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串行数据接口RS-232/RS-422/RS-485
来源: | 作者:成都添闰 | 发布时间: 2022-06-24 | 212 次浏览 | 分享到:

RS-232标准接口(又称EIA RS-232)是常用的串行通信接口标准之一,它是由美国电子工业协会(Electronic Industry Association,EIA)联合贝尔系统公司、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家于1970年共同制定,其全名是“数据终端设备( DTE)和数据通信设备(DCE)之间串行二进制数据交换接口技术标准”。


EIA-422(过去称为RS-422)是一系列的规定采用4线,全双工,差分传输,多点通信的数据传输协议。它采用平衡传输采用单向/非可逆,有使能端或没有使能端的传输线。和RS-485不同的是EIA-422不允许出现多个发送端而只能有多个接受端。硬件构成上EIA-422 (RS-422)相当于两组EIA-485(RS-485),即两个半双工的EIA-485(RS-485)构成一个全双工的EIA-422(RS-422)。


智能仪表随着80年代初单片机技术的成熟而发展起来,世界仪表市场基本被智能仪表所垄断,这归结于企业信息化的需要,而企业在仪表选型时其中的一个必要条件就是要具有联网通信接口。最初是数据模拟信号输出简单过程量,后来仪表接口是RS232接口,这种接口可以实现点对点的通信方式,但这种方式不能实现联网功能,随后出现的RS485解决了这个问题。


RS-232

在串行通讯时,要求通讯双方都采用一个标准接口,使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。RS-232-C接口(又称EIARS-232-C)是目前最常用的一种串行通讯接口。(“RS-232-C”中的“-C”只不过表示RS-232的版本,所以与“RS-232”简称是一样的)。


它是在1970年由美国电子工业协会(EIA)联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。它的全名是“数据终端设备(DTE)和数据通讯设备(DCE)之间串行二进制数据交换接口技术标准”该标准规定采用一个25个脚的DB-25连接器,对连接器的每个引脚的信号内容加以规定,还对各种信号的电平加以规定。后来IBM的PC机将RS232简化成了DB-9连接器,从而成为事实标准。而工业控制的RS-232口一般只使用RXD、TXD、GND三条线。


信号线少

RS-232总线规定了25条线,包含了两个信号通道,即第一通道(称为主通道)和第二通道(称为副通道)。利用RS- 232总线可以实现全双工通信,通常使用的是主通道,而副通道使用较少。在一般应用中,使用3条~9条信号线就可以实现全双工通信,采用三条信号线(接收线、发送线和信号线)能实现简单的全双工通信过程。


灵活的波特率选择

RS-232规定的标准传送速率有50b/s、75b/s、110b/s、150b/s、300b/s、600b/s、1200b/s、2400b/s、4800b/s、9600b/s、19200b/s,可以灵活地适应不同速率的设备。对于慢速外设,可以选择较低的传送速率:反之,可以选择较高的传送速率。 


采用负逻辑传送

规定逻辑“1”的电平为-5V~-15 V,逻辑“0”的电平为+5 V~+15 V。选用该电气标准的目的在于提高抗干扰能力,增大通信距离。RS -232的噪声容限为2V,接收器将能识别高至+3V的信号作为逻辑“0”,将低到-3 V的信号作为逻辑“1”。 


传送距离较远

由于RS -232采用串行传送方式,并且将微机的TTL电平转换为RS-232C电平,其传送距离一般可达30 m。若采用光电隔离20 mA的电流环进行传送,其传送距离可以达到1000 m。另外,如果在RS-232总线接口再加上Modem,通过有线、无线或光纤进行传送,其传输距离可以更远。 


两种物理接口

RS - 232接口的一种连接器是D13 - 25的25芯插头座,通常情况下插头在DCE端,插座在DTE端。


缺点:

(1)接口的信号电平值较高,易损坏接口电路的芯片,又因为与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。 

(2)传输速率较低,在异步传输时,波特率为20Kbps;因此在CPLD开发板中,综合程序波特率只能采用19200,也是这个原因。 

(3)接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式,这种共地传输容易产生共模干扰,所以抗噪声干扰性弱。 

(4)传输距离有限,最大传输距离标准值为50英尺,实际上也只能用在15米左右。

 

RS-422

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)。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-232-C 使用DB-25或DB-9连结器的串行连结标准,电缆最大长度50英尺。

