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RS232 RS485 串口電平標(biāo)準(zhǔn)

作者：時間：2016-12-14 來源：網(wǎng)絡(luò)

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二、CMOS電平

COMS集成電路是互補對稱金屬氧化物半導(dǎo)體（Compiementary symmetry metal oxide semicoductor）集成電路的英文縮寫，電路的許多基本邏輯單元都是用增強型PMOS晶體管和增強型NMOS管按照互補對稱形式連接的，靜態(tài)功耗很小。

COMS電路的供電電壓VDD范圍比較廣在+5~+15V均能正常工作，電壓波動允許±10，當(dāng)輸出電壓高于VDD-0.5V時為邏輯1，輸出電壓低于VSS+0.5V(VSS為數(shù)字地)為邏輯0。CMOS電路輸出高電平約為0.9Vcc，而輸出低電平約為0.1Vcc當(dāng)輸入電壓高于VDD-1.5V時為邏輯1，輸入電壓低于VSS+1.5V(VSS為數(shù)字地)為邏輯0。CMOS電路中不適用的輸入端不能懸空，否則邏輯混亂

三、RS-232、RS-422與RS-485

RS-232、RS-422與RS-485標(biāo)準(zhǔn)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。RS-232、RS-422與RS-485都是串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，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。RS-422由RS-232發(fā)展而來，為改進(jìn)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10Mbps，傳輸距離延長到4000英尺（速率低于100Kbps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(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)準(zhǔn)，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(hù)特性，擴展了總線共模范圍，后命名為TIA/EIA-485-A標(biāo)準(zhǔn)。

1. RS-232串行接口標(biāo)準(zhǔn)

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(biāo)準(zhǔn)。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。典型的RS-232信號在正負(fù)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(fù)電平在-5~-15V電平。當(dāng)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20Kbps。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(fù)載為3kΩ~7kΩ。所以RS-232適合本地設(shè)備之間的通信。

2. RS-422與RS-485串行接口標(biāo)準(zhǔn)

（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。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(fù)電平在-2V~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(dāng)“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)。

（2）RS-422電氣規(guī)定

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。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）實現(xiàn)。RS-422的最大傳輸距離為4000英尺（約1219米），最大傳輸速率為10Mbps。其平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在100Kbps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米長的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率僅為1Mbps。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(yuǎn)端。

（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。RS-485總線，在要求通信距離為幾十米到上千米時，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，能檢測低至200mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復(fù)。 RS-485采用半雙工工作方式，任何時候只能有一點處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號加以控制。RS-485用于多點互連時非常方便，可以省掉許多信號線。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臺驅(qū)動器和32臺接收器。

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與RS-422一樣，其最大傳輸距離約為1219米，最大傳輸速率為10Mbps。平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在100Kbps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1Mbps。

（4）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?fù)湟话悴捎媒K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：

* 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。

* 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。

四、LVDS電平

LVDS（Low Voltage Differential Signal）即低電壓差分信號，LVDS接口又稱RS644總線接口，是20世紀(jì)90年代才出現(xiàn)的一種數(shù)據(jù)傳輸和接口技術(shù)。

　　LVDS的典型工作原理如圖1所示。最基本的LVDS器件就是LVDS驅(qū)動器和接收器。LVDS的驅(qū)動器由驅(qū)動差分線對的電流源組成，電流通常為3.5 mA。LVDS接收器具有很高的輸入阻抗，因此驅(qū)動器輸出的大部分電流都流過100 Ω的匹配電阻，并在接收器的輸入端產(chǎn)生大約350 mV的電壓。當(dāng)驅(qū)動器翻轉(zhuǎn)時，它改變流經(jīng)電阻的電流方向，因此產(chǎn)生有效的邏輯“1”和邏輯“0”狀態(tài)。

LVDS技術(shù)在兩個標(biāo)準(zhǔn)中被定義：ANSI/TIA/EIA644 (1995年11月通過)和IEEE P1596.3 (1996年3月通過)。這兩個標(biāo)準(zhǔn)中都著重定義了LVDS的電特性，包括：

①低擺幅（約為350 mV）。低電流驅(qū)動模式意味著可實現(xiàn)高速傳輸。ANSI/TIA/EIA644建議了655 Mb/s的最大速率和1.923 Gb/s的無失真通道上的理論極限速率。

②低壓擺幅。恒流源電流驅(qū)動，把輸出電流限制到約為3.5 mA左右，使跳變期間的尖峰干擾最小，因而產(chǎn)生的功耗非常小。這允許集成電路密度的進(jìn)一步提高，即提高了PCB板的效能，減少了成本。

③具有相對較慢的邊緣速率（dV/dt約為0.300 V/0.3 ns,即為1 V/ns）,同時采用差分傳輸形式，使其信號噪聲和EMI都大為減少，同時也具有較強的抗干擾能力。

　　所以，LVDS具有高速、超低功耗、低噪聲和低成本的優(yōu)良特性。

　　LVDS的應(yīng)用模式可以有四種形式：

①單向點對點（point to point），這是典型的應(yīng)用模式。

②雙向點對點（point to point），能通過一對雙絞線實現(xiàn)雙向的半雙工通信?？梢杂蓸?biāo)準(zhǔn)的LVDS的驅(qū)動器和接收器構(gòu)成；但更好的辦法是采用總線LVDS驅(qū)動器，即BLVDS,這是為總線兩端都接負(fù)載而設(shè)計的。

