RS／RS／RS通信设计指南.pdf

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第一篇RS232/RS485/RS422标准一、一、EIARS232C计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种方式。

由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。

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。

RS232C接口（又称EIARS232C）是目前最常用的一种串行通讯接口。

RS232C是美国电子工业协会EIA（ElectronicIndustryAssociation）制定的一种串行物理接口标准。

RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数，代表RS232的最新一次修改（1969），在这之前，有RS232B、RS232A。

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”。

RS232C接口定义（9芯）1、电气特性、电气特性EIARS232C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）=3V15V，逻辑0（SPACE）=+315V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）=3V15V根据设备供电电源的不同，+5、+10、+12和+15这样的电平都是可能的。

2、连接器的机械特性、连接器的机械特性由于RS232C并未定义连接器的物理特性，因此，出现了DB25、DB15和DB9各种类型的连接器，其引脚的定义也各不相同。

最近，8管脚的RJ45型连接器变得越来越普遍，尽管它的管脚分配相差很大。

EIA/TIA561标准规定了一种管脚分配的方法，但是由DaveYost发明的被广泛使用在Unix计算机上的Yost串连设备配线标准（YostSerialDeviceWiringStandard）以及其他很多设备都没有采用上述任一种连线标准。

下表中列出的是被较多使用的RS232中的信号和管脚分配：

信号信号DB-25DB-9EIA/TIAYostRJ45-1RJ45-2RJ45-3公共地7544,54,54,56发送数据（TD）2363633接受数据（RD）3256265数据终端准备（DTR）20432722数据准备好（DSR）6617277请求发送（RTS）4781811tyw藏书清除发送（CTS）5878188数据载波检测（DCD）8127振铃指示（RI）2291信号的标注是从DTE设备的角度出发的，TD、DTR和RTS信号是由DTE产生的，RD、DSR、CTS、DCD和RI信号是由DCE产生的。

PC机的RS232口为9芯针插座。

一些设备与PC机连接的RS232接口,因为不使用对方的传送控制信号,只需三条接口线,即“发送数据TXD”、“接收数据RXD”和“信号地GND”。

双向接口能够只需要3根线制作是因为RS232的所有信号都共享一个公共接地。

非平衡电路使得RS232非常的容易受两设备间基点电压偏移的影响。

对于信号的上升期和下降期，RS232也只有相对较差的控制能力，很容易发生串话的问题。

RS232被推荐在短距离（15m以内）间通信。

由于非对称电路的关系，RS232接口电缆通常不是由双绞线制作的。

3、传输电缆、传输电缆RS232C标准规定的数据传输速率为每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制。

例如，采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15m；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。

传输距离短的另一原因是RS232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的通信。

由RS232C标准规定在码元畸变小于4%的情况下，传输电缆长度应为50英尺，其实这个4%的码元畸变是很保守的，在实际应用中，约有99%的用户是按码元畸变1020%的范围工作的，所以实际使用中最大距离会远超过50英尺，美国DEC公司曾规定允许码元畸变为10%而得出下面实验结果。

其中1号电缆为屏蔽电缆，型号为DECP.NO.9107723内有三对双绞线，每对由22#AWG组成，其外覆以屏蔽网。

2号电缆为不带屏蔽的电缆。

型号为DECP.NO.910585604是22#AWG的四芯电缆。

波特率bps1号电缆传输距离（米）2号电缆传输距离（米）1101500900300150090012009009002400300150480030075960075754、链路层、链路层在RS232标准中，字符是以一系列位元来一个接一个的传输。

最长用的编码格式是异步起停asynchronousstartstop格式，它使用一个起始位后面紧跟7或8个数据比特，这个可能是奇偶位，然后是两个停止位。

所以发送一个字符需要10比特，带来的一个好的效果是使全部的传输速率，发送信号的速率以10分划。

串行通信在软件设置里需要做多项设置，最常见的设置包括波特率、奇偶校验和停止位。

波特率是指从一设备发到另一设备的波特率，即每秒钟多少比特bitspersecond（bit/s）。

典型的波特率是300、1200、2400、9600、19200等bit/s。

一般通信两端设备都要设为相同的波特率，但有些设备也可以设置为自动检测波特率。

奇偶校验Parity是用来验证数据的正确性。

奇偶校验一般不用，如果使用，那么既可以tyw藏书做奇校验也可以做偶校验。

奇偶校验是通过修改每一发送字节（也可以限制发送的字节）来工作的。

如果不作奇偶校验，那么数据是不会被改变的。

在偶校验中，因为奇偶校验位会被相应的置1或0（一般是最高位或最低位），所以数据会被改变以使得所有传送的数位（含字符的各数位和校验位）中“1”的个数为偶数；在奇校验中，所有传送的数位（含字符的各数位和校验位）中“1”的个数为奇数。