RS-449 定义了RS-422与RS-423子集用DB-37连结的串行接口。

RS-422 定义了平衡式多点接口。

RS-423 非平衡数字接口。

EIA-232,就是众所周知的RS-232,它定义了数据终端设备(DTE)和数据通信设备(DCE)之间的串行连结。这个标准被广泛采用。

EIARS-232标准即CCITT的V.24标准。但CCITT V系列协议比EIA标准稍具优势,部分原因是由于它是欧洲的政府标准指定要使用的协议类型。

EIA标准大部分和CCITT标准等价。例如Group3传真,一个传输率最高为9.6Kbps的传真机标准,是CCITT的T.4建议,也是EIA465标准。


在结构化网络布线领域,EIA最近与电信工业协会(TIA)联合制定了商用建筑电信布线标准(EIA/TIA568和569);这是一个在校园环境中使用数据级双绞线的分层布线系统的标准。这个标准提供的布线结构使得建筑设计者可以不必事先知道使用什么设备从而便于进行高速数据通信设备的布局。

RS-422是差模传输,抗干扰能力强,能传1200米 RS232最多传输15米。

 

RS-485

RS-485又名TIA-485-A, ANSI/TIA/EIA-485或TIA/EIA-485。

RS485是一个定义平衡数字多点系统中的驱动器和接收器的电气特性的标准,该标准由电信行业协会和电子工业联盟定义。使用该标准的数字通信网络能在远距离条件下以及电子噪声大的环境下有效传输信号。RS-485使得连接本地网络以及多支路通信链路的配置成为可能。


RS485有两线制和四线制两种接线,四线制只能实现点对点的通信方式,现很少采用,多采用的是两线制接线方式,这种接线方式为总线式拓扑结构,在同一总线上最多可以挂接32个节点。


在RS485通信网络中一般采用的是主从通信方式,即一个主机带多个从机。很多情况下,连接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,原因1是共模干扰:RS-485接口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,但容易忽视了收发器有一定的共模电压范围,RS-485收发器共模电压范围为-7到+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;原因二是EMI的问题: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。


在低速、短距离、无干扰的场合可以采用普通的双绞线,反之,在高速、长线传输时,则必须采用阻抗匹配(一般为120Ω)的RS485专用电缆(STP-120Ω(用于RS485 & CAN)一对18AWG),而在干扰恶劣的环境下还应采用铠装型双绞屏蔽电缆(ASTP-120Ω(用于RS485 & CAN)一对18AWG)。


在使用RS485接口时,对于特定的传输线路,从RS485接口到负载其数据信号传输所允许的最大电缆长度与信号传输的波特率成反比,这个长度数据主要是受信号失真及噪声等因素所影响。理论上,通信速率在100Kbps及以下时,RS485的最长传输距离可达1200米,但在实际应用中传输的距离也因芯片及电缆的传输特性而有所差异。在传输过程中可以采用增加中继的方法对信号进行放大,最多可以加八个中继,也就是说理论上RS485的最大传输距离可以达到10.8公里。如果确实需要长距离传输,可以采用光纤为传播介质,收发两端各加一个光电转换器,多模光纤的传输距离是5到10公里,而采用单模光纤可达50公里的传播距离。


工业网络归结为三类:RS485网络、HART网络和现场总线网络。


HART网络:HART是由艾默生提出一个过度性总线标准,主要是在4~20毫安电流信号上面叠加数字信号,物理层采用BELL202频移键控技术,以实现部分智能仪表的功能,但此协议不是一个真正意义上开放的标准。


FieldBus现场总线网络:现场总线是当今自动化领域的热点技术之一,被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现标志着自动化控制技术又一个新时代的开始。现场总线是连接控制现场的仪表与控制室内的控制装置的数字化、串行、多站通信的网络。其关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字化通信。现场总线技术成为国际上自动化和仪器仪表发展的热点,它的出现使传统的控制系统结构产生了革命性的变化,使自控系统朝着“智能化、数字化、信息化、网络化、分散化”的方向进一步迈进,形成新型的网络通信的全分布式控制系统——现场总线控制系统FCS(Fieldbus Control System)。然而,现场总线还没有形成真正统一的标准,ProfiBus、CANbus、CC-Link等多种标准并行存在,并且都有自己的生存空间。何时统一,遥遥无期。支持现场总线的仪表种类还比较少,可供选择的余地小,价格又偏高,用量也较小。


RS485网络:RS485/MODBUS是流行的一种布网方式,实施简单方便 ,支持RS485的仪表很多。


网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构。在构建网络时,应注意如下几点:

(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。有些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。


(3)注意终端负载电阻问题,在设备少距离短的情况下不加终端负载电阻整个网络能很好的工作,但随着距离的增加性能将降低。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。


一般终端匹配采用终端电阻方法,RS-485应在总线电缆的开始和末端都并接终端电阻。终端电阻在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。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中。还有一种采用二极管的匹配方法,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。

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