串口通讯RS232RS422RS485详解.docx
《串口通讯RS232RS422RS485详解.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《串口通讯RS232RS422RS485详解.docx（24页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
串口通讯RS232RS422RS485详解
串口通讯—RS232、RS422、RS485详解
串行通信接口标准经过使用和发展，目前已经有几种。
RS-232、RS-422与RS-485都是串行数据接口标准，最初都是由电子工业协会（EIA）制订并发布的，RS-232在1962年发布，命名为EIA-232-E，作为工业标准，以保证不同厂家产品之间的兼容。
RS-422由RS-232发展而来，它是为弥补RS-232之不足而提出的。
为改进RS-232通信距离短、速率低的缺点，RS-422定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到10Mb/s，传输距离延长到4000英尺（速率低于100kb/s时），并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器。
RS-422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范，被命名为TIA/EIA-422-A标准。
为扩展应用范围，EIA又于1983年在RS-422基础上制定了RS-485标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，后命名为TIA/EIA-485-A标准。
由于EIA提出的建议标准都是以“RS”作为前缀，所以在通讯工业领域，仍然习惯将上述标准以RS作前缀称谓。
RS-232、RS-422与RS-485标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。
因此在视频界的应用，许多厂家都建立了一套高层通信协议，或公开或厂家独家使用。
如录像机厂家中的Sony与松下对录像机的RS-422控制协议是有差异的，视频服务器上的控制协议则更多了，如Louth、Odetis协议是公开的，而ProLINK则是基于Profile上的。
在讨论RS-232C接口标准的内容之前，先说明两点：
首先，RS-232-C标准最初是远程通信连接数据终端设备DTE（DataTerminalEquipment）与数据通信设备DCE（DataCommunicationEquipment）而制定的。
因此这个标准的制定，并未考虑计算机系统的应用要求。
但目前它又广泛地被借来用于计算机（更准确的说，是计算机接口）与终端或外设之间的近端连接标准。
显然，这个标准的有些规定及和计算机系统是不一致的，甚至是相矛盾的。
有了对这种背景的了解，我们对RS-232C标准与计算机不兼容的地方就不难理解了。
其次，RS-232C标准中所提到的“发送”和“接收”，都是站在DTE立场上，而不是站在DCE的立场来定义的。
由于在计算机系统中，往往是CPU和I/O设备之间传送信息，两者都是DTE，因此双方都能发送和接收。
一、RS-232-C
RS-232C标准（协议）的全称是EIA-RS-232C标准，其中EIA（ElectronicIndustryAssociation）代表美国电子工业协会，RS（ecommededstandard）代表推荐标准，232是标识号，C代表RS232的最新一次修改（1969），在这之前，有RS232B、RS232A。
。
它规定连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。
常用物理标准还有有EIA�RS-232-C、EIA�RS-422-A、EIA�RS-423A、EIA�RS-485。
这里只介绍EIA�RS-232-C（简称232，RS232）。
例如，目前在IBMPC机上的COM1、COM2接口，就是RS-232C接口。
1.电气特性
EIA-RS-232C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）=-3V～-15V
逻辑0（SPACE）=+3～＋15V
