RS232-RS422-RS485標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用
RS-232、RS-422與RS-485標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用
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(biāo)準(zhǔn),zui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(biāo)準(zhǔn),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(bǔ)RS-232之不足而提出的.為改進(jìn)RS-232
通信距離短、速率低的缺點(diǎn),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(shí)）,并允許在一條平衡總線上連接zui多10個(gè)接
收器.RS-422是一種單機(jī)發(fā)送、多機(jī)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(kuò)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(diǎn)、雙向
通信能力,即允許多個(gè)發(fā)送器連接到同一條總線上,同時(shí)增加了發(fā)送器的驅(qū)動能力和沖突保
護(hù)特性,擴(kuò)展了總線共*圍,后命名為TIA/EIA-485-A標(biāo)準(zhǔn).由于EIA提出的建議標(biāo)準(zhǔn)都是
以“RS”作為前綴,所以在通訊工業(yè)領(lǐng)域,仍然習(xí)慣將上述標(biāo)準(zhǔn)以RS作前綴稱謂.
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.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*使用.如錄像機(jī)廠家中的Sony與松下對錄像機(jī)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(biāo)準(zhǔn)
目前RS-232是PC機(jī)與通信工業(yè)中應(yīng)用zui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
圖1
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(shí)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(fù)電平之間
擺動,在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),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(shí),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zui大為約15
米,zui高速率為20kb/s.RS-232是為點(diǎn)對點(diǎn)（即只用一對收、發(fā)設(shè)備）通訊而設(shè)計(jì)的,其驅(qū)
動器負(fù)載為3~7kÙ.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(diǎn)數(shù) 1收、1發(fā) 1發(fā)10收 1發(fā)32收
zui大傳輸電纜長度 50英尺 400英尺 400英尺
zui大傳輸速率 20Kb/S 10Mb/s 10Mb/s
zui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(fù)載 +/-5V~+/-15V +/-2.0V +/-1.5V
表1
三、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,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(gè)邏輯狀態(tài),負(fù)電平在-2
~6V,是另一個(gè)邏輯狀態(tài).另有一個(gè)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(shí),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(dāng)在收
端AB之間有大于+200mV的電平時(shí),輸出正邏輯電平,小于-200mV時(shí),輸出負(fù)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
（負(fù)載zui小值）
驅(qū)動器輸出信號電平
（空載zui大值）
空載 +/-25V +/-6V +/-6V
驅(qū)動器負(fù)載阻抗（Ù） 3K~7K 100 54
擺率（zui大值） 30V/ìs 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（Ù） 3K~7K 4K（zui?。?≥12K
驅(qū)動器共模電壓 -3V~+3V -1V~+3V
接收器共模電壓 -7V~+7V -7V~+12V
RS-422標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(qiáng)的驅(qū)動能力,故允許在相同傳輸
線上連接多個(gè)接收節(jié)點(diǎn),zui多可接10個(gè)節(jié)點(diǎn).即一個(gè)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(diǎn)對多的雙向通信.接收器輸入阻抗為
4k,故發(fā)端zui大負(fù)載能力是10×4k+100Ù（終接電阻）.RS-422四線接口由于采用單獨(dú)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(dú)的雙絞線）.
RS-422的zui大傳輸距離為4000英尺（約1219米）,zui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(dá)到zui大傳輸距離.只有在很短的
距離下才能獲得zui高速率傳輸.一般100米長的雙絞線上所能獲得的zui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(shí)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zui遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)真正的多點(diǎn)雙向通信,參見圖6.
而采用四線連接時(shí),與RS-422一樣只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對多的通信,即只能有一個(gè)主（Master）
設(shè)備,其余為從設(shè)備,但它比RS-422有改進(jìn), 無論四線還是二線連接方式總線上可多接到32
個(gè)設(shè)備.參見圖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zui小輸入阻抗為12k劍鳵S-422是4k健; 舊峽梢運(yùn)
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zui大傳輸距離約為1219米,zui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zui長的電纜長度.只有在
圖4 圖5
圖6 圖7
很短的距離下才能獲得zui高速率傳輸.一般100米長雙絞線zui大傳輸速率僅為1Mb/s.
RS-485需要2個(gè)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(shí)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(diǎn)
RS-422可支持10個(gè)節(jié)點(diǎn),RS-485支持32個(gè)節(jié)點(diǎn),因此多節(jié)點(diǎn)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò).網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟话悴?
