RS-232、RS-422與RS-485標準及應(yīng)用
發(fā)布日期：2022-08-21 點擊率：46
一、RS-232、RS-422與RS-485的由來
RS-232、RS-422與RS-485都是串行數(shù)據(jù)接口標準，最初都是由電子工業(yè)協(xié)會（EIA）制訂并發(fā)布的，RS-232在1962年發(fā)布，命名為EIA-232-E，作為工業(yè)標準，以保證不同廠家產(chǎn)品之間的兼容。RS-422由RS-232發(fā)展而來，它是為彌補RS-232之不足而提出的。為改進RS-232通信距離短、速率低的缺點，RS-422定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到10Mb/s，傳輸距離延長到4000英尺（速率低于100kb/s時），并允許在一條平衡總線上連接最多10個接收器。RS-422是一種單機發(fā)送、多機接收的單向、平衡傳輸規(guī)范，被命名為TIA/EIA-422-A標準。為擴展應(yīng)用范圍，EIA又于1983年在RS-422基礎(chǔ)上制定了RS-485標準，增加了多點、雙向通信能力，即允許多個發(fā)送器連接到同一條總線上，同時增加了發(fā)送器的驅(qū)動能力和沖突保護特性，擴展了總線共模范圍，后命名為TIA/EIA-485-A標準。由于EIA提出的建議標準都是以“RS”作為前綴，所以在通訊工業(yè)領(lǐng)域，仍然習慣將上述標準以RS作前綴稱謂。
RS-232、RS-422與RS-485標準只對接口的電氣特性做出規(guī)定，而不涉及接插件、電纜或協(xié)議，在此基礎(chǔ)上用戶可以建立自己的高層通信協(xié)議。因此在視頻界的應(yīng)用，許多廠家都建立了一套高層通信協(xié)議，或公開或廠家獨家使用。如錄像機廠家中的Sony與松下對錄像機的RS-422控制協(xié)議是有差異的，視頻服務(wù)器上的控制協(xié)議則更多了，如Louth、Odetis協(xié)議是公開的，而ProLINK則是基于Profile上的。
二、RS-232串行接口標準
目前RS-232是PC機與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口。RS-232被定義為一種在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端標準。RS-232采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊收、發(fā)端的數(shù)據(jù)信號是相對于信號地，如從DTE設(shè)備發(fā)出的數(shù)據(jù)在使用DB25連接器時是2腳相對7腳（信號地）的電平，DB25各引腳定義參見圖1。典型的RS-232信號在正負電平之間擺動，在發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送端驅(qū)動器輸出正電平在+5～+15V，負電平在-5～-15V電平。當無數(shù)據(jù)傳輸時，線上為TTL，從開始傳送數(shù)據(jù)到結(jié)束，線上電平從TTL電平到RS-232電平再返回TTL電平。接收器典型的工作電平在+3～+12V與-3～-12V。由于發(fā)送電平與接收電平的差僅為2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上雙絞線上的分布電容，其傳送距離最大為約15米，最高速率為20kb/s。RS-232是為點對點（即只用一對收、發(fā)設(shè)備）通訊而設(shè)計的，其驅(qū)動器負載為3～7kΩ。所以RS-232適合本地設(shè)備之間的通信。其有關(guān)電氣參數(shù)參見表1。
規(guī)定 RS232 RS422 R485
工作方式 單端 差分 差分
節(jié)點數(shù) 1收、1發(fā) 1發(fā)10收 1發(fā)32收
最大傳輸電纜長度 50英尺 400英尺 400英尺
最大傳輸速率 20Kb/S 10Mb/s 10Mb/s
最大驅(qū)動輸出電壓 +/-25V -0.25V～+6V -7V～+12V
驅(qū)動器輸出信號電平(負載最小值) 負載 +/-5V～+/-15V +/-2.0V +/-1.5V
驅(qū)動器輸出信號電平(空載最大值) 空載 +/-25V +/-6V +/-6V
驅(qū)動器負載阻抗(Ω) 3K～7K 100 54
擺率(最大值) 30V/μs N/A N/A
接收器輸入電壓范圍 +/-15V -10V～+10V -7V～+12V
接收器輸入門限 +/-3V +/-200mV +/-200mV
接收器輸入電阻(Ω) 3K～7K 4K(最小) ≥12K
驅(qū)動器共模電壓 -3V～+3V -1V～+3V
接收器共模電壓 -7V～+7V -7V～+12V
表1
三、RS-422與RS-485串行接口標準
1．平衡傳輸