③多分支形式(multidrop)，即一個驅(qū)動器連接多個接收器。當(dāng)有相同的數(shù)據(jù)要傳給多個負(fù)載時，可以采用這種應(yīng)用形式。④ 多點結(jié)構(gòu)（multipoint）。此時多點總線支持多個驅(qū)動器，也可以采用BLVDS驅(qū)動器。它可以提供雙向的半雙工通信，但是在任一時刻，只能有一個驅(qū)動器工作。因而發(fā)送的優(yōu)先權(quán)和總線的仲裁協(xié)議都需要依據(jù)不同的應(yīng)用場合，選用不同的軟件協(xié)議和硬件方案。

　　為了支持LVDS的多點應(yīng)用，即多分支結(jié)構(gòu)和多點結(jié)構(gòu)，2001年新推出的多點低壓差分信號（MLVDS）國際標(biāo)準(zhǔn)ANSI/TIA/EIA 8992001，規(guī)定了用于多分支結(jié)構(gòu)和多點結(jié)構(gòu)的MLVDS器件的標(biāo)準(zhǔn)，目前已有一些MLVDS器件面世。

　　LVDS技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也日漸普遍。在高速系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)背板互連和電纜傳輸應(yīng)用中，驅(qū)動器、接收器、收發(fā)器、并串轉(zhuǎn)換器/串并轉(zhuǎn)換器以及其他LVDS器件的應(yīng)用正日益廣泛。接口芯片供應(yīng)商正推進(jìn)LVDS作為下一代基礎(chǔ)設(shè)施的基本構(gòu)造模塊，以支持手機基站、中心局交換設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)主機和計算機、工作站之間的互連。

五、ECL電平、PECL電平和LVPECL電平

ECL(EmitterCoupled Logic)即射極耦合邏輯，是帶有射隨輸出結(jié)構(gòu)的典型輸入輸出接口電路，如圖2所示。

ECL電路的最大特點是其基本門電路工作在非飽和狀態(tài)，因此ECL又稱為非飽和性邏輯。也正因為如此，ECL電路的最大優(yōu)點是具有相當(dāng)高的速度。這種電路的平均延遲時間可達(dá)幾個ns數(shù)量級甚至更少。傳統(tǒng)的ECL以VCC為零電壓，VEE為-5.2 V電源，VOH=VCC-0.9 V=-0.9 V，VOL=VCC-1.7 V=-1.7 V，所以ECL電路的邏輯擺幅較小（僅約0.8 V）。當(dāng)電路從一種狀態(tài)過渡到另一種狀態(tài)時，對寄生電容的充放電時間將減少，這也是ECL電路具有高開關(guān)速度的重要原因。另外，ECL電路是由一個差分對管和一對射隨器組成的，所以輸入阻抗大，輸出阻抗小，驅(qū)動能力強，信號檢測能力高，差分輸出，抗共模干擾能力強；但是由于單元門的開關(guān)管對是輪流導(dǎo)通的，對整個電路來講沒有“截止”狀態(tài)，所以電路的功耗較大。

　　如果省掉ECL電路中的負(fù)電源，采用正電源的系統(tǒng)(+5 V)，可將VCC接到正電源而VEE接到零點。這樣的電平通常被稱為PECL（Positive Emitter Coupled Logic）。如果采用+3.3 V供電，則稱為LVPECL。當(dāng)然，此時高低電平的定義也是不同的。它的電路如圖3、4所示。

其中，輸出射隨器工作在正電源范圍內(nèi)，其電流始終存在。這樣有利于提高開關(guān)速度，而且標(biāo)準(zhǔn)的輸出負(fù)載是接50Ω至VCC-2 V的電平上。

　　在使用PECL 電路時要注意加電源去耦電路，以免受噪聲的干擾。輸出采用交流耦合還是直流耦合，對負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的形式將會提出不同的需求。直流耦合的接口電路有兩種工作模式：其一，對應(yīng)于近距離傳送的情況，采用發(fā)送端加到地偏置電阻，接收端加端接電阻模式；其二，對應(yīng)于較遠(yuǎn)距離傳送的情況，采用接收端通過電阻對提供截止電平VTT 和50 Ω的匹配負(fù)載的模式。以上都有標(biāo)準(zhǔn)的工作模式可供參考，不必贅述。對于交流耦合的接口電路，也有一種標(biāo)準(zhǔn)工作模式，即發(fā)送端加到地偏置電阻，耦合電容靠近發(fā)送端放置，接收端通過電阻對提供共模電平VBB 和50 Ω的匹配負(fù)載的模式。

　　PECL是高速領(lǐng)域內(nèi)一種十分重要的邏輯電路，它的優(yōu)良特性使它廣泛應(yīng)用于高速計算機、高速計數(shù)器、數(shù)字通信系統(tǒng)、雷達(dá)、測量儀器和頻率合成器等方面。

ECL：EmitterCoupled Logic 發(fā)射極耦合邏輯電路(差分結(jié)構(gòu))

Vcc=0V；Vee：-5.2V；VOH=-0.88V；VOL=-1.72V；VIH=-1.24V；VIL=-1.36V。

速度快，驅(qū)動能力強，噪聲小，很容易達(dá)到幾百M的應(yīng)用。但是功耗大，需要負(fù)電源。為簡化電源，出現(xiàn)了PECL(ECL結(jié)構(gòu)，改用正電壓供電)和LVPECL。

PECL：Pseudo/Positive ECL

Vcc=5V；VOH=4.12V；VOL=3.28V；VIH=3.78V；VIL=3.64V

LVPELC：Low Voltage PECL

Vcc=3.3V；VOH=2.42V；VOL=1.58V；VIH=2.06V；VIL=1.94V

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