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串行通信接口
标准
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经过使用和发展,目前已经有几种。RS-232、RS-422与 RS-485都是串行数据
接口标准,最初都是由电子工业协会(EIA)制订并发布的,RS-232在 1962年发布,命名为
EIA-232-E,作为工业标准,以保证不同厂家产品之间的兼容。RS-422由 RS-232发展而来,它
是为弥补 RS-232之不足而提出的。为改进 RS-232通信距离短、速率低的缺点,RS-422定义了
一种平衡通信接口,将传输速率提高到 10Mb/s,传输距离延长到 4000英尺(速率低于 100kb/s
时),并允许在一条平衡总线上连接最多 10个接收器。RS-422是一种单机发送、多机接收的单
向、平衡传输规范,被命名为 TIA/EIA-422-A标准。为扩展应用范围,EIA又于 1983年在 RS-422
基础上制定了 RS-485标准,增加了多点、双向通信能力,即允许多个发送器连接到同一条总线
上,同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性,扩展了总线共模范围,后命名为
TIA/EIA-485-A标准。由于 EIA提出的建议标准都是以“RS”作为前缀,所以在通讯工业领域,
仍然习惯将上述标准以 RS作前缀称谓。
RS-232、RS-422与 RS-485标准只对接口的电气特性做出规定,而不涉及接插件、电缆或协
议,在此基础上用户可以建立自己的高层通信
协议
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。因此在视频界的应用,许多厂家都建立了一
套高层通信协议,或公开或厂家独家使用。如录像机厂家中的 Sony与松下对录像机的 RS-422
控制协议是有差异的,视频服务器上的控制协议则更多了,如 Louth、Odetis协议是公开的,而
ProLINK则是基于 Profile上的。
在讨论 RS-232C接口标准的内容之前,先说明两点:
首先,RS-232-C标准最初是远程通信连接数据终端设备 DTE(Data Terminal Equipment)与数
据通信设备 DCE(Data Communication Equipment)而制定的。因此这个标准的制定,并未考虑
计算机系统的应用要求。但目前它又广泛地被借来用于计算机(更准确的说,是计算机接口)与
终端或外设之间的近端连接标准。显然,这个标准的有些规定及和计算机系统是不一致的,甚至
是相矛盾的。有了对这种背景的了解,我们对RS-232C标准与计算机不兼容的地方就不难理解了。
其次,RS-232C标准中所提到的“发送”和“接收”,都是站在 DTE立场上,而不是站在 DCE
的立场来定义的。由于在计算机系统中,往往是 CPU和 I/O设备之间传送信息,两者都是 DTE,
因此双方都能发送和接收。
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一、RS-232-C
RS-232C标准(协议)的全称是 EIA-RS-232C标准,其中EIA(Electronic Industry Association)
代表美国电子工业协会,RS(ecommeded standard)代表推荐标准,232是标识号,C代表 RS232
的最新一次修改(1969),在这之前,有 RS232B、RS232A。。它规定连接电缆和机械、电气特
性、信号功能及传送过程。常用物理标准还有有 EIARS-232-C、EIARS-422-A、
EIARS-423A、EIARS-485。 这里只介绍 EIARS-232-C(简称 232,RS232)。 例如,
目前在 IBM PC机上的 COM1、COM2接口,就是 RS-232C接口。
1.电气特性
EIA-RS-232C对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。
在 TxD和 RxD上:逻辑 1(MARK)=-3V~-15V
逻辑 0(SPACE)=+3~+15V
在 RTS、CTS、DSR、DTR和 DCD等控制线上:
信号有效(接通,ON状态,正电压)=+3V~+15V
