串行通信接口标准简介

1.RS-232C串行接口标准

目前，较常用的串行通信总线接口是1969年由美国电子工业协会（Electronic Industries Association，EIA）所推荐的RS-232C。“RS”是英文“推荐标准”一词的缩写，“232”是标识号，“C”表示此标准修改的次数。它既是一种协议标准，又是一种电气标准，它规定了终端和通信设备之间信息交换的方式和功能。

（1）电平结构

RS-232C的每个引脚线的信号规定和电平规定的均是标准化的，RS-232C采用负逻辑电平，规定了DC-3～-15V为逻辑1，DC+3～+15V为逻辑0，如图9-4所示。

根据RS-232C通信接口的电气特性，其信号电平与通常的TTL电平不兼容，所以要外加电路实现电平转换。

目前RS-232C是PC与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。RS-232C被定义为一种在低速率串行通信的单端标准。RS-232C以非平衡数据传输（Unbalanced Data Transmission）的界面方式，这种方式是以一根信号线相对于接地信号线的电压来表示一个逻辑状态Mark或Space，图9-5为一个典型的连接方式。

（2）特点

RS-232C是全双工传输模式，具有各自独立的传送（TD）及接收（RD）信号线与一根接地信号线。

图9-4 RS-232C逻辑电平

图9-5 RS-232C典型的连接方式

RS-232C可使用9针或25针的D型连接器，表9-9列出了RS-232C接口各引脚信号定义。PLC一般采用9针的连接器。

表9-4 RS-232C接口各引脚信号定义

RS-232C连接线的长度问题，标准规范是不可超过50ft（1ft=30.48cm）或者是电容值不可超过2500pF。如果以电容值为标准，一般连接线典型电容值的17pF/ft，则容许的连接线长度为147ft（约44m）。如果是有屏蔽的连接线，则它的容许长度会更长。在有干扰的环境连接线的容许长度会减少。

（3）缺点

在通信距离较近、波特率要求不高的场合可以直接采用，既简单又方便。但是，由于RS-232C接口采用单端发送、单端接收，所以在使用中有数据通信速率低、通信距离近、抗共模干扰能力差等缺点。由于RS-232C接口标准出现较早，难免有不足之处，主要有以下几点：

1）接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片。

2）传输速率较低，在异步传输时，波特率为20kbit/s。

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，当波特率提高，其抗干扰的能力会成倍数地下降。

4）其传输距离有限。

2.RS-422串行接口标准

RS-422与RS-232C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，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，RS-422电平如图9-6所示。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，如图9-7所示。

在接收器与发送器中，收、发端通过平衡双绞线将AA与BB对应地相连，当在接收端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～6V之间，如图9-8所示。

图9-6 RS-422逻辑电平

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图9-7 RS-422使能信号图

图9-8 带使能端的逻辑电平

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9-9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。由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器有比RS-232C更强的驱动能力，因此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（Master）设备，其余为从（Salve）设备，从设备之间不能通信，所以RS-422支持点对多点的双向通信，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，各装置之间任何必需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9-9 典型RS-422连线

RS-422的最大传输距离为1219m，最大传输速率为10Mbit/s。其平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kbit/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传输速率。一般100m长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为1Mbit/s。RS-422需要一个终接电阻，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300m以下不需终接电阻。终接电阻接在传输电缆的最远端。

3.RS-485串行接口标准

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可以采用两线或四线方式，见表9-5。两线制可实现真正的多点双向通信，其中的使能信号控制数据的发送或接收。

表9-5 RS-485引脚说明

（1）RS-485的电气特性

逻辑“1”以两线间的电压差为+2～+6V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为－2～－6V表示，RS-485的数据最高传输速率为10Mbit/s，RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好。

（2）RS-485的特点

它的最大传输距离标准值为1219m，实际上可达3000m，另外RS-232C接口在总线上只允许连接1个收发器，即只具有单站能力。而RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器，即具有多站能力，这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。因RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性、长的传输距离和多站能力等优点，故使其成为首选的串行接口。因为RS485接口组成的半双工网络，一般只需两根连线，所以RS-485接口均采用屏蔽双绞线传输。

（3）RS-422A和RS-485及其应用

RS-485实际上是RS-422A的变形，它与RS-422A不同点在于RS-422A为全双工，RS-485为半双工，RS-422A采用两对平衡差分信号线，而RS-485只需其中一对。RS-485在多站互连中应用是十分方便的，这是它的明显优点，在点对点远程通信时，其电气连线如图9-10所示。这个电路可以构成RS-422A串行接口（按图中虚线连接），也可以构成RS-485串行接口（按图中实线连接），RS-485串行接口在PLC局域网中应用很普遍。

图9-10 RS-422A/485互连方案

注意：由于RS-485互连网络采用半双工通信方式，故在某一时刻，两个站中只有一个站可以发送数据，而另一个站只能接收数据，因此发送电路必须有使能信号加以控制。

RS-485串行接口用于多站互连，非常方便，可以节省昂贵的信号线，还可以高速进行远距离传送数据，因此将它们连网构成分布式控制系统非常方便。

（4）RS-232C/422A转换电路

在工程应用中，有时为把远距离（如数百米）的两台或多台带有RS-232C接口的设备连接起来进行通信或组成分散式系统，这时不能直接用RS-232C串行接口直接连接，但可以采用RS-232C/422A转换电路进行连接，即在现有的RS-232C串行接口上附加转换电路，如图9-11所示。

图9-11 RS-232C/422A转换装置原理电路

为了更好地理解以上几种通信方式，三种通信接口特点的比较见表9-6。

表9-6 三种通信接口特点的比较