奇偶校验可以用于接受方检查传输是否发送生错误如果某一字节中“1”的个数发生了错误，那么这个字节在传输中一定有错误发生。

如果奇偶校验是正确的，那么要么没有发生错误要么发生了偶数个的错误。

停止位是在每个字节传输之后发送的，它用来帮助接受信号方硬件重同步。

在串行通信软件设置中D/P/S是常规的符号表示。

8/N/1（非常普遍）表明8bit数据，没有奇偶校验，1bit停止位。

数据位可以设置为7、8或者9，奇偶校验位可以设置为无（N）、奇（O）或者偶（E），奇偶校验位可以使用数据中的比特位，所以8/E/1就表示一共8位数据位，其中一位用来做奇偶校验位。

停止位可以是1、1.5或者2位的（1.5是用在波特率为60wpm的电传打字机上的）。

5、传输控制、传输控制当需要发送握手信号或数据完整性检测时需要制定其他设置。

公用的组合有RTS/CTS，DTR/DSR或者XON/XOFF（实际中不使用连接器管脚而在数据流内插入特殊字符）。

接受方把XON/XOFF信号发给发送方来控制发送方何时发送数据，这些信号是与发送数据的传输方向相反的。

XON信号告诉发送方接受方准备好接受更多的数据，XOFF信号告诉发送方停止发送数据直到知道接受方再次准备好。

XON/XOFF一般不赞成使用，推荐用RTS/CTS控制流来代替它们。

XON/XOFF是一种工作在终端间的带内方法，但是必须两端都支持这个协议，而且在突然启动的时候会有混淆的可能。

XON/XOFF可以工作于3线的接口。

RTS/CTS最初是设计为电传打字机和调制解调器半双工协作通信的，每次它只能一方调制解调器发送数据。

终端必须发送请求发送信号然后等到调制解调器回应清除发送信号。

尽管RTS/CTS是通过硬件达到握手，但它有自己的优势。

6、RS232标准的不足标准的不足经过许多年来RS232器件以及通信技术的改进，RS232的通信距离已经大大增加。

由于RS232接口标准出现较早，难免有不足之处，主要有以下四点：

（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。

现在由于采用新的UART芯片16C550等，波特率达到115.2Kbps。

（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米，实际上也只能用在15米左右。

tyw藏书二、二、EIARS485标准标准针对RS232串口标准的局限性，人们又提出了RS422,RS485接口标准。

RS485/422采用平衡发送和差分接收方式实现通信：

发送端将串行口的TTL电平信号转换成差分信号A、B两路输出，经过线缆传输之后在接收端将差分信号还原成TTL电平信号。

由于传输线通常使用双绞线，又是差分传输，所以又极强的抗共模干扰的能力，总线收发器灵敏度很高，可以检测到低至200mV电压。

故传输信号在千米之外都是可以恢复。

1、RS485的电气特性：

的电气特性：

驱动器能输出7V的共模电压接收器的输入电阻RIN12k输入端的电容50pF在节点数为32个，配置了120的终端电阻的情况下，驱动器至少还能输出电压1.5V（终端电阻的大小与所用双绞线的参数有关）发送端：

逻辑1以两线间的电压差为+（2至6）V表示；逻辑0以两线间的电压差为（2至6）V表示。

接收器的输入灵敏度为200mV（即（V+）（V）0.2V，表示信号0；（V+）（V）0.2V，表示信号1）2、传输速率与传输距离、传输速率与传输距离RS485的数据最高传输速率为10Mbps，最大的通信距离约为1219M，传输速率与传输距离成反比，在10Kb/S的传输速率下，才可以达到最大的通信距离。