信号无效(断开,OFF状态,负电压)=-3V~-15V
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图 1
以上规定说明了 RS-323C标准对逻辑电平的定义。对于数据(信息码):逻辑“1”(传号)
的电平低于-3V,逻辑“0”(空号)的电平告语+3V;对于控制信号;接通状态(ON)即信号有
效的电平高于+3V,断开状态(OFF)即信号无效的电平低于-3V,也就是当传输电平的绝对值大于
3V时,电路可以有效地检查出来,介于-3~+3V之间的电压无意义,低于-15V或高于+15V的电
压也认为无意义,因此,实际工作时,应保证电平在±(3~15)V之间。
EIA-RS-232C与 TTL转换:EIA-RS-232C是用正负电压来表示逻辑状态,与 TTL以高低电平表
示逻辑状态的规定不同。因此,为了能够同计算机接口或终端的 TTL器件连接,必须在
EIA-RS-232C与 TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。实现这种变换的方法可用分立元件,
也可用集成电路芯片。目前较为广泛地使用集成电路转换器件,如 MC1488、SN75150芯片可完成
TTL电平到 EIA电平的转换,而 MC1489、SN75154可实现 EIA电平到 TTL电平的转换。MAX232
芯片可完成 TTL←→EIA双向电平转换,图 1显示了 1488和 1489的内部结构和引脚。MC1488的
引脚(2)、(4,5)、(9,10)和(12,13)接 TTL输入。引脚 3、6、8、11输出端接 EIA-RS-232C。MC1498
的 14的 1、4、10、13脚接 EIA输入,而 3、6、8、11脚接 TTL输出。具体连接方法如图 2所示。
图中的左边是微机串行接口电路中的主芯片 UART,它是 TTL器件,右边是 EIA-RS-232C连接器,
要求 EIA高电压。因此,RS-232C所有的输出、输入信号都要分别经过 MC1488和 MC1498转换器,
进行电平转换后才能送到连接器上去或从连接器上送进来。
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图 2
2、连接器的机械特性:
连接器:由于 RS-232C并未定义连接器的物理特性,因此,出现了 DB-25、DB-15和 DB-9各
种类型的连接器,其引脚的定义也各不相同。下面分别介绍两种连接器。
(1)DB-25: PC和 XT机采用 DB-25型连接器。DB-25连接器定义了 25根信号线,分为 4
组:
①异步通信的 9个电压信号(含信号地 SG)2,3,4,5,6,7,8,20,22
②20mA电流环信号 9个(12,13,14,15,16,17,19,23,24)
③空 6个(9,10,11,18,21,25)
④保护地(PE)1个,作为设备接地端(1脚)
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DB-25型连接器的外形及信号线分配如图 3所示。注意,20mA电流环信号仅 IBM PC和 IBM
PC/XT机提供,至 AT机及以后,已不支持。
此主题相关图片如下:
图 3
(2)DB-9连接器
在 AT机及以后,不支持 20mA电流环接口,使用 DB-9连接器,作为提供多功能 I/O卡或主
板上 COM1和 COM2两个串行接口的连接器。它只提供异步通信的 9个信号。DB-25型连接器的引
脚分配与 DB-25型引脚信号完全不同。因此,若与配接 DB-25型连接器的 DCE设备连接,必须使
用专门的电缆线。
电缆长度:在通信速率低于 20kb/s时,RS-232C所直接连接的最大物理距离为 15m(50英
尺)。
最大直接传输距离说明:RS-232C标准规定,若不使用 MODEM,在码元畸变小于 4%的情况下,
DTE和 DCE之间最大传输距离为 15m(50英尺)。可见这个最大的距离是在码元畸变小于 4%的前
提下给出的。为了保证码元畸变小于 4%的要求,接口标准在电气特性中规定,驱动器的负载电
容应小于 2500pF。
3、RS-232C的接口信号
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RS-232C规标准接口有 25条线,4条数据线、11条控制线、3条定时线、7条备用和未定义