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）=-3V～-15V
此主题相关图片如下：
图1
以上规定说明了RS-323C标准对逻辑电平的定义。
对于数据（信息码）：
逻辑“1”（传号）的电平低于-3V，逻辑“0”（空号）的电平告语+3V；对于控制信号；接通状态（ON）即信号有效的电平高于+3V，断开状态（OFF）即信号无效的电平低于-3V，也就是当传输电平的绝对值大于3V时，电路可以有效地检查出来，介于-3～+3V之间的电压无意义，低于-15V或高于+15V的电压也认为无意义，因此，实际工作时，应保证电平在±（3～15）V之间。
EIA-RS-232C与TTL转换：
EIA-RS-232C是用正负电压来表示逻辑状态，与TTL以高低电平表示逻辑状态的规定不同。
因此，为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接，必须在EIA-RS-232C与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。
实现这种变换的方法可用分立元件，也可用集成电路芯片。
目前较为广泛地使用集成电路转换器件，如MC1488、SN75150芯片可完成TTL电平到EIA电平的转换，而MC1489、SN75154可实现EIA电平到TTL电平的转换。
MAX232芯片可完成TTL←→EIA双向电平转换，图1显示了1488和1489的内部结构和引脚。
MC1488的引脚
（2）、（4,5）、（9,10）和（12,13）接TTL输入。
引脚3、6、8、11输出端接EIA-RS-232C。
MC1498的14的1、4、10、13脚接EIA输入，而3、6、8、11脚接TTL输出。
具体连接方法如图2所示。
图中的左边是微机串行接口电路中的主芯片UART，它是TTL器件，右边是EIA-RS-232C连接器，要求EIA高电压。
因此，RS-232C所有的输出、输入信号都要分别经过MC1488和MC1498转换器，进行电平转换后才能送到连接器上去或从连接器上送进来。
此主题相关图片如下：
图2
2、连接器的机械特性：
连接器：
由于RS-232C并未定义连接器的物理特性，因此，出现了DB-25、DB-15和DB-9各种类型的连接器，其引脚的定义也各不相同。
下面分别介绍两种连接器。
（1）DB-25：
PC和XT机采用DB-25型连接器。
DB-25连接器定义了25根信号线，分为4组：
①异步通信的9个电压信号（含信号地SG）2，3，4，5，6，7，8，20，22
②20mA电流环信号9个（12，13，14，15，16，17，19,23，24）
③空6个（9，10，11，18，21，25）
④保护地（PE）1个，作为设备接地端（1脚）
DB-25型连接器的外形及信号线分配如图3所示。
注意，20mA电流环信号仅IBMPC和IBMPC/XT机提供，至AT机及以后，已不支持。
此主题相关图片如下：
图3
（2）DB-9连接器
在AT机及以后，不支持20mA电流环接口，使用DB-9连接器，作为提供多功能I/O卡或主板上COM1和COM2两个串行接口的连接器。
它只提供异步通信的9个信号。
DB-25型连接器的引脚分配与DB-25型引脚信号完全不同。
因此，若与配接DB-25型连接器的DCE设备连接，必须使用专门的电缆线。
电缆长度：
在通信速率低于20kb/s时，RS-232C所直接连接的最大物理距离为15m（50英尺）。
最大直接传输距离说明：
RS-232C标准规定，若不使用MODEM，在码元畸变小于4%的情况下，DTE和DCE之间最大传输距离为15m（50英尺）。
可见这个最大的距离是在码元畸变小于4%的前提下给出的。
为了保证码元畸变小于4%的要求，接口标准在电气特性中规定，驱动器的负载电容应小于2500pF。
3、RS-232C的接口信号
RS-232C规标准接口有25条线，4条数据线、11条控制线、3条定时线、7条备用和未定义线，常用的只有9根，它们是：
（1）联络控制信号线：
数据装置准备好（Datasetready-DSR）——有效时（ON）状态，表明MODEM处于可以使用的状态。
数据终端准备好（Datasetready-DTR）——有效时（ON）状态，表明数据终端可以使用。
这两个信号有时连到电源上，一上电就立即有效。