但是由于RS485常常要与PC机的RS232口通信，所以实际上一般最高115.2Kbps。

又由于太高的速率会使RS485传输距离减小，所以往往为9600bps左右或以下。

3、网络拓扑、网络拓扑RS485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。

RS485采用半双工工作方式，支持多点数据通信。

RS485总线网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构。

即采用一条总线将各个节点串接起来，不支持环形或星型网络。

如果需要使用星型结构，就必须使用485中继器或者485集线器才可以。

RS485/422总线一般最大支持32个节点，如果使用特制的485芯片，可以达到128个或者256个节点，最大的可以支持到400个节点。

4、连接器、连接器RS485的国际标准并没有规定RS485的接口连接器标准、所以采用接线端子或者DB9、DB25等连接器都可以。

三、三、EIARS422RS422的电气性能与RS485近似一样。

主要的区别在于：

RS485有2根信号线：

发送和接收都是A和B。

由于RS485的收与发是共用两根线，所以不能够同时收和发（半双工）。

RS422有4根信号线：

两根发送（Y、Z）、两根接收（A、B）。

由于RS422的收与发是分开的，所以可以同时收和发（全双工）。

支持多机通信的RS422将YA短接作为RS485的A、将RS422的ZB短接作为RS485的B可以这样简单转换为RS485。

tyw藏书很多人往往都误认为RS422串行接口是RS485串行接口的全双工版本，实际上，它们在电器特性上存在着不少差异，共模电压范围和接收器输入电阻不同使得该两个标准适用于不同的应用领域。

RS485串行接口的驱动器可用于RS422串行接口的应用中，因为RS485串行接口满足所有的RS422串行接口性能参数，反之则不能成立。

对于RS485串行接口的驱动器，共模电压的输出范围是7V和+12V之间；对于RS422串行接口的驱动器，该项性能指标仅有7V。

RS422串行接口接收器的最小输入电阻是4K；而RS485串行接口接收器的最小输入电阻则是12K。

tyw藏书第二篇RS485的理论分析RS485总线的理论与实践总线的理论与实践当前自动控制系统中常用的网络，如现场总线CAN、Profibus、INTERBUSS以及ARCNet的物理层都是基于RS485的总线进行总结和研究。

一、一、EIARS485标准标准在自动化领域，随着分布式控制系统的发展，迫切需要一种总线能适合远距离的数字通信。

在RS422标准的基础上，EIA研究出了一种支持多节点、远距离和接收高灵敏度的RS485总线标准。

RS485标准采有用平衡式发送，差分式接收的数据收发器来驱动总线，具体规格要求：

接收器的输入电阻RIN12k驱动器能输出7V的共模电压输入端的电容50pF在节点数为32个，配置了120的终端电阻的情况下，驱动器至少还能输出电压1.5V（终端电阻的大小与所用双绞线的参数有关）接收器的输入灵敏度为200mV（即（V+）（V）0.2V，表示信号“0”；（V+）（V）0.2V，表示信号“1”）因为RS485的远距离、多节点（32个）以及传输线成本低的特性，使得EIARS485成为工业应用中数据传输的首选标准。

二、影响二、影响RS485总线通讯速度和通信可靠性的三个因素总线通讯速度和通信可靠性的三个因素1、在通信电缆中的信号反射、在通信电缆中的信号反射在通信过程中，有两种信号因导致信号反射：

阻抗不连续和阻抗不匹配。

阻抗不连续，信号在传输线末端突然遇到电缆阻抗很小甚至没有，信号在这个地方就会引起反射，如图1所示。

这种信号反射的原理，与光从一种媒质进入另一种媒质要引起反射是相似的。

消除这种反射的方法，就必须在电缆的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻，使电缆的阻抗连续。