线,常用的只有 9根,它们是:
(1)联络控制信号线:
数据装置准备好(Data set ready-DSR)——有效时(ON)状态,表明 MODEM处于可以使用
的状态。
数据终端准备好(Data set ready-DTR)——有效时(ON)状态,表明数据终端可以使用。
这两个信号有时连到电源上,一上电就立即有效。这两个设备状态信号有效,只表示设备本
身可用,并不说明通信链路可以开始进行通信了,能否开始进行通信要由下面的控制信号决定。
请求发送(Request to send-RTS)——用来表示 DTE请求 DCE发送数据,即当终端要发送数
据时,使该信号有效(ON状态),向 MODEM请求发送。它用来控制 MODEM是否要进入发送状态。
允许发送(Clear to send-CTS)——用来表示 DCE准备好接收 DTE发来的数据,是对请求
发送信号 RTS的响应信号。当 MODEM已准备好接收终端传来的数据,并向前发送时,使该信号有
效,通知终端开始沿发送数据线 TxD发送数据。
这对 RTS/CTS请求应答联络信号是用于半双工 MODEM系统中发送方式和接收方式之间的切
换。在全双工系统中作发送方式和接收方式之间的切换。在全双工系统中,因配置双向通道,故
不需要 RTS/CTS联络信号,使其变高。
接收线信号检出(Received Line detection-RLSD)——用来表示 DCE已接通通信链路,告知
DTE准备接收数据。当本地的 MODEM收到由通信链路另一端(远地)的 MODEM送来的载波信号时,
使 RLSD信号有效,通知终端准备接收,并且由 MODEM将接收下来的载波信号解调成数字两数据
后,沿接收数据线 RxD送到终端。此线也叫做数据载波检出(Data Carrier dectection-DCD)线。
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振铃指示(Ringing-RI)——当 MODEM收到交换台送来的振铃呼叫信号时,使该信号有效(O
N状态),通知终端,已被呼叫。
(2)数据发送与接收线:
发送数据(Transmitted data-TxD)——通过 TxD终端将串行数据发送到 MODEM,(DTE→DCE)。
接收数据(Received data-RxD)——通过 RxD线终端接收从 MODEM发来的串行数据,(DCE→D
TE)。
(3)地线
有两根线 SG、PG——信号地和保护地信号线,无方向。
上述控制信号线何时有效,何时无效的顺序表示了接口信号的传送过程。例如,只有当 DSR
和 DTR都处于有效(ON)状态时,才能在 DTE和 DCE之间进行传送操作。若 DTE要发送数据,则
预先将 DTR线置成有效(ON)状态,等 CTS线上收到有效(ON)状态的回答后,才能在 TxD线上发送
串行数据。这种顺序的规定对半双工的通信线路特别有用,因为半双工的通信才能确定 DCE已由
接收方向改为发送方向,这时线路才能开始发送。
2个数据信号:发送 TXD;接收 RXD。
1个信号地线:SG。
6个控制信号:
DSR数传机(即 modem)准备好,Data Set Ready.
DTR数据终端(DTE,即微机接口电路,如 Intel8250/8251,16550)准备好,Data
Terminal Ready。
RTSDTE请求 DCE发送(Request To Send)。
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CTSDCE允许 DTE发送(Clear To Send),该信号是对 RTS信号的回答。
DCD数据载波检出,Data Carrier Detection当本地 DCE设备(Modem)收到对方
的 DCE设备送来的载波信号时,使 DCD有效,通知 DTE准备接收, 并且由 DCE将接收到的载波
信号解调为数字信号,经 RXD线送给 DTE。
RI振铃信号 Ringing当 DCE收到交换机送来的振铃呼叫信号时,使该信号有效,
通知 DTE已被呼叫。
用途
232引脚CCITTModem 名称 说明 异
步
同
步
1 101 AA 保护地 设备外壳接地 PE
PE
√
2 103 BA 发送数据 数据送 Modem TXD
3 104 BB 接收数据 从 Modem接收数据 RXD
