一文讀懂RS-232、RS-422及RS-485串行數(shù)據(jù)標準的選擇及使用

按照技術(shù)指標和電氣接口有三種常見的串行數(shù)據(jù)標準：RS-232、RS-422和RS-485。本文將介紹電纜端接技術(shù)、多個負載的使用、RS-232菊花鏈連接、RS-232至RS-485的轉(zhuǎn)換、RS-485至RS-232的轉(zhuǎn)換，以及RS-232端口供電的RS-485轉(zhuǎn)換。

標準的奇妙之處在于有如此之多的選擇，這同樣也適用于電氣接口標準。隨著不同行業(yè)內(nèi)串行數(shù)據(jù)標準的獨立發(fā)展，我們擁有的標準從未如此之多。

PC和電信應(yīng)用領(lǐng)域最成功的串行數(shù)據(jù)標準可能就是RS-232。相類似，RS-485和RS-422也在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域最成功的標準之列。這些標準并不直接兼容。然而，對于控制和儀器儀表應(yīng)用，往往必須在不同標準之間進行通信。本文討論不同的標準(物理層指標)，介紹如何將一種標準轉(zhuǎn)換為另一種標準，并演示如何在相同應(yīng)用中組合不同的標準。

RS-232電氣指標和典型連接

RS-232鏈路最初用于支持IBM PC上的調(diào)制解調(diào)器和打印機應(yīng)用。然而，該標準現(xiàn)在支持各種外設(shè)與PC通信。RS-232標準定義為單端標準，用于以較低波特率(<20kbps)提高串行通信距離。多年以來，該標準幾經(jīng)變化，以支持較快的驅(qū)動器，例如MAX3225E，該器件能提供1Mbps數(shù)據(jù)傳輸速率。為了兼容RS-232，MAX3225E等收發(fā)器必須滿足表1所列的電氣指標。從典型連接(圖1)可看出，利用硬件握手來控制數(shù)據(jù)流。

表 1. RS-232標準的主要電氣指標匯總

圖1. 典型的RS-232連接。

典型RS-232信號(圖2，CH1)的擺動范圍為正和負。注意左側(cè)坐標軸上0V蹤跡標記的相對位置。盡管RS-232數(shù)據(jù)為反相，從TTL/CMOS到RS-232然后再返回至TTL/CMOS的轉(zhuǎn)換恢復了數(shù)據(jù)的原始極性。RS-232的典型傳輸距離很少超過100英尺。原因有兩個：首先，發(fā)送電平(±5V)和接收電平(±3V)之差只允許有2V的共模抑制；第二，較長電纜的分布電容可能超過規(guī)定的最大負載(2500pF)，從而降低擺率。由于RS-232被設(shè)計為點對點接口，并非多節(jié)點接口，所以其驅(qū)動器的指標為3kΩ至7kΩ單負載。因此，多節(jié)點接口應(yīng)用通常采用菊鏈的連接方法(圖3)。

圖2. RS-232接收器支持雙極性輸入信號(上部蹤跡，CH1)，輸出反相的TTL/CMOS信號(底部蹤跡，CH2)。

圖3. 菊鏈方法允許在單個RS-232鏈路上掛接多個從機接收器。

菊鏈設(shè)備及其限制

在菊鏈配置中，RS-232信號經(jīng)過第一個接收器，并環(huán)回至發(fā)送器。對數(shù)據(jù)發(fā)送線中之后的器件重復該配置。該項技術(shù)的主要問題是電纜斷裂。如果從機1和從機2之間發(fā)生斷裂，妨礙所有下行器件發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。另一種多節(jié)點RS-232技術(shù)涉及到預緩沖或RS-232輸出升壓驅(qū)動(使其驅(qū)動多個并聯(lián)的5kΩ輸入)。

為避免菊鏈網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的問題，ADI開發(fā)了MAX3322E/MAX3323E，專門設(shè)計用于多節(jié)點應(yīng)用。這些獨特的器件采用了5kΩ邏輯開關(guān)輸入電阻。器件未被選中時，其輸入電阻保持為高阻態(tài)，允許與共用總線上的其它器件繼續(xù)通信。

