸入）。

為了消除菊花鏈網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)問(wèn)題，Maxim開發(fā)了MAX3322E/MAX3323E，專門設(shè)計(jì)用于多點(diǎn)應(yīng)用。這些獨(dú)特的器件采用 5k 的邏輯開關(guān)輸入電阻。未選擇器件時(shí)，其輸入電阻保持高阻抗?fàn)顟B(tài)，允許沿共享總線與其他器件進(jìn)行通信。

菊花鏈網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題的另一種解決方案是將RS-232 Rx和Tx信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS-422信號(hào)（見表2）。RS-422是一種差分標(biāo)準(zhǔn)，允許在更遠(yuǎn)的距離上進(jìn)行傳輸。RS-422 輸入具有更高的輸入電阻，加上更高的驅(qū)動(dòng)能力，允許連接多達(dá) 4 個(gè)節(jié)點(diǎn)（圖 422）。RS-3162的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是發(fā)射和接收路徑分開，不需要方向控制。設(shè)備之間的任何必要的握手都可以使用軟件（XON/OFF握手）或硬件（一組單獨(dú)的雙絞線）執(zhí)行。MAX232提供了一種經(jīng)濟(jì)的RS-422和RS-232信號(hào)轉(zhuǎn)換方式。

圖4.典型的RS-422系統(tǒng)允許差分傳輸線路上多達(dá)<>個(gè)從機(jī)收發(fā)器。

RS-485和RS-422之間的差異及其在應(yīng)用中的使用

RS-422和RS-485收發(fā)器經(jīng)常相互混淆;一個(gè)假定是另一個(gè)的全雙工版本。然而，其共模范圍和接收器輸入電阻的電氣差異使這些標(biāo)準(zhǔn)適用于不同的應(yīng)用。由于RS-485符合所有RS-422規(guī)范（表3），因此RS-485驅(qū)動(dòng)器可用于RS-422應(yīng)用。然而，事實(shí)并非如此。RS-485驅(qū)動(dòng)器的共模輸出范圍為-7V至+12V，而RS-422驅(qū)動(dòng)器的共模范圍僅為±3V。RS-4驅(qū)動(dòng)器的最小接收器輸入電阻為422kΩ，RS-12驅(qū)動(dòng)器的最小接收器輸入電阻為485kΩ。

為了降低布線費(fèi)用并實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的線路長(zhǎng)度，RS-485收發(fā)器已成為銷售點(diǎn)、工業(yè)和電信應(yīng)用中的流行標(biāo)準(zhǔn)。RS-485 更寬的共模范圍還支持更長(zhǎng)的線路長(zhǎng)度和更高的每個(gè)節(jié)點(diǎn)輸入電阻，從而允許將更多節(jié)點(diǎn)連接到總線（圖 5）。

圖5.與RS-422相比，RS-485連接具有更高的輸入阻抗和更寬的共模范圍，可實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的線路長(zhǎng)度。

差分RS-485傳輸（圖6）沿雙絞線電纜的每一段（導(dǎo)線）產(chǎn)生相反的電流和磁場(chǎng)，從而通過(guò)交叉消除每根導(dǎo)線周圍的相反場(chǎng)來(lái)最大限度地減少發(fā)射的電磁干擾（EMI）。對(duì)于通過(guò)長(zhǎng)電纜或高數(shù)據(jù)速率傳輸，電纜顯示為傳輸線，應(yīng)以電纜的特性阻抗端接。RS-485連接的這一方面會(huì)引起混淆。線路是否需要端接，如果需要，應(yīng)如何端接？如果設(shè)計(jì)人員不是最終用戶，這些問(wèn)題是否應(yīng)該留給安裝程序來(lái)解決？對(duì)于大多數(shù)RS-485收發(fā)器，數(shù)據(jù)手冊(cè)指出了當(dāng)電纜充當(dāng)傳輸線時(shí)，可以在無(wú)端接和簡(jiǎn)單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)端接之間進(jìn)行簡(jiǎn)單的選擇（圖7）。A-B 端子上的端接電阻是無(wú)害的。默認(rèn)情況下，傳輸線應(yīng)端接在線路上的最后一個(gè)收發(fā)器（總線）。

圖6.RS-485線路上的相反極性信號(hào)通過(guò)交叉抵消彼此各自的磁場(chǎng)來(lái)最小化EMI。上述示波器照片上的GND參考已被移動(dòng)（偏移），以清楚地顯示RS-485輸出信號(hào)的反極性。

圖7.傳輸線端接電阻器的選擇取決于應(yīng)用。

故障安全

決定是否需要終端電阻只是實(shí)現(xiàn)RS-485系統(tǒng)的一部分問(wèn)題。通常，如果A>B+485mV或更高，則RS-1接收器輸出為“200”，如果B>A為0mV或更高，則為“200”。在半雙工RS-485網(wǎng)絡(luò)中，主收發(fā)器在向從機(jī)發(fā)送消息后對(duì)總線進(jìn)行三態(tài)處理。然后，在沒(méi)有信號(hào)驅(qū)動(dòng)總線的情況下，接收器的輸出狀態(tài)不確定，因?yàn)锳和B之間的差值趨于0V。如果接收器輸出RO為“0”，則從機(jī)將其解釋為新的起始位，并嘗試讀取以下字節(jié)。結(jié)果是成幀錯(cuò)誤，因?yàn)橥Ｖ刮粡奈窗l(fā)生。公共汽車無(wú)人認(rèn)領(lǐng)，網(wǎng)絡(luò)停滯不前。