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(shí),應(yīng)注意如下幾點(diǎn):
1．采用一條雙絞線電纜作總線,將各個(gè)節(jié)點(diǎn)串接起來,從總線到每個(gè)節(jié)點(diǎn)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zui低.圖8所示為實(shí)際應(yīng)用中常見
的一些錯(cuò)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(yán)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(diǎn)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(jìn)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(gè)接收數(shù)據(jù)信號的中
點(diǎn)進(jìn)行采樣時(shí),只要反射信號在開始采樣時(shí)衰減到足夠低就可以不考慮匹配.但這在實(shí)際上
難以掌握,美國MAXIM公司有篇文章提到一條經(jīng)驗(yàn)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(shí)需要進(jìn)行匹配:當(dāng)信號的轉(zhuǎn)換時(shí)間（上升或下降時(shí)間）超過電信號沿總線單向
傳輸所需時(shí)間的3倍以上時(shí)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(shí)間zui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(shí)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(yuǎn)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100
Ù,在RS-485網(wǎng)絡(luò)中取120Ù.相當(dāng)于電纜特性阻抗的電阻,因?yàn)榇蠖鄶?shù)雙絞線電纜特性阻抗
大約在100~120Ù.這種匹配方法簡單有效,但有一個(gè)缺點(diǎn),匹配電阻要消耗較大功率,
對于功耗限制比較嚴(yán)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(gè)難點(diǎn),需要在功耗和匹配質(zhì)量間進(jìn)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(shí)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(dá)到改善信號質(zhì)量的目的.節(jié)能*.
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(dāng)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?yàn)榻拥叵到y(tǒng)
不合理會影響整個(gè)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(yuǎn)的情況下,對
于接地的要求更為嚴(yán)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(shí)只是簡單地用一對雙絞線將各個(gè)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(gè)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(gè)參照點(diǎn)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(gè)網(wǎng)絡(luò)才能正常工作.當(dāng)網(wǎng)絡(luò)線路中共
模電壓超出此范圍時(shí)就會影響通信的穩(wěn)定可靠,甚至損壞接口.以圖11為例,當(dāng)發(fā)送驅(qū)動器A
向接收器B發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),發(fā)送驅(qū)動器A的輸出共模電壓為VOS,由于兩個(gè)系統(tǒng)具有各自獨(dú)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(dá)到VCM=VOS+VGPD.
RS-422與RS-485標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)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(gè)返回通路,如沒有一個(gè)低
阻的返回通道（信號地）,就會以輻射的形式返回源端,整個(gè)總線就會像一個(gè)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(gè)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(gè)接口的工作地連接起來,使共模
圖9 圖10
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zui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(dāng)共模干擾源內(nèi)阻較低時(shí),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(rèn)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(dāng)?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(dāng)共模干
擾內(nèi)阻很小時(shí)上述方法已不能奏效,此時(shí)可以考慮將引入干擾的節(jié)點(diǎn)（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(jī)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(jī)殼或
大地相連,不能懸浮,這時(shí)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(hù)
RS-422與RS-485標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)接收器A電平比B電平高+200mV以上時(shí),輸出為正邏輯,反之,則
輸出為負(fù)邏輯.但由于第三態(tài)的存在,即在主機(jī)在發(fā)端發(fā)完一個(gè)信息數(shù)據(jù)后,將總線置于第
三態(tài),即總線空閑時(shí)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(gè)問題:接收器輸出狀態(tài)不確定.如果接收機(jī)的輸出為0V,網(wǎng)絡(luò)中從機(jī)將把其解
釋為一個(gè)新的啟動位,并試圖讀取后續(xù)字節(jié),由于永遠(yuǎn)不會有停止位,產(chǎn)生一個(gè)幀錯(cuò)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(shí)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(dāng)總線空閑或開路時(shí),利用偏置電阻將總線偏置在一個(gè)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1kÙ,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(shí)的問題,有些廠家將接收門
限移到-200mV/-50mV,可解決這個(gè)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(hù)問題.
八、RS-422與RS-485的瞬態(tài)保護(hù)
前文提到的信號接地措施,只對低頻率的共模干擾有保護(hù)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(dāng)于電感,因此對于高頻瞬態(tài)干擾,接
地線實(shí)際等同于開路.這樣的瞬態(tài)干擾雖然持續(xù)時(shí)間短暫,但可能會有成百上千伏的電壓.
實(shí)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(fù)載如電機(jī)、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(dāng)防護(hù)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(hù).
1．隔離保護(hù)方法.這種方案實(shí)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(hù)接口的作用.通常采用高頻變
壓器、光耦等元件實(shí)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(dá)2500V.這種方案的優(yōu)點(diǎn)是
可以承受高電壓、持續(xù)時(shí)間較長的瞬態(tài)干擾,實(shí)現(xiàn)起來也比較容易,缺點(diǎn)是成本較高.
2．旁路保護(hù)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(diǎn)是成本較低,缺點(diǎn)是保護(hù)能力有限,只能保護(hù)一定能量以內(nèi)
的瞬態(tài)干擾,持續(xù)時(shí)間不能很長,而且需要有一條良好的連接大地的通道,實(shí)現(xiàn)起來比較困
難.實(shí)際應(yīng)用中是將上述兩種方案結(jié)合起來靈活加以運(yùn)用,如圖14.在這種方法中,隔離接
口對大幅度瞬態(tài)干擾進(jìn)行隔離,旁路元件則保護(hù)隔離接口不被過高的瞬態(tài)電壓擊穿.
本文章內(nèi)容來自：http://www.yjzhan.com/st48578/