RS-422、RS-485與RS-232不一樣，數(shù)據(jù)信號采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸，它使用一對雙絞線，將其中一線定義為A，另一線定義為B，如圖2。
圖2
通常情況下，發(fā)送驅(qū)動器A、B之間的正電平在+2～+6V，是一個邏輯狀態(tài)，負電平在-2～6V，是另一個邏輯狀態(tài)。另有一個信號地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)動器與傳輸線的切斷與連接。當“使能”端起作用時，發(fā)送驅(qū)動器處于高阻狀態(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)送端相對的規(guī)定，收、發(fā)端通過平衡雙絞線將AA與BB對應(yīng)相連，當在收端AB之間有大于+200mV的電平時，輸出正邏輯電平，小于-200mV時，輸出負邏輯電平。接收器接收平衡線上的電平范圍通常在200mV至6V之間。參見圖3。
圖3
2．RS-422電氣規(guī)定
RS-422標準全稱是“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。圖5是典型的RS-422四線接口。實際上還有一根信號地線，共5根線。圖4是其DB9連接器引腳定義。由于接收器采用高輸入阻抗和發(fā)送驅(qū)動器比RS232更強的驅(qū)動能力，故允許在相同傳輸線上連接多個接收節(jié)點，最多可接10個節(jié)點。即一個主設(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支持點對多的雙向通信。接收器輸入阻抗為4k，故發(fā)端最大負載能力是10×4k+100Ω（終接電阻）。RS-422四線接口由于采用單獨的發(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交換均可以按軟件方式（XON/XOFF握手）或硬件方式（一對單獨的雙絞線）。
圖4 圖5
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。其平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能達到最大傳輸距離。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端。
RS-422有關(guān)電氣參數(shù)見表1
3．RS-485電氣規(guī)定
由于RS-485是從RS-422基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，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，二線制可實現(xiàn)真正的多點雙向通信，參見圖6。
而采用四線連接時，與RS-422一樣只能實現(xiàn)點對多的通信，即只能有一個主（Master）設(shè)備，其余為從設(shè)備，但它比RS-422有改進， 無論四線還是二線連接方式總線上可多接到32個設(shè)備。參見圖7。
圖6 圖7
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劍鳵S-422是4k健；舊峽梢運礡S-485滿足所有RS-422的規(guī)范，所以RS-485的驅(qū)動器可以用在RS-422網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。
RS-485有關(guān)電氣規(guī)定參見表1。
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)定最長的電纜長度。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長雙絞線最大傳輸速率僅為1Mb/s。
RS-485需要2個終接電阻，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。
四、RS-422與RS-485的網(wǎng)絡(luò)安裝注意要點
RS-422可支持10個節(jié)點，RS-485支持32個節(jié)點，因此多節(jié)點構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)拓撲一般采用終端匹配的總線型結(jié)構(gòu)，不支持環(huán)形或星形網(wǎng)絡(luò)。在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)時，應(yīng)注意如下幾點：
1．采用一條雙絞線電纜作總線，將各個節(jié)點串接起來，從總線到每個節(jié)點的引出線長度應(yīng)盡量短，以便使引出線中的反射信號對總線信號的影響最低。圖8所示為實際應(yīng)用中常見的一些錯誤連接方式（a，c，e）和正確的連接方式（b，d，f）。a，c，e這三種網(wǎng)絡(luò)連接盡管不正確，在短距離、低速率仍可能正常工作，但隨著通信距離的延長或通信速率的提高，其不良影響會越來越嚴重，主要原因是信號在各支路末端反射后與原信號疊加，會造成信號質(zhì)量下降。