遺憾的是，對(duì)于0V差分輸入，不同的芯片運(yùn)行可以在RO上產(chǎn)生不同的輸出信號(hào)。原型可以完美地工作，但是，某些節(jié)點(diǎn)將在以后的生產(chǎn)運(yùn)行中失敗。要解決此問(wèn)題，請(qǐng)偏置總線，如圖7所示，在多點(diǎn)/故障安全端接下。對(duì)總線進(jìn)行偏置可確保當(dāng)總線處于三態(tài)時(shí)，接收器輸出保持“1”?；蛘撸部梢允褂谩罢嬲墓收习踩苯邮掌?，如MAX3080 （5V）和MAX3070 （3V）系列。這些器件通過(guò)將接收器的閾值更改為-1mV來(lái)確保RO輸出為“0”，以響應(yīng)50V差分輸入。

RS-232/RS-485 協(xié)議轉(zhuǎn)換器

MAX3162是一種獨(dú)特的器件，它包含RS-232和RS-485接收器和發(fā)送器。單個(gè)IC中包含的各種通信設(shè)備使個(gè)人能夠在RS-232和RS-485信號(hào)之間進(jìn)行雙向轉(zhuǎn)換。圖8所示電路給出了MAX3162，配置為在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)應(yīng)用中雙向轉(zhuǎn)換RS-232和RS-485信號(hào)。

圖8.MAX3162在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)應(yīng)用中在RS-232和RS-485信號(hào)之間進(jìn)行雙向轉(zhuǎn)換。

圖9所示為MAX3162配置為RS-232/RS-485多點(diǎn)協(xié)議轉(zhuǎn)換器。平移方向通過(guò)RTS信號(hào)R1IN控制。單端RS-232接收器輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分RS-485發(fā)射器輸出。類似地，差分RS-485接收器輸入信號(hào)被轉(zhuǎn)換為單端RS-232發(fā)射器輸出。在R232IN上接收的RS-2數(shù)據(jù)在Z和Y上作為RS-485信號(hào)傳輸，在A和B上接收的RS-485信號(hào)在T232OUT上作為RS-1信號(hào)傳輸。

RTS線路是在從RS-232轉(zhuǎn)換為RS-485的電路中控制總線方向的常用方法。RS-232 端口上的這條線控制 RS-485 收發(fā)器是充當(dāng)發(fā)射器還是接收器（圖 9）。請(qǐng)注意，除非系統(tǒng)監(jiān)視RS-485驅(qū)動(dòng)程序輸入DI，否則系統(tǒng)無(wú)法確定UART發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)字節(jié)是否已傳輸。也就是說(shuō)，在使用DE輸入改變總線方向之前，系統(tǒng)必須允許固定的時(shí)間延遲或主動(dòng)監(jiān)控DI輸入。

其他方向控制技術(shù)包括使用微控制器并用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)DE輸入，同時(shí)將A-B線拉開（將上拉電阻從A連接到5V，并將下拉電阻從B連接到地）。這些電阻的值隨電纜電容而變化，但典型值為1kΩ。

圖9.MAX3162在多點(diǎn)應(yīng)用中可在RS-232和RS-485信號(hào)之間進(jìn)行雙向轉(zhuǎn)換。

端口供電設(shè)備

從RS-232到RS-485的許多轉(zhuǎn)換器都是“端口供電轉(zhuǎn)換器”，其中 RS-485 電源來(lái)自 RS-232 RTS 線路（有時(shí)是 RTS 和 CTS （DTR） 線路的組合）。由于RS-232端口的可用功率有限，因此當(dāng)使用端口供電的轉(zhuǎn)換器（例如485個(gè)RS-485端接）時(shí)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)RS-200啟動(dòng)電壓。然而，低接收器門限（<>mV）允許相當(dāng)?shù)恼`差余量。這種技術(shù)在短線路長(zhǎng)度且 A-B 端子上沒(méi)有端接電阻的系統(tǒng)中是可以接受的。

熱插拔

當(dāng)電路板插入熱背板或通電背板時(shí)，數(shù)據(jù)總線的差分干擾可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。在初始電路板插入時(shí)，數(shù)據(jù)通信處理器會(huì)經(jīng)歷自己的上電順序。在此期間，處理器的邏輯輸出驅(qū)動(dòng)器為高阻抗，無(wú)法將MAX3060E/MAX3080E的DE和/RE輸入驅(qū)動(dòng)至定義的邏輯電平。處理器邏輯驅(qū)動(dòng)器的高阻抗?fàn)顟B(tài)漏電流高達(dá)±10mA，可能導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)CMOS使能收發(fā)器的輸入漂移到不正確的邏輯電平。此外，寄生電路板電容可能導(dǎo)致VCC或GND耦合到使能輸入。如果沒(méi)有熱插拔功能，這些因素可能會(huì)使能收發(fā)器的驅(qū)動(dòng)器或接收器。

審核編輯：郭婷