另一種解決菊鏈網(wǎng)絡(luò)問題的方案是將RS-232 Rx和Tx信號轉(zhuǎn)換為RS-422信號(見表2)。RS-422為差分標準，允許傳輸距離長得多。RS-422較高的輸入阻抗，與其較高驅(qū)動能力相結(jié)合，允許連接多達10個節(jié)點(圖4)。RS-422的另一種優(yōu)勢是獨立的發(fā)送和接收通路，無需方向控制?？梢岳密浖?XON/OFF握手)或硬件(一組獨立的雙絞線)實現(xiàn)器件之間必要的握手。MAX3162提供了RS-232和RS-422之間進行信號轉(zhuǎn)換的經(jīng)濟途徑。更多信息請參見下文的RS-232/RS-485協(xié)議轉(zhuǎn)換器部分。

表 2. RS-422關(guān)鍵指標匯總

圖4. 典型RS-422系統(tǒng)允許差分傳輸線路上掛接多達10個接收器。

RS-485與RS-422的差異及其再應(yīng)用中的使用

RS-422和RS-485收發(fā)器往往容易混淆，往往將其中一個當做另一個的全雙工版本。然而，其共模范圍及接收器輸入電阻方面的電氣差異使得這些標準適合于不同的應(yīng)用。由于RS-485滿足所有的RS-422規(guī)范(表3)，RS-485驅(qū)動器可用于RS-422應(yīng)用。然而，相反則不成立。RS-485驅(qū)動器的共模輸出為-7V至+12V，而RS-422的共模范圍僅為±3V。RS-422驅(qū)動器的最小接收器輸入電阻為4kΩ，而RS-485驅(qū)動器則為12kΩ。

表3. RS-485關(guān)鍵指標匯總

為降低接線費用以及達到較長的線長，RS-485收發(fā)器已經(jīng)成為銷售終端、工業(yè)及電信應(yīng)用領(lǐng)域廣泛采用的標準。RS-485較寬的共模范圍也支持較長的線長和較高的每節(jié)點輸入電阻，允許總線上連接較多的節(jié)點(圖5)。

圖5. 與RS-422相比，RS-485連接較高的輸入阻抗和較寬的共模范圍，支持較長的線長。

差分RS-485傳輸(圖6)在雙絞線電纜的每一根線上產(chǎn)生相反的電流和磁場，交叉抵消每根線周圍的反向磁場，從而將輻射電磁干擾(EMI)降至最小。為了在較長電纜或較高數(shù)據(jù)率下進行傳輸，電纜作為傳輸線，并應(yīng)利用電纜的特征阻抗進行端接。RS-485連接的這個方面容易引起混淆。傳輸線需要端接嗎？如果需要，應(yīng)如何端接？如果設(shè)計者不是最終用戶，這些問題應(yīng)該留給安裝方來解決嗎？對于大多數(shù)RS-485收發(fā)器，數(shù)據(jù)資料標出了電纜作為傳輸線時不端接和簡單點對點端接之間的簡單選擇(圖7)。A-B端子之間的端接電阻是無害的。默認情況下，應(yīng)該在總線上最后一個收發(fā)器處對傳輸進行端接。

圖6. RS-485線上的反極性信號交叉抵消了彼此的磁場，從而將EMI降至最小。以上示波器截屏上的GND基準經(jīng)過搬移(偏移)，清晰顯示RS-485輸出信號的相反極性。

圖7. 傳輸線端接電阻的選擇取決于具體應(yīng)用。

失效保護

確定是否需要端接電阻僅僅是實現(xiàn)RS-485系統(tǒng)時面臨的問題之一。正常情況下，如果A比B大+200mV或更多，RS-485接收器輸出為“1”；如果B比A大200mV或更多，收發(fā)器輸出為“0”。在半雙工RS-485網(wǎng)絡(luò)中，主機收發(fā)器在向從機發(fā)送消息后，將總線置于三態(tài)。所以，如果沒有信號驅(qū)動總線，接收器輸出狀態(tài)則無定義，因為A和B之差趨向于0V。如果接收器輸出RO為“0”，從機將其解釋為新的開始位，并嘗試讀取隨后的字節(jié)。由于不會發(fā)生停止位，所以結(jié)果就是成幀錯誤?？偩€變?yōu)闊o主，網(wǎng)絡(luò)停頓。