2．應(yīng)注意總線特性阻抗的連續(xù)性，在阻抗不連續(xù)點就會發(fā)生信號的反射。下列幾種情況易產(chǎn)生這種不連續(xù)性：總線的不同區(qū)段采用了不同電纜，或某一段總線上有過多收發(fā)器緊靠在一起安裝，再者是過長的分支線引出到總線。
總之，應(yīng)該提供一條單一、連續(xù)的信號通道作為總線。
圖8
五、RS-422與RS-485傳輸線上匹配的一些說明
對RS-422與RS-485總線網(wǎng)絡(luò)一般要使用終接電阻進行匹配。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，在每個接收數(shù)據(jù)信號的中點進行采樣時，只要反射信號在開始采樣時衰減到足夠低就可以不考慮匹配。但這在實際上難以掌握，美國MAXIM公司有篇文章提到一條經(jīng)驗性的原則可以用來判斷在什么樣的數(shù)據(jù)速率和電纜長度時需要進行匹配：當信號的轉(zhuǎn)換時間（上升或下降時間）超過電信號沿總線單向傳輸所需時間的3倍以上時就可以不加匹配。例如具有限斜率特性的RS-485接口MAX483輸出信號的上升或下降時間最小為250ns，典型雙絞線上的信號傳輸速率約為0.2m/ns（24AWG PVC電纜），那么只要數(shù)據(jù)速率在250kb/s以內(nèi)、電纜長度不超過16米，采用MAX483作為RS-485接口時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在總線電纜的遠端并接電阻，RS-485則應(yīng)在總線電纜的開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。相當于電纜特性阻抗的電阻，因為大多數(shù)雙絞線電纜特性阻抗大約在100～120Ω。這種匹配方法簡單有效，但有一個缺點，匹配電阻要消耗較大功率，對于功耗限制比較嚴格的系統(tǒng)不太適合。
另外一種比較省電的匹配方式是RC匹配，如圖9。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的取值是個難點，需要在功耗和匹配質(zhì)量間進行折衷。
還有一種采用二極管的匹配方法，如圖10。這種方案雖未實現(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，達到改善信號質(zhì)量的目的。節(jié)能效果顯著。
圖9 圖10
六、RS-422與RS-485的接地問題
電子系統(tǒng)接地是很重要的，但常常被忽視。接地處理不當往往會導(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，因為接地系統(tǒng)不合理會影響整個網(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的情況下，對于接地的要求更為嚴格。否則接口損壞率較高。很多情況下，連接RS-422、RS-485通信鏈路時只是簡單地用一對雙絞線將各個接口的“A”、“B”端連接起來。而忽略了信號地的連接，這種連接方法在許多場合是能正常工作的，但卻埋下了很大的隱患，這有下面二個原因：
1．共模干擾問題：正如前文已述，RS-422與RS-485接口均采用差分方式傳輸信號方式，并不需要相對于某個參照點來檢測信號，系統(tǒng)只需檢測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，整個網(wǎng)絡(luò)才能正常工作。當網(wǎng)絡(luò)線路中共模電壓超出此范圍時就會影響通信的穩(wěn)定可靠，甚至損壞接口。以圖11為例，當發(fā)送驅(qū)動器A向接收器B發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送驅(qū)動器A的輸出共模電壓為VOS，由于兩個系統(tǒng)具有各自獨立的接地系統(tǒng)，存在著地電位差VGPD。那么，接收器輸入端的共模電壓VCM就會達到VCM=VOS+VGPD。RS-422與RS-485標準均規(guī)定VOS≤3V，但VGPD可能會有很大幅度（十幾伏甚至數(shù)十伏），并可能伴有強干擾信號，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。
圖11
2．（EMI）問題：發(fā)送驅(qū)動器輸出信號中的共模部分需要一個返回通路，如沒有一個低阻的返回通道（信號地），就會以輻射的形式返回源端，整個總線就會像一個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，但對整個RS-422或RS-485網(wǎng)絡(luò)，必須有一條低阻的信號地。一條低阻的信號地將兩個接口的工作地連接起來，使共模干擾電壓VGPD被短路。這條信號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，這種做法僅對高阻型共模干擾有效，由于干擾源內(nèi)阻大，短接后不會形成很大的接地環(huán)路電流，對于通信不會有很大影響。當共模干擾源內(nèi)阻較低時，會在接地線上形成較大的環(huán)路電流，影響正常通信。筆者認為，可以采取以下三種措施：