4 105 CA 请求发送 在半双工时控制发送器的开和关 RTS
5 106 CB 允许发送 Modem允许发送 CTS
6 107 CC 数据终端准备好 Modem准备好 DSR
7 102 AB 信号地 信号公共地 SG
SG
√
8 109 CF 载波信号检测
Modem正在接收另一端送来的信
号
DCD
9 空
10 空
11 空
12 接收信号检测(2)在第二通道检测到信号 √
13 允许发送(2) 第二通道允许发送 √
14 118 发送数据(2) 第二通道发送数据 √
15 113 DA 发送器定时 为 Modem提供发送器定时信号 √
16 119 接收数据(2) 第二通道接收数据 √
17 115 DD 接收器定时 为接口和终端提供定时 √
18 空
19 请求发送(2) 连接第二通道的发送器 √
20 108 CD 数据终端准备好 数据终端准备好 DTR
21 空
22 125 振铃 振铃指示 RI
23 111 CH 数据率选择 选择两个同步数据率 √
24 114 DB 发送器定时 为接口和终端提供定时 √
25 空
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3.远距离通信
第 1和第 2中情况是属于远距离通信(传输距离大于 15m的通信)的例子,故一般要加调制
解调器 MODEM,因此使用的信号线较多。注意:在以下各图中,DTE信号为 RS-232-C信号,DTE
与计算机间的电平转换电路未画出。
1、采用 Modem(DCE)和电话网通信时的信号连接:
若在双方 MODEM之间采用普通电话交换线进行通信,除了需要 2~8号信号线外还要增加 RI
(22号)和 DTR(20号)两个信号线进行联络,如图 1所示。
此主题相关图片如下:
图 1
DSR、DTR:数传机(DCE)准备好、数据终端(DTE)准备好,只表示设备本身可用。
首先,通过电话机拔号呼叫对方,电话交换台向对方发出拔号呼叫信号,当对方 DCE收到该
信号后,使 RI(振铃信号)有效,通知 DTE,已被呼叫。当对方“摘机”后,两方建立了通信链
路。
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若计算机要发送数据至对方,首先通过接口电路(DTE)发出 RTS(请求发送)信号。此时,
若 DCE(Modem)允许传送,则向 DTE回答 CTS(允许发送)信号。一般可直接将 RTS/CTS接高电
平,即只要通信链路已建立,就可传送信号。(RTS/CTS可只用于半双工系统中作发送方式和接
收方式的切换。
当 DTE获得 CTS信号后,通过 TXD线向 DCE发出串行信号,DCE(Modem)将这些数字信号调
制成模拟信号(又称载波信号),传向对方。
计算机向 DTE“数据输出寄存器”传送新的数据前,应检查 Modem状态和数据输出寄存器为
空。当对方的 DCE收到载波信号后,向对方的 DTE发出 DCD信号(数据载波检出),通知其 DTE
准备接收,同时,将载波信号解调为数据信号,从 RXD线上送给 DTE,DTE通过串行接收移位寄
存器对接收到的位流进行移位,当收到 1个字符的全部位流后,把该字符的数据位送到数据输入
寄存器,CPU可以从数据输入寄存器读取字符。
2、采用专用电话线通信:在通信双方的 MODEM之间采用电话线进行通信,则只要使用 2~8
号信号线进行联络与控制。不需要电话机、振铃信号 RI和 DTR信号,其信号线的连接如图 2那
样。
此主题相关图片如下:
图 2
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4.近距离通信:
当通信距离较近时,可不需要 Modem,通信双方可以直接连接,这种情况下,只需使用少数
几根信号线。最简单的情况,在通信中根本不需要 RS-232C的控制联络信号,只需三根线(发送
线、接收线、信号地线)便可实现全双工异步串行通信,即是这里要讨论的第一种情况。
无 Modem时,最大通信距离按如下方式计算:
RS-232C标准规定:当误码率小于 4%时,要求导线的电容值应小于 2500PF。对于普通导线,
其电容值约为 170PF/M。则允许距离 L=2500PF/(170PF/M)=15M
这一距离的计算,是偏于保守的,实际应用中,当使用 9600bps,普通双绞屏蔽线时,距离
