RS-232、RS-422與RS-485標準及應用 

一、RS-232串行接口標準

    目前RS-232是PC機與通信工業(yè)中應用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準。RS-232采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊收、發(fā)端的數據信號是相對于信號地，如從DTE設備發(fā)出的數據在使用DB25連接器時是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信號在正負電平之間擺動，在發(fā)送數據時，發(fā)送端驅動器輸出正電平在+5～+15V，負電平在-5～-15V電平。當無數據傳輸時，線上為TTL，從開始傳送數據到結束，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是為點對點（即只用一對收、發(fā)設備）通訊而設計的，其驅動器負載為3～7kΩ。所以RS-232適合本地設備之間的通信。

規(guī)定  RS232  RS422  R485 
工作方式  單端  差分  差分 
節(jié)點數  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大驅動輸出電壓  +/-25V  -0.25V～+6V  -7V～+12V 
驅動器輸出信號電平
（負載zui小值）  負載  +/-5V～+/-15V  +/-2.0V  +/-1.5V 
驅動器輸出信號電平
（空載zui大值）  空載  +/-25V  +/-6V  +/-6V 
驅動器負載阻抗（Ω）  3K～7K  100  54 
擺率（zui大值）  30V/μs  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（Ω）  3K～7K  4K（zui小）  ≥12K 
驅動器共模電壓   -3V～+3V  -1V～+3V 
接收器共模電壓   -7V～+7V  -7V～+12V 

二、RS-422與RS-485串行接口標準

1．平衡傳輸

    RS-422、RS-485與RS-232不一樣，數據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。通常情況下，發(fā)送驅動器A、B之間的正電平在+2～+6V，是一個邏輯狀態(tài)，負電平在-2～6V，是另一個邏輯狀態(tài)。另有一個信號地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)送驅動器與傳輸線的切斷與連接。當“使能”端起作用時，發(fā)送驅動器處于高阻狀態(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對應相連，當在收端AB之間有大于+200mV的電平時，輸出正邏輯電平，小于-200mV時，輸出負邏輯電平。接收器接收平衡線上的電平范圍通常在200mV至6V之間。

2．RS-422電氣規(guī)定
    RS-422標準全稱是“平衡電壓數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)送驅動器比RS232更強的驅動能力，故允許在相同傳輸線上連接多個接收節(jié)點，zui多可接10個節(jié)點。即一個主設備（Master），其余為從設備（Salve），從設備之間不能通信，所以RS-422支持點對多的雙向通信。接收器輸入阻抗為4k，故發(fā)端zui大負載能力是10×4k+100Ω（終接電阻）。RS-422四線接口由于采用單獨的發(fā)送和接收通道，因此不必控制數據方向，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

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遠端。

三、RS-422與RS-485的網絡安裝注意要點

    RS-422可支持10個節(jié)點，RS-485支持32個節(jié)點，因此多節(jié)點構成網絡。網絡拓撲一般采用終端匹配的總線型結構，不支持環(huán)形或星形網絡。在構建網絡時，應注意如下幾點：

    1．采用一條雙絞線電纜作總線，將各個節(jié)點串接起來，從總線到每個節(jié)點的引出線長度應盡量短，以便使引出線中的反射信號對總線信號的影響zui低。圖8所示為實際應用中常見的一些錯誤連接方式（a，c，e）和正確的連接方式（b，d，f）。a，c，e這三種網絡連接盡管不正確，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，會造成信號質量下降。

    2．應注意總線特性阻抗的連續(xù)性，在阻抗不連續(xù)點就會發(fā)生信號的反射。下列幾種情況易產生這種不連續(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，應該提供一條單一、連續(xù)的信號通道作為總線

四、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。接地處理不當往往會導致電子系統(tǒng)不能穩(wěn)定工作甚至危及系統(tǒng)安全。RS-422與RS-485傳輸網絡的接地同樣也是很重要的，因為接地系統(tǒng)不合理會影響整個網絡的穩(wěn)定性，尤其是在工作環(huán)境比較惡劣和傳輸距離較遠的情況下，對于接地的要求更為嚴格。否則接口損壞率較高。很多情況下，連接RS-422、RS-485通信鏈路時只是簡單地用一對雙絞線將各個接口的“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，這下面二個原因：

    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參照點來檢測信號，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，整個網絡才能正常工作。當網絡線路中共模電壓超出此范圍時就會影響通信的穩(wěn)定可靠，甚至損壞接口。以圖11為例，當發(fā)送驅動器A向接收器B發(fā)送數據時，發(fā)送驅動器A的輸出共模電壓為VOS，由于兩個系統(tǒng)具有各自獨立的接地系統(tǒng)，存在著地電位差VGPD。那么，接收器輸入端的共模電壓VCM就會達到VCM=VOS+VGPD。RS-422與RS-485標準均規(guī)定VOS≤3V，但VGPD可能會有很大幅度（十幾伏甚至數十伏），并可能伴有強干擾信號，致使接收器共模輸入VCM超出正常范圍，并在傳輸線路上產生干擾電流，輕則影響正常通信，重則損壞通信接口電路。

    2．（EMI）問題：發(fā)送驅動器輸出信號中的共模部分需要一個返回通路，如沒有一個低阻的返回通道（信號地），就會以輻射的形式返回源端，整個總線就會像一個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RS-422或RS-485網絡，必須有一條低阻的信號地。一條低阻的信號地將兩個接口的工作地連接起來，使共模干擾電壓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。當共模干擾源內阻較低時，會在接地線上形成較大的環(huán)路電流，影響正常通信。筆者認為，可以采取以下三種措施：
    （1） 如果干擾源內阻不是非常小，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，但只要控制在適當的范圍內就不會影響正常通信。
    （2） 采用浮地技術，隔斷接地環(huán)路。這是較常用也是十分有效的一種方法，當共模干擾內阻很小時上述方法已不能奏效，此時可以考慮將引入干擾的節(jié)點（例如處于惡劣的工作環(huán)境的現場設備）浮置起來，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，電路地必須與機殼或大地相連，不能懸浮，這時可以采用隔離接口來隔斷接地回路，但是仍然應該有一條地線將隔離側的公共端與其它接口的工作地相連。