这两个设备状态信号有效，只表示设备本身可用，并不说明通信链路可以开始进行通信了，能否开始进行通信要由下面的控制信号决定。
请求发送（Requesttosend-RTS）——用来表示DTE请求DCE发送数据，即当终端要发送数据时，使该信号有效（ON状态），向MODEM请求发送。
它用来控制MODEM是否要进入发送状态。
允许发送（Cleartosend-CTS）——用来表示DCE准备好接收DTE发来的数据，是对请求发送信号RTS的响应信号。
当MODEM已准备好接收终端传来的数据，并向前发送时，使该信号有效，通知终端开始沿发送数据线TxD发送数据。
这对RTS/CTS请求应答联络信号是用于半双工MODEM系统中发送方式和接收方式之间的切换。
在全双工系统中作发送方式和接收方式之间的切换。
在全双工系统中，因配置双向通道，故不需要RTS/CTS联络信号，使其变高。
接收线信号检出（ReceivedLinedetection-RLSD）——用来表示DCE已接通通信链路，告知DTE准备接收数据。
当本地的MODEM收到由通信链路另一端（远地）的MODEM送来的载波信号时，使RLSD信号有效，通知终端准备接收，并且由MODEM将接收下来的载波信号解调成数字两数据后，沿接收数据线RxD送到终端。
此线也叫做数据载波检出（DataCarrierdectection-DCD）线。
振铃指示（Ringing-RI）——当MODEM收到交换台送来的振铃呼叫信号时，使该信号有效（ON状态），通知终端，已被呼叫。
（2）数据发送与接收线：
发送数据（Transmitteddata-TxD）——通过TxD终端将串行数据发送到MODEM，（DTE→DCE）。
接收数据（Receiveddata-RxD）——通过RxD线终端接收从MODEM发来的串行数据，（DCE→DTE）。
（3）地线
有两根线SG、PG——信号地和保护地信号线，无方向。
上述控制信号线何时有效，何时无效的顺序表示了接口信号的传送过程。
例如，只有当DSR和DTR都处于有效（ON）状态时，才能在DTE和DCE之间进行传送操作。
若DTE要发送数据，则预先将DTR线置成有效（ON）状态，等CTS线上收到有效（ON）状态的回答后，才能在TxD线上发送串行数据。
这种顺序的规定对半双工的通信线路特别有用，因为半双工的通信才能确定DCE已由接收方向改为发送方向，这时线路才能开始发送。
2个数据信号：
发送TXD；接收RXD。
1个信号地线：
SG。
6个控制信号：
DSR��数传机（即modem）准备好，DataSetReady.
DTR��数据终端（DTE，即微机接口电路，如Intel8250/8251,16550）准备好，DataTerminalReady。
RTS��DTE请求DCE发送（RequestToSend）。
CTS��DCE允许DTE发送（ClearToSend）,该信号是对RTS信号的回答。
DCD��数据载波检出，DataCarrierDetection当本地DCE设备（Modem）收到对方的DCE设备送来的载波信号时，使DCD有效，通知DTE准备接收，并且由DCE将接收到的载波信号解调为数字信号，经RXD线送给DTE。
RI��振铃信号Ringing当DCE收到交换机送来的振铃呼叫信号时，使该信号有效，通知DTE已被呼叫。
232引脚
CCITT
Modem
名称
说明
用途
异步
同步
1
101
AA
保护地
设备外壳接地
PE
PE√
2
103
BA
发送数据
数据送Modem
TXD
3
104
BB
接收数据
从Modem接收数据
RXD
4
105
CA
请求发送
在半双工时控制发送器的开和关
RTS
5
106
CB
允许发送
Modem允许发送
CTS
6
107
CC
数据终端准备好
Modem准备好
DSR
7
102
AB
信号地
信号公共地
SG
SG√
8
109
CF
载波信号检测
Modem正在接收另一端送来的信号
DCD
9
空
10
空
11
空
12
接收信号检测
（2）
在第二通道检测到信号
√
13
允许发送
（2）
第二通道允许发送
√
14
118
发送数据
（2）
第二通道发送数据
√
15
113
DA
发送器定时
为Modem提供发送器定时信号
√
16
119
接收数据
（2）
第二通道接收数据
√
17
115
DD
接收器定时
为接口和终端提供定时
√
18
空
19
请求发送
（2）
连接第二通道的发送器
√
20
108
CD
数据终端准备好