可达 30~35米。
1、零 Modem 的最简连线(3线制)
图 3是零 MODEM方式的最简单连接(即三线连接),图中的 2号线与 3号线交叉连接是因为
在直连方式时,把通信双方都当作数据终端设备看待,双方都可发也可收。在这种方式下,通信
双方的任何一方,只要请求发送 RTS有效和数据终端准备好 DTR有效就能开始发送和接收。
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图 3
(1)RTS与 CTS互联:只要请求发送,立即得到允许
(2)DTR与 DSR互联:只要本端准备好,认为本端立即可以接收(DSR、数传机准备好)。
2、零 Modem标准连接:
如果想在直接连接时,而又考虑到 RS-232C的联络控制信号,则采用零 MODEM方式的标准连
接方法,其通信双方信号线安排如下 1-2-3-4-5顺序所演示的那样。
无 Modem的标准联线(7线制)如图所示:
从中可以看出,RS-232C接口标准定义的所有信号线都用到了,并且是按照 DTE和 DCE之间
信息交换协议的要求进行连接的,只不过是把 DTE自己发出的信号线送过来,当作对方 DCE发来
的信号,因此,又把这种连接称为双叉环回接口。
双方的握手信号关系如下(注:甲方乙方并未在图中标出):
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(1)当甲方的 DTE准备
好,发出 DTR信号,该信
号直接联至乙方的 RI(振
铃信号)和 DSR(数传机
准备好)。即只要甲方准
备好,乙方立即产生呼叫
(RI)有效,并同时准备
好(DSR)。尽管此时乙
方并不存在 DCE(数传
机)。
(2)甲方的 RTS和 CTS
相连,并与乙方的 DCD互
连。即:一旦甲方请求发
送(RTS),便立即得到
允许(CTS),同时,使
乙方的 DCD有效,即检测
到载波信号。
(3)甲方的 TXD与乙方
的 RXD相连,一发一收。
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1
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2
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3
二.RS-422与 RS-485串行接口标准
1.平衡传输
RS-422、RS-485与 RS-232不一样,数据信号采用差分传输方式,也称作平衡传输,它使用
一对双绞线,将其中一线定义为 A,另一线定义为 B,如图 2。
图 2
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通常情况下,发送驱动器 A、B之间的正电平在+2~+6V,是一个逻辑状态,负电平在-2~6V,
是另一个逻辑状态。另有一个信号地 C,在 RS-485中还有一“使能”端,而在 RS-422中这是可
用可不用的。“使能”端是用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。当“使能”端起作用时,
发送驱动器处于高阻状态,称作“第三态”,即它是有别于逻辑“1”与“0”的第三态。
接收器也作与发送端相对的规定,收、发端通过平衡双绞线将 AA与 BB对应相连,当在收端
AB之间有大于+200mV的电平时,输出正逻辑电平,小于-200mV时,输出负逻辑电平。接收器接
收平衡线上的电平范围通常在 200mV至 6V之间。参见图 3。
2.RS-422电气规定
RS-422标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”,它定义了接口电路的特性。图 5
是典型的 RS-422四线接口。实际上还有一根信号地线,共 5根线。图 4是其 DB9连接器引脚定
义。由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器比 RS232更强的驱动能力,故允许在相同传输线上
连接多个接收节点,最多可接 10个节点。即一个主设备(Master),其余为从设备(Salve),
从设备之间不能通信,所以 RS-422支持点对多的双向通信。接收器输入阻抗为 4k,故发端最大
负载能力是 10×4k+100Ω(终接电阻)。RS-422四线接口由于采用单独的发送和接收通道,因