由于信号在电缆上的传输是双向的，因此，在通讯电缆的另一端可跨接一个同样大小的终端电阻，如图2所示。

从理论上分析，在传输电缆的末端只要跨接了与电缆特性阻抗相匹配的终端电阻，就再tyw藏书也不会出现信号反射现象。

但是，在实现应用中，由于传输电缆的特性阻抗与通讯波特率等应用环境有关，特性阻抗不可能与终端电阻完全相等，因此或多或少的信号反射还会存在。

引起信号反射的另个原因是数据收发器与传输电缆之间的阻抗不匹配。

这种原因引起的反射，主要表现在通讯线路处在空闲方式时，整个网络数据混乱。

信号反射对数据传输的影响，归根结底是因为反射信号触发了接收器输入端的比较器，使接收器收到了错误的信号，导致CRC校验错误或整个数据帧错误。

在信号分析，衡量反射信号强度的参数是RAF（RefectionAttenuationFactor反射衰减因子）。

它的计算公式如式

（1）。

RAF=20lg（Vref/Vinc）

（1）式中：

Vref反射信号的电压大小；Vinc在电缆与收发器或终端电阻连接点的入射信号的电压大小。

具体的测量方法如图3所示。

例如，由实验测得2.5MHz的入射信号正弦波的峰峰值为+5V，反射信号的峰峰值为+0.297V，则该通讯电缆在2.5MHz的通讯速率时，它的反射衰减因子为：

RAF=20lg（0.297/2.5）=24.52dB要减弱反射信号对通讯线路的影响，通常采用噪声抑制和加偏置电阻的方法。

在实际应用中，对于比较小的反射信号，为简单方便，经常采用加偏置电阻的方法。

在通讯线路中，如何通过加偏置电阻提高通讯可靠性的原理，后面将做详细介绍。

2、在通讯电缆中的信号衰减、在通讯电缆中的信号衰减第二个影响信号传输的因素是信号在电缆的传输过程中衰减。

一条传输电缆可以把它看出由分布电容、分布电感和电阻联合组成的等效电路，如图4所示。

电缆的分布电容C主要是由双绞线的两条平行导线产生。

导线的电阻在这里对信号的影响很小，可以忽略不计。

信号的损失主要是由于电缆的分布电容和分布电感组成的LC低通滤波器。

PROFIBUS用的LAN标准型二芯电感（西门子为DP总线选用的标准电缆），在不同波特率时的衰减系数如表1所示。

表1电缆的衰减系数tyw藏书3、在通讯电缆中的纯阻负载、在通讯电缆中的纯阻负载影响通讯性能的第三个因素是纯阻性负载（也叫直流负载）的大小。

这里指的纯阻性负载主要由终端电阻、偏置电阻和RS485收发器三者构成。

在叙述EIARS485规范时曾提到过RS485驱动器在带了32个节点，配置了150终端电阻的情况下，至少能输出1.5V的差分电压。

一个接收器的输入电阻为12k，整个网络的等效电路如图5所示。

按这样计算，RS485驱动器的负载能力为：

RL=32个输入电阻并联|2个终端电阻=（12000/32）（150/2）/（12000/32）+（150/2）51.7现在比较常用的RS485驱动器有MAX485、DS3695、MAX1488/1489以及和利时公司使用的SN75176A/D等，其中有的RS485驱动器负载能力可以达到20。

在不考虑其它诸多因素的情况下，按照驱动能力和负载的关系计算，一个驱动器可带节点的最大数量将远远大于32个。

在通讯波特率比较高的时候，在线路上偏置电阻是很有必要的。

偏置电阻的连接方法如图6。

它的作用是在线路进入空闲状态后，把总线上没有数据时（空闲方式）的电平拉离0电平，如图7。

这样一来，即使线路中出现了比较小的反射信号或干扰，挂接在总线上的数据接收器也不会由于这些信号的到来而产生误动作。

通过下面后例子了，可以计算出偏置电阻的大小：

终端电阻Rt1=Rr2=120；假设反射信号最大的峰峰值Vref0.3Vpp，则负半周的电压Vref0.15V;终端的电阻上由反射信号引起的反射电流Iref0.15/（120|120）=2.5mA。

一般RS485收发器（包括SN75176）的滞后电压值（hysteresisvalue）为50mV，即：

（IbiasIref）（Rt1|Rt2）50mV于是可以计算出偏置电阻产生的偏置电流Ibias3.33mA+5V=Ibias（R上拉+R下拉+（Rt1|Rt2））

（2）通过式2可以计算出R上拉=R下拉=720在实际应用中，RS485总线加偏置电阻有两种方法：

（1）把偏置电阻平衡分配给总线上的每一个收发器。

这种方法给挂接在RS485总线上的每一个收发器加了偏置电阻，给每一个收发器都加了一个偏置电压。

（2）在一段总线上只用一对偏置电阻。

这种方法对总线上存在大的反射信号或干扰信号比较有效。

值得注意的是偏置电阻的加入，增加了总线的负载。

tyw藏书三、三、RS485总线的负载能力和通讯电缆长度之间的关系总线的负载能力和通讯电缆长度之间的关系在设计RS485总线组成的网络配置（总线长度和带负载个数）时，应该考虑到三个参数：