（1） 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使共模電壓升高，但只要控制在適當?shù)姆秶鷥?nèi)就不會影響正常通信。
（2） 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，當共模干擾內(nèi)阻很小時上述方法已不能奏效，此時可以考慮將引入干擾的節(jié)點（例如處于惡劣的工作環(huán)境的現(xiàn)場設(shè)備）浮置起來（也就是系統(tǒng)的電路地與機殼或大地隔離），這樣就隔斷了接地環(huán)路，不會形成很大的環(huán)路電流。
（3） 采用隔離接口。有些情況下，出于安全或其它方面的考慮，電路地必須與機殼或大地相連，不能懸浮，這時可以采用隔離接口來隔斷接地回路，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。參見圖12。
圖12
七、RS-422與RS-485的網(wǎng)絡(luò)失效保護
RS-422與RS-485標準都規(guī)定了接收器門限為±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，當接收器A電平比B電平高+200mV以上時，輸出為正邏輯，反之，則輸出為負邏輯。但由于第三態(tài)的存在，即在主機在發(fā)端發(fā)完一個信息數(shù)據(jù)后，將總線置于第三態(tài)，即總線空閑時沒有任何信號驅(qū)動總線，使AB之間的電壓在-200～+200mV直至趨于0V，這帶來了一個問題：接收器輸出狀態(tài)不確定。如果接收機的輸出為0V，網(wǎng)絡(luò)中從機將把其解釋為一個新的啟動位，并試圖讀取后續(xù)字節(jié)，由于永遠不會有停止位，產(chǎn)生一個幀錯誤結(jié)果，不再有設(shè)備請求總線，網(wǎng)絡(luò)陷于癱瘓狀態(tài)。除上述所述的總線空閑會造成兩線電壓差低于200mV的情況外，開路或短路時也會出現(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)。
圖13
通常是在總線上加偏置，當總線空閑或開路時，利用偏置電阻將總線偏置在一個確定的狀態(tài)（差分電壓≥-200mV）。如圖13。將A上拉到地，B下拉到5V，電阻的典型值是1kΩ，具體數(shù)值隨電纜的電容變化而變化。
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的問題，有些廠家將接收門限移到-200mV/-50mV，可解決這個問題。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問題。
八、RS-422與RS-485的瞬態(tài)保護
前文提到的信號接地措施，只對低頻率的共模干擾有保護作用，對于頻率很高的瞬態(tài)干擾就無能為力了。由于傳輸線對高頻信號而言就是相當于電感，因此對于高頻瞬態(tài)干擾，接地線實際等同于開路。這樣的瞬態(tài)干擾雖然持續(xù)時間短暫，但可能會有成百上千伏的電壓。
實際應(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載如電機、變壓器、繼電器等或閃電過程中都會產(chǎn)生幅度很高的瞬態(tài)干擾，如果不加以適當防護就會損壞RS-422或RS-485通信接口。對于這種瞬態(tài)干擾可以采用隔離或旁路的方法加以防護。
1．隔離保護方法。這種方案實際上將瞬態(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，不會產(chǎn)生損害性的浪涌電流，起到保護接口的作用。通常采用高頻變壓器、光耦等元件實現(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，使用起來非常簡便，如Maxim公司的MAX1480/MAX1490，隔離電壓可達2500V。這種方案的優(yōu)點是可以承受高電壓、持續(xù)時間較長的瞬態(tài)干擾，實現(xiàn)起來也比較容易，缺點是成本較高。
2．旁路保護方法。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)點是成本較低，缺點是保護能力有限，只能保護一定能量以內(nèi)的瞬態(tài)干擾，持續(xù)時間不能很長，而且需要有一條良好的連接大地的通道，實現(xiàn)起來比較困難。實際應(yīng)用中是將上述兩種方案結(jié)合起來靈活加以運用，如圖14。在這種方法中，隔離接口對大幅度瞬態(tài)干擾進行隔離，旁路元件則保護隔離接口不被過高的瞬態(tài)電壓擊穿。