此不必控制数据方向,各装置之间任何必须的信号交换均可以按软件方式(XON/XOFF握手)或
硬件方式(一对单独的双绞线)实现。
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图 4图 5
RS-422的最大传输距离为 4000英尺(约 1219米),最大传输速率为 10Mb/s。其平衡双绞
线的长度与传输速率成反比,在 100kb/s速率以下,才可能达到最大传输距离。只有在很短的距
离下才能获得最高速率传输。一般 100米长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为 1Mb/s。
RS-422需要一终接电阻,要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。在短距离传输时可不需
终接电阻,即一般在 300米以下不需终接电阻。终接电阻接在传输电缆的最远端。
RS-422有关电气参数见表 1
3.RS-485电气规定
由于 RS-485是从 RS-422基础上发展而来的,所以 RS-485许多电气规定与 RS-422相仿。
如都采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终接电阻等。RS-485可以采用二线与四线方式,
二线制可实现真正的多点双向通信,参见图 6。
而采用四线连接时,与 RS-422一样只能实现点对多的通信,即只能有一个主(Master)设备,
其余为从设备,但它比 RS-422有改进, 无论四线还是二线连接方式总线上可多接到 32个设备。
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参见图 7。
图 6图 7
RS-485与 RS-422的不同还在于其共模输出电压是不同的,RS-485是-7V至+12V之间,而
RS-422在-7V至+7V之间,RS-485接收器最小输入阻抗为 12k,RS-422是 4k;RS-485满足所有
RS-422的规范,所以 RS-485的驱动器可以用在 RS-422网络中应用。
RS-485有关电气规定参见表 1。
RS-485与 RS-422一样,其最大传输距离约为 1219米,最大传输速率为 10Mb/s。平衡双绞
线的长度与传输速率成反比,在 100kb/s速率以下,才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很
短的距离下才能获得最高速率传输。一般 100米长双绞线最大传输速率仅为 1Mb/s。
RS-485需要 2个终接电阻,其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗。在短距离传输时可不需终
接电阻,即一般在 300米以下不需终接电阻。终接电阻接在传输总线的两端。
三.RS-422与 RS-485的网络安装注意要点
RS-422可支持 10个节点,RS-485支持 32个节点,因此多节点构成网络。网络拓扑一般采
用终端匹配的总线型结构,不支持环形或星形网络。在构建网络时,应注意如下几点:
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1.采用一条双绞线电缆作总线,将各个节点串接起来,从总线到每个节点的引出线长度应
尽量短,以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。图 8所示为实际应用中常见的一些
错误连接方式(a,c,e)和正确的连接方式(b,d,f)。a,c,e这三种网络连接尽管不正确,
在短距离、低速率仍可能正常工作,但随着通信距离的延长或通信速率的提高,其不良影响会越
来越严重,主要原因是信号在各支路末端反射后与原信号叠加,会造成信号质量下降。
2.应注意总线特性阻抗的连续性,在阻抗不连续点就会发生信号的反射。下列几种情况易
产生这种不连续性:总线的不同区段采用了不同电缆,或某一段总线上有过多收发器紧靠在一起
安装,再者是过长的分支线引出到总线。
总之,应该提供一条单一、连续的信号通道作为总线。
图 8
四、RS-422与 RS-485传输线上匹配的一些说明
对 RS-422与 RS-485总线网络一般要使用终接电阻进行匹配。但在短距离与低速率下可以不