纯阻性负载、信号衰减和噪声容限。

纯阻性负载、信号衰减这两个参数，在前面已经讨论过，现在要讨论的是噪声容限（NoiseMargin）。

RS485总线接收器的噪声容限至少应该大于200mV。

前面的论述者是在假设噪声容限为0的情况下进行的。

在实际应用中，为了提高总线的抗干扰能力，总希望系统的噪声容限比EIARS485标准中规定的好一些。

从下面的公式能看出总线带负载的多少和通讯电缆长度之间的关系：

Vend=0.8（VdriverVlossVnoiseVbias）（3）其中：

Vend为总线末端的信号电压，在标准测定时规定为0.2V；Vdriver为驱动器的输出电压（与负载数有关。

负载数在535个之间，Vdriver=2.4V；当负载数小于5，Vdriver=2.5V；当负载数大于35，Vdriver2.3V）；Vloss为信号在总线中的传输过程中的损耗（与通讯电缆的规格和长度有关），由表1提供的标准电缆的衰减系数，根据公式衰减系数b=20lg（Vout/Vin）可以计算出Vloss=VinVout=0.6V（注：

通讯波特率为9.6kbps，电缆长度1km，如果特率增加，Vloss会相应增大）；Vnoise为噪声容限，在标准测定时规定为0.1V；Vbias是由偏置电阻提供的偏置电压（典型值为0.4V）。

式（3）中乘以0.8是为了使通信电缆不进入满载状态。

从式（3）可以看出，Vdriver的大小和总线上带负载数的多少成反比，Vloss的大小和总线长度成反比，其他几个参数只和用的驱动器类型有关。

因此，在选定了驱动器的RS495总线上，在通信波特率一定的情况下，带负载数的多少，与信号能传输的最大距离是直接相关的。

具体关系是：

在总线允许的范围内，带负载数越多，信号能传输的距离就越小；带负载数据少，信号能传输的距离就发越远。

四、分布电容对四、分布电容对RS485总线传输性能的影响总线传输性能的影响电缆的分布电容主是由双绞线的两条平行导线产生。

另外，导线和地之间也存在分布电容，虽然很小，但在分析时也不能忽视。

分布电容对总线传输性能的影响，主要是因为总线上传输的是基波信号，信号的表达方式只有“1”和“0”。

在特殊的字节中，例如0x01，信号“0”使得分布电容有足够的充电时间，而信号“1”到来时，由于分布电容中的电荷，来不及放电，（Vin+）（Vin）还大于200mV，结果使接爱误认为是“0”，而最终导致CRC校验错误，整个数据帧传输错误。

具体过程如图8所示。

由于总线上分布影响，导致数据传输错误，从而使整个网络性能降低。

解决这个问题有两种方法：

（1）降低数据传输的波特率；

（2）使用分布电容小的电缆，提高传输线的质量。

tyw藏书485总线的工业设计应用指南总线的工业设计应用指南作为上世纪80年代早期批准的一个平衡传输标准，RS485似乎已成为工业界永不过时的接口标准。

关于它的文献有很多，但对于很少接触接口设计的系统工程师而言，如此海量的文献就有些让人吃不消了。

本文旨在讨论RS485标准的主要内容，为初接触它的设计师提供入门指南。

研究文末参考的一些附加应用笔记可进一步帮助设计师在最短的时间内完成一套可靠的数传设计。

1、RS485标准的用途标准的用途RS485只定义了用于平衡多点传输线的驱动器和接收器的电特性，因此很多更高层标准都将其作为物理层引用。

2、网络拓扑、网络拓扑总线节点以菊花链或总线拓扑方式联网。

（见图1）也就是说，每个节点都通过很短的线头连接到主线缆。

该接口总线通常设计为用于半双工传输，也就是说它只用一对信号线，驱动数据和接收数据只能在不同时刻出现在信号线上。

图1：

RS485总线结构（左）与半双工总线结构（右）。

这就需要通过方向控制信号（例如驱动器/接收器使能信号）控制节点操作的协议，以确保任何时刻总线上都只能有一个驱动器在活动，而必须避免多个驱动器同时访问总线导致总线竞争。

3、信号电平、信号电平RS485驱动器必需在54的负载上提供最小1.5V的差分输出，而RS485接收器则必需能检测到最小为200mv的差分输入（见图2）。

这两个值为可靠数据传输提供了足够的裕度，即便信号经过线缆和连接器发生严重衰减时亦如此。

而稳健性正是RS485适用于噪声环境的长距离联网的主要原因。

tyw藏书图2：

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