数据终端准备好
DTR
21
空
22
125
振铃
振铃指示
RI
23
111
CH
数据率选择
选择两个同步数据率
√
24
114
DB
发送器定时
为接口和终端提供定时
√
25
空
3．远距离通信
第1和第2中情况是属于远距离通信（传输距离大于15m的通信）的例子，故一般要加调制解调器MODEM，因此使用的信号线较多。
注意：
在以下各图中，DTE信号为RS-232-C信号，DTE与计算机间的电平转换电路未画出。
1、采用Modem（DCE）和电话网通信时的信号连接：
若在双方MODEM之间采用普通电话交换线进行通信，除了需要2～8号信号线外还要增加RI（22号）和DTR（20号）两个信号线进行联络，如图1所示。
此主题相关图片如下：
图1
DSR、DTR：
数传机（DCE）准备好、数据终端（DTE）准备好，只表示设备本身可用。
首先，通过电话机拔号呼叫对方，电话交换台向对方发出拔号呼叫信号，当对方DCE收到该信号后，使RI（振铃信号）有效，通知DTE，已被呼叫。
当对方“摘机”后，两方建立了通信链路。
若计算机要发送数据至对方，首先通过接口电路（DTE）发出RTS（请求发送）信号。
此时，若DCE（Modem）允许传送，则向DTE回答CTS（允许发送）信号。
一般可直接将RTS/CTS接高电平，即只要通信链路已建立，就可传送信号。
（RTS/CTS可只用于半双工系统中作发送方式和接收方式的切换。
当DTE获得CTS信号后，通过TXD线向DCE发出串行信号，DCE（Modem）将这些数字信号调制成模拟信号（又称载波信号），传向对方。
计算机向DTE“数据输出寄存器”传送新的数据前，应检查Modem状态和数据输出寄存器为空。
当对方的DCE收到载波信号后，向对方的DTE发出DCD信号（数据载波检出），通知其DTE准备接收，同时，将载波信号解调为数据信号，从RXD线上送给DTE，DTE通过串行接收移位寄存器对接收到的位流进行移位，当收到1个字符的全部位流后，把该字符的数据位送到数据输入寄存器，CPU可以从数据输入寄存器读取字符。
2、采用专用电话线通信：
在通信双方的MODEM之间采用电话线进行通信，则只要使用2～8号信号线进行联络与控制。
不需要电话机、振铃信号RI和DTR信号，其信号线的连接如图2那样。
此主题相关图片如下：
图2
4.近距离通信：
当通信距离较近时，可不需要Modem，通信双方可以直接连接，这种情况下，只需使用少数几根信号线。
最简单的情况，在通信中根本不需要RS-232C的控制联络信号，只需三根线（发送线、接收线、信号地线）便可实现全双工异步串行通信，即是这里要讨论的第一种情况。
无Modem时，最大通信距离按如下方式计算：
RS-232C标准规定：
当误码率小于4%时，要求导线的电容值应小于2500PF。
对于普通导线，其电容值约为170PF/M。
则允许距离L=2500PF/（170PF/M）=15M
这一距离的计算，是偏于保守的，实际应用中，当使用9600bps，普通双绞屏蔽线时，距离可达30~35米。
1、零Modem的最简连线（3线制）
图3是零MODEM方式的最简单连接（即三线连接），图中的2号线与3号线交叉连接是因为在直连方式时，把通信双方都当作数据终端设备看待，双方都可发也可收。
在这种方式下，通信双方的任何一方，只要请求发送RTS有效和数据终端准备好DTR有效就能开始发送和接收。
此主题相关图片如下：
图3
（1）RTS与CTS互联：
只要请求发送，立即得到允许
（2）DTR与DSR互联：
只要本端准备好，认为本端立即可以接收（DSR、数传机准备好）。
2、零Modem标准连接：
如果想在直接连接时，而又考虑到RS-232C的联络控制信号，则采用零MODEM方式的标准连接方法，其通信双方信号线安排如下1-2-3-4-5顺序所演示的那样。
无Modem的标准联线（7线制）如图所示：
从中可以看出，RS-232C接口标准定义的所有信号线都用到了，并且是按照DTE和DCE之间信息交换协议的要求进行连接的，只不过是把DTE自己发出的信号线送过来，当作对方DCE发来的信号，因此，又把这种连接称为双叉环回接口。
双方的握手信号关系如下（注：
甲方乙方并未在图中标出）：
（1）当甲方的DTE准备好，发出DTR信号，该信号直接联至乙方的RI（振铃信号）和DSR（数传机准备好）。
即只要甲方准备好，乙方立即产生呼叫（RI）有效，并同时准备好（DSR）。