不幸的是，對于0V差分輸入，不同芯片測試中會產(chǎn)生不同的輸出信號。原型可能正常工作，但特定的節(jié)點在生產(chǎn)測試中卻失敗。為解決這一問題，如圖7中多節(jié)點/失效保護端接所示，對總線進行偏置。偏置總線，確?？偩€為三態(tài)時的接收器輸出保持為“1”?；蛘?，您可使用“真失效保護”接收器，例如MAX3080 (5V)和MAX3070 (3V)系列產(chǎn)品。這些器件將接收器的門限改為-50mV，確保差分輸入為0V時RO輸出為“1”。

RS-232/RS-485協(xié)議轉(zhuǎn)換器

MAX3162為一款很獨特的器件，包括RS-232和RS-485接收器和發(fā)送器。寬范圍通信器件包含在單片IC中，支持在RS-232和RS-485信號之間雙向獨立轉(zhuǎn)換。圖8所示的電路中，MAX3162配置為在點對點應(yīng)用中雙向轉(zhuǎn)換RS-232和RS-485信號。

圖8. MAX3162在點對點應(yīng)用中雙向轉(zhuǎn)換RS-232和RS-485信號。

圖9所示為MAX3162配置為RS-232/RS-485多節(jié)點協(xié)議轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換方向由RTS信號R1IN控制。單端RS-232接收器輸入信號轉(zhuǎn)換為差分RS-485發(fā)送器輸出；類似地，差分RS-485接收器輸入信號轉(zhuǎn)換為單端RS-232發(fā)送器輸出。R2IN上接收的RS-232數(shù)據(jù)在Z和Y上作為RS-485信號發(fā)送；A和B上接收的RS-485信號在T1OUT上作為RS-232信號發(fā)送。

RTS線為共用線，用于控制轉(zhuǎn)換RS-232和RS-485的電路總線方向。該線在RS-232端口上控制RS-485收發(fā)器作為發(fā)送器還是接收器(圖9)。注意，系統(tǒng)不確定UART發(fā)送緩沖器中的數(shù)據(jù)字節(jié)是否已發(fā)送，除非系統(tǒng)監(jiān)測RS-485驅(qū)動器的輸入DI。也就是說，系統(tǒng)必須允許固定延時或主動監(jiān)測DI輸入，然后再使用DE輸入來改變總線方向。

其它方向控制技術(shù)包括使用微控制器以及利用數(shù)據(jù)驅(qū)動DE輸入，同時輪詢A-B線電壓差(利用上拉電阻將A連接至5V，利用下拉電阻將B連接至地)。這些電阻的值隨電纜電容變化，但典型值為1kΩ。

圖9. MAX3162在多節(jié)點應(yīng)用中雙向轉(zhuǎn)換RS-232和RS-485信號。

端口供電器件

許多RS-232至RS-485轉(zhuǎn)換器為“端口供電轉(zhuǎn)換器”，此時通過RS-232 RTS線(或者有時為RTS和CTS (DTR)線的組合)為RS-485供電。由于RS-232端口可用的功率是有限的，當一個端口供電轉(zhuǎn)換器與(比如) 100個RS-485端點配合使用時，就達不到RS-485的啟動電壓。然而，較低的接收器門限(200mV)允許較好的誤差裕量。該技術(shù)被廣泛用于線路較短以及A-B端點間沒有端接電阻的系統(tǒng)。

熱插拔

電路板插入到正在工作或帶電背板時，對數(shù)據(jù)總線的差分干擾會造成數(shù)據(jù)錯誤。插入電路板時，數(shù)據(jù)通信處理器首先進入其上電序列。在此期間，處理器邏輯輸出驅(qū)動器為高阻態(tài)，不能將MAX3060E/MAX3080E的DE和/RE輸入驅(qū)動到規(guī)定的邏輯電平。處理器邏輯驅(qū)動器為高阻態(tài)時的漏電流高達±10mA，可能會造成收發(fā)器的標準CMOS使能輸入發(fā)生漂移，處于不正確的邏輯電平。此外，電路板的寄生電容可能造成VCC或GND耦合到使能輸入。如果不支持熱插拔，這些因素會錯誤地使能收發(fā)器的驅(qū)動器或接收器。