一文讀懂RS-232、RS-422及RS-485串行數據標準的選擇及使用

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

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(zhù)不同行業(yè)內串行數據標準的獨立發(fā)展，我們擁有的標準從未如此之多。

PC和電信應用領(lǐng)域最成功的串行數據標準可能就是RS-232。相類(lèi)似，RS-485和RS-422也在工業(yè)應用領(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用，往往必須在不同標準之間進(jìn)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換為另一種標準，并演示如何在相同應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上的調制解調器和打印機應用。然而，該標準現在支持各種外設與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(lái)，該標準幾經(jīng)變化，以支持較快的驅動(dòng)器，例如MAX3225E，該器件能提供1Mbps數據傳輸速率。為了兼容RS-232，MAX3225E等收發(fā)器必須滿(mǎn)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(lái)控制數據流。

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(dòng)范圍為正和負。注意左側坐標軸上0V蹤跡標記的相對位置。盡管RS-232數據為反相，從TTL/CMOS到RS-232然后再返回至TTL/CMOS的轉換恢復了數據的原始極性。RS-232的典型傳輸距離很少超過(guò)100英尺。原因有兩個(gè)：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(cháng)電纜的分布電容可能超過(guò)規定的最大負載(2500pF)，從而降低擺率。由于RS-232被設計為點(diǎn)對點(diǎn)接口，并非多節點(diǎn)接口，所以其驅動(dòng)器的指標為3kΩ至7kΩ單負載。因此，多節點(diǎn)接口應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(gè)RS-232鏈路上掛接多個(gè)從機接收器。

菊鏈設備及其限制

在菊鏈配置中，RS-232信號經(jīng)過(guò)第一個(gè)接收器，并環(huán)回至發(fā)送器。對數據發(fā)送線(xiàn)中之后的器件重復該配置。該項技術(shù)的主要問(wèn)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)送或接收數據。另一種多節點(diǎn)RS-232技術(shù)涉及到預緩沖或RS-232輸出升壓驅動(dòng)(使其驅動(dòng)多個(gè)并聯(lián)的5kΩ輸入)。

為避免菊鏈網(wǎng)絡(luò )相關(guān)的問(wèn)題，ADI開(kāi)發(fā)了MAX3322E/MAX3323E，專(zhuān)門(mén)設計用于多節點(diǎn)應用。這些獨特的器件采用了5kΩ邏輯開(kāi)關(guān)輸入電阻。器件未被選中時(shí)，其輸入電阻保持為高阻態(tài)，允許與共用總線(xiàn)上的其它器件繼續通信。

另一種解決菊鏈網(wǎng)絡(luò )問(wèn)題的方案是將RS-232 Rx和Tx信號轉換為RS-422信號(見(jiàn)表2)。RS-422為差分標準，允許傳輸距離長(cháng)得多。RS-422較高的輸入阻抗，與其較高驅動(dòng)能力相結合，允許連接多達10個(gè)節點(diǎn)(圖4)。RS-422的另一種優(yōu)勢是獨立的發(fā)送和接收通路，無(wú)需方向控制?？梢岳密浖?XON/OFF握手)或硬件(一組獨立的雙絞線(xiàn))實(shí)現器件之間必要的握手。MAX3162提供了RS-232和RS-422之間進(jìn)行信號轉換的經(jīng)濟途徑。更多信息請參見(jiàn)下文的RS-232/RS-485協(xié)議轉換器部分。

表 2. RS-422關(guān)鍵指標匯總

圖4. 典型RS-422系統允許差分傳輸線(xiàn)路上掛接多達10個(gè)接收器。

RS-485與RS-422的差異及其再應用中的使用

RS-422和RS-485收發(fā)器往往容易混淆，往往將其中一個(gè)當做另一個(gè)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用。由于RS-485滿(mǎn)足所有的RS-422規范(表3)，RS-485驅動(dòng)器可用于RS-422應用。然而，相反則不成立。RS-485驅動(dòng)器的共模輸出為-7V至+12V，而RS-422的共模范圍僅為±3V。RS-422驅動(dòng)器的最小接收器輸入電阻為4kΩ，而RS-485驅動(dòng)器則為12kΩ。

表3. RS-485關(guān)鍵指標匯總

為降低接線(xiàn)費用以及達到較長(cháng)的線(xiàn)長(cháng)，RS-485收發(fā)器已經(jīng)成為銷(xiāo)售終端、工業(yè)及電信應用領(lǐng)域廣泛采用的標準。RS-485較寬的共模范圍也支持較長(cháng)的線(xiàn)長(cháng)和較高的每節點(diǎn)輸入電阻，允許總線(xiàn)上連接較多的節點(diǎn)(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(cháng)的線(xiàn)長(cháng)。