尽管此时乙方并不存在DCE（数传机）。
（2）甲方的RTS和CTS相连，并与乙方的DCD互连。
即：
一旦甲方请求发送（RTS），便立即得到允许（CTS），同时，使乙方的DCD有效，即检测到载波信号。
（3）甲方的TXD与乙方的RXD相连，一发一收。
此主题相关图片如下：
1
此主题相关图片如下：
2
此主题相关图片如下：
3
二．RS-422与RS-485串行接口标准
1．平衡传输
RS-422、RS-485与RS-232不一样，数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为B，如图2。
图2
通常情况下，发送驱动器A、B之间的正电平在+2～+6V，是一个逻辑状态，负电平在-2～6V，是另一个逻辑状态。
另有一个信号地C，在RS-485中还有一“使能”端，而在RS-422中这是可用可不用的。
“使能”端是用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。
当“使能”端起作用时，发送驱动器处于高阻状态，称作“第三态”，即它是有别于逻辑“1”与“0”的第三态。
接收器也作与发送端相对的规定，收、发端通过平衡双绞线将AA与BB对应相连，当在收端AB之间有大于+200mV的电平时，输出正逻辑电平，小于-200mV时，输出负逻辑电平。
接收器接收平衡线上的电平范围通常在200mV至6V之间。
参见图3。
2．RS-422电气规定
RS-422标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”，它定义了接口电路的特性。
图5是典型的RS-422四线接口。
实际上还有一根信号地线，共5根线。
图4是其DB9连接器引脚定义。
由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器比RS232更强的驱动能力，故允许在相同传输线上连接多个接收节点，最多可接10个节点。
即一个主设备（Master），其余为从设备（Salve），从设备之间不能通信，所以RS-422支持点对多的双向通信。
接收器输入阻抗为4k，故发端最大负载能力是10×4k+100Ω（终接电阻）。
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）实现。
图4图5
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-422有关电气参数见表1
3．RS-485电气规定
由于RS-485是从RS-422基础上发展而来的，所以RS-485许多电气规定与RS-422相仿。
如都采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终接电阻等。
RS-485可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信，参见图6。
而采用四线连接时，与RS-422一样只能实现点对多的通信，即只能有一个主（Master）设备，其余为从设备，但它比RS-422有改进，无论四线还是二线连接方式总线上可多接到32个设备。
参见图7。
图6图7
RS-485与RS-422的不同还在于其共模输出电压是不同的，RS-485是-7V至+12V之间，而RS-422在-7V至+7V之间，RS-485接收器最小输入阻抗为12k，RS-422是4k；RS-485满足所有RS-422的规范，所以RS-485的驱动器可以用在RS-422网络中应用。
RS-485有关电气规定参见表1。
RS-485与RS-422一样，其最大传输距离约为1219米，最大传输速率为10Mb/s。
平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。
只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。
一般100米长双绞线最大传输速率仅为1Mb/s。
RS-485需要2个终接电阻，其阻值要求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。
终接电阻接在传输总线的两端。
三．RS-422与RS-485的网络安装注意要点
RS-422可支持10个节点，RS-485支持32个节点，因此多节点构成网络。
升级会员 