用考虑终端匹配。那么在什么情况下不用考虑匹配呢?理论上,在每个接收数据信号的中点进行
采样时,只要反射信号在开始采样时衰减到足够低就可以不考虑匹配。但这在实际上难以掌握,
美国 MAXIM公司有篇文章提到一条经验性的原则可以用来判断在什么样的数据速率和电缆长度
时需要进行匹配:当信号的转换时间(上升或下降时间)超过电信号沿总线单向传输所需时间的
3倍以上时就可以不加匹配。例如具有限斜率特性的 RS-485接口 MAX483输出信号的上升或下降
时间最小为 250ns,典型双绞线上的信号传输速率约为 0.2m/ns(24AWG PVC电缆),那么只要
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数据速率在 250kb/s以内、电缆长度不超过 16米,采用 MAX483作为 RS-485接口时就可以不加
终端匹配。
一般终端匹配采用终接电阻方法,前文已有提及,RS-422在总线电缆的远端并接电阻,RS-485
则应在总线电缆的开始和末端都需并接终接电阻。终接电阻一般在 RS-422网络中取 100Ω,在
RS-485网络中取 120Ω。相当于电缆特性阻抗的电阻,因为大多数双绞线电缆特性阻抗大约在
100~120Ω。这种匹配方法简单有效,但有一个缺点,匹配电阻要消耗较大功率,对于功耗限制
比较严格的系统不太适合。
另外一种比较省电的匹配方式是 RC匹配,如图 9。利用一只电容 C隔断直流成分可以节省
大部分功率。但电容 C的取值是个难点,需要在功耗和匹配质量间进行折衷。
还有一种采用二极管的匹配方法,如图 10。这种方案虽未实现真正的“匹配”,但它利用
二极管的钳位作用能迅速削弱反射信号,达到改善信号质量的目的。节能效果显著。
图 9 10
五、RS-422与 RS-485的接地问题
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电子系统接地是很重要的,但常常被忽视。接地处理不当往往会导致电子系统不能稳定工作
甚至危及系统安全。RS-422与 RS-485传输网络的接地同样也是很重要的,因为接地系统不合理
会影响整个网络的稳定性,尤其是在工作环境比较恶劣和传输距离较远的情况下,对于接地的要
求更为严格。否则接口损坏率较高。很多情况下,连接 RS-422、RS-485通信链路时只是简单地
用一对双绞线将各个接口的“A”、“B”端连接起来。而忽略了信号地的连接,这种连接方法在
许多场合是能正常工作的,但却埋下了很大的隐患,这有下面二个原因:
1.共模干扰问题:正如前文已述,RS-422与 RS-485接口均采用差分方式传输信号方式,
并不需要相对于某个参照点来检测信号,系统只需检测两线之间的电位差就可以了。但人们往往
忽视了收发器有一定的共模电压范围,如 RS-422共模电压范围为-7~+7V,而 RS-485收发器共
模电压范围为-7~+12V,只有满足上述条件,整个网络才能正常工作。当网络线路中共模电压超
出此范围时就会影响通信的稳定可靠,甚至损坏接口。以图 11为例,当发送驱动器 A向接收器
B发送数据时,发送驱动器 A的输出共模电压为 VOS,由于两个系统具有各自独立的接地系统,
存在着地电位差 VGPD。那么,接收器输入端的共模电压 VCM就会达到 VCM=VOS+VGPD。RS-422与
RS-485标准均规定 VOS≤3V,但 VGPD可能会有很大幅度(十几伏甚至数十伏),并可能伴有强
干扰信号,致使接收器共模输入 VCM超出正常范围,并在传输线路上产生干扰电流,轻则影响正
常通信,重则损坏通信接口电路。
2.(EMI)问题:发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路,如没有一个低阻的
返回通道(信号地),就会以辐射的形式返回源端,整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电
磁波。
由于上述原因,RS-422、RS-485尽管采用差分平衡传输方式,但对整个 RS-422或 RS-485
网络,必须有一条低阻的信号地。一条低阻的信号地将两个接口的工作地连接起来,使共模干扰
电压 VGPD被短路。这条信号地可以是额外的一条线(非屏蔽双绞线),或者是屏蔽双绞线的屏
蔽层。这是最通常的接地方法。