差分RS-485傳輸(圖6)在雙絞線(xiàn)電纜的每一根線(xiàn)上產(chǎn)生相反的電流和磁場(chǎng)，交叉抵消每根線(xiàn)周?chē)姆聪虼艌?chǎng)，從而將輻射電磁干擾(EMI)降至最小。為了在較長(cháng)電纜或較高數據率下進(jìn)行傳輸，電纜作為傳輸線(xiàn)，并應利用電纜的特征阻抗進(jìn)行端接。RS-485連接的這個(gè)方面容易引起混淆。傳輸線(xiàn)需要端接嗎？如果需要，應如何端接？如果設計者不是最終用戶(hù)，這些問(wèn)題應該留給安裝方來(lái)解決嗎？對于大多數RS-485收發(fā)器，數據資料標出了電纜作為傳輸線(xiàn)時(shí)不端接和簡(jiǎn)單點(diǎn)對點(diǎn)端接之間的簡(jiǎn)單選擇(圖7)。A-B端子之間的端接電阻是無(wú)害的。默認情況下，應該在總線(xiàn)上最后一個(gè)收發(fā)器處對傳輸進(jìn)行端接。

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

圖7. 傳輸線(xiàn)端接電阻的選擇取決于具體應用。

失效保護

確定是否需要端接電阻僅僅是實(shí)現RS-485系統時(shí)面臨的問(wèn)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(xiàn)置于三態(tài)。所以，如果沒(méi)有信號驅動(dòng)總線(xiàn)，接收器輸出狀態(tài)則無(wú)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(kāi)始位，并嘗試讀取隨后的字節。由于不會(huì )發(fā)生停止位，所以結果就是成幀錯誤?？偩€(xiàn)變?yōu)闊o(wú)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(huì )產(chǎn)生不同的輸出信號。原型可能正常工作，但特定的節點(diǎn)在生產(chǎn)測試中卻失敗。為解決這一問(wèn)題，如圖7中多節點(diǎn)/失效保護端接所示，對總線(xiàn)進(jìn)行偏置。偏置總線(xiàn)，確?？偩€(xiàn)為三態(tài)時(shí)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(mén)限改為-50mV，確保差分輸入為0V時(shí)RO輸出為“1”。

RS-232/RS-485協(xié)議轉換器

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換。圖8所示的電路中，MAX3162配置為在點(diǎn)對點(diǎn)應用中雙向轉換RS-232和RS-485信號。

圖8. MAX3162在點(diǎn)對點(diǎn)應用中雙向轉換RS-232和RS-485信號。

圖9所示為MAX3162配置為RS-232/RS-485多節點(diǎn)協(xié)議轉換器。轉換方向由RTS信號R1IN控制。單端RS-232接收器輸入信號轉換為差分RS-485發(fā)送器輸出；類(lèi)似地，差分RS-485接收器輸入信號轉換為單端RS-232發(fā)送器輸出。R2IN上接收的RS-232數據在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(xiàn)為共用線(xiàn)，用于控制轉換RS-232和RS-485的電路總線(xiàn)方向。該線(xiàn)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，系統不確定UART發(fā)送緩沖器中的數據字節是否已發(fā)送，除非系統監測RS-485驅動(dòng)器的輸入DI。也就是說(shuō)，系統必須允許固定延時(shí)或主動(dòng)監測DI輸入，然后再使用DE輸入來(lái)改變總線(xiàn)方向。

其它方向控制技術(shù)包括使用微控制器以及利用數據驅動(dòng)DE輸入，同時(shí)輪詢(xún)A-B線(xiàn)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在多節點(diǎn)應用中雙向轉換RS-232和RS-485信號。

端口供電器件

許多RS-232至RS-485轉換器為“端口供電轉換器”，此時(shí)通過(guò)RS-232 RTS線(xiàn)(或者有時(shí)為RTS和CTS (DTR)線(xiàn)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(gè)端口供電轉換器與(比如) 100個(gè)RS-485端點(diǎn)配合使用時(shí)，就達不到RS-485的啟動(dòng)電壓。然而，較低的接收器門(mén)限(200mV)允許較好的誤差裕量。該技術(shù)被廣泛用于線(xiàn)路較短以及A-B端點(diǎn)間沒(méi)有端接電阻的系統。

熱插拔

電路板插入到正在工作或帶電背板時(shí)，對數據總線(xiàn)的差分干擾會(huì )造成數據錯誤。插入電路板時(shí)，數據通信處理器首先進(jìn)入其上電序列。在此期間，處理器邏輯輸出驅動(dòng)器為高阻態(tài)，不能將MAX3060E/MAX3080E的DE和/RE輸入驅動(dòng)到規定的邏輯電平。處理器邏輯驅動(dòng)器為高阻態(tài)時(shí)的漏電流高達±10mA，可能會(huì )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(huì )錯誤地使能收發(fā)器的驅動(dòng)器或接收器。