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值得注意的是,这种做法仅对高阻型共模干扰有效,由于干扰源内阻大,短接后不会形成很
大的接地环路电流,对于通信不会有很大影响。当共模干扰源内阻较低时,会在接地线上形成较
大的环路电流,影响正常通信。笔者认为,可以采取以下三种措施:
(1) 如果干扰源内阻不是非常小,可以在接地线上加限流电阻以限制干扰电流。接地电阻
的增加可能会使共模电压升高,但只要控制在适当的范围内就不会影响正常通信。
(2) 采用浮地技术,隔断接地环路。这是较常用也是十分有效的一种方法,当共模干扰内
阻很小时上述方法已不能奏效,此时可以考虑将引入干扰的节点(例如处于恶劣的工作环境的现
场设备)浮置起来(也就是系统的电路地与机壳或大地隔离),这样就隔断了接地环路,不会形
成很大的环路电流。
(3) 采用隔离接口。有些情况下,出于安全或其它方面的考虑,电路地必须与机壳或大地
相连,不能悬浮,这时可以采用隔离接口来隔断接地回路,但是仍然应该有一条地线将隔离侧的
公共端与其它接口的工作地相连。参见图 12。
六、RS-422与 RS-485的网络失效保护
RS-422与 RS-485标准都规定了接收器门限为±200mV。这样规定能够提供比较高的噪声抑
制能力,如前文所述,当接收器 A电平比 B电平高+200mV以上时,输出为正逻辑,反之,则输
出为负逻辑。但由于第三态的存在,即在主机在发端发完一个信息数据后,将总线置于第三态,
即总线空闲时没有任何信号驱动总线,使 AB之间的电压在-200~+200mV直至趋于 0V,这带来了
一个问题:接收器输出状态不确定。如果接收机的输出为 0V,网络中从机将把其解释为一个新
的启动位,并试图读取后续字节,由于永远不会有停止位,产生一个帧错误结果,不再有设备请
求总线,网络陷于瘫痪状态。除上述所述的总线空闲会造成两线电压差低于 200mV的情况外,开
路或短路时也会出现这种情况。故应采取一定的措施避免接收器处于不确定状态。
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通常是在总线上加偏置,当总线空闲或开路时,利用偏置电阻将总线偏置在一个确定的状态
(差分电压≥-200mV)。如图 13。将 A上拉到地,B下拉到 5V,电阻的典型值是 1kΩ,具体数
值随电缆的电容变化而变化。
上述方法是比较经典的方法,但它仍然不能解决总线短路时的问题,有些厂家将接收门限移
到-200mV/-50mV,可解决这个问题。例如 Maxim公司的 MAX3080系列 RS-485接口,不仅省去了
外部偏置电阻,而且解决了总线短路情况下的失效保护问题。
七、RS-422与 RS-485的瞬态保护
前文提到的信号接地措施,只对低频率的共模干扰有保护作用,对于频率很高的瞬态干扰就
无能为力了。由于传输线对高频信号而言就是相当于电感,因此对于高频瞬态干扰,接地线实际
等同于开路。这样的瞬态干扰虽然持续时间短暂,但可能会有成百上千伏的电压。
实际应用环境下还是存在高频瞬态干扰的可能。一般在切换大功率感性负载如电机、变压器、
继电器等或闪电过程中都会产生幅度很高的瞬态干扰,如果不加以适当防护就会损坏 RS-422或
RS-485通信接口。对于这种瞬态干扰可以采用隔离或旁路的方法加以防护。
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1.隔离保护方法。这种方案实际上将瞬态高压转移到隔离接口中的电隔离层上,由于隔离
层的高绝缘电阻,不会产生损害性的浪涌电流,起到保护接口的作用。通常采用高频变压器、光
耦等元件实现接口的电气隔离,已有器件厂商将所有这些元件集成在一片 IC中,使用起来非常
简便,如 Maxim公司的 MAX1480/MAX1490,隔离电压可达 2500V。这种方案的优点是可以承受高
电压、持续时间较长的瞬态干扰,实现起来也比较容易,缺点是成本较高。
2.旁路保护方法。这种方案利用瞬态抑制元件(如 TVS、MOV、气体放电管等)将危害性的
瞬态能量旁路到大地,优点是成本较低,缺点是保护能力有限,只能保护一定能量以内的瞬态干
扰,持续时间不能很长,而且需要有一条良好的连接大地的通道,实现起来比较困难。实际应用
中是将上述两种方案结合起来灵活加以运用,如图 14。在这种方法中,隔离接口对大幅度瞬态
干扰进行隔离,旁路元件则保护隔离接口不被过高的瞬态电压击穿。