摘要】文章介紹了多媒體中控系統(tǒng)各種串行接口的標(biāo)準(zhǔn)和工作原理，并結(jié)合作者的工作實(shí)踐，對(duì)不同串口之間的連接與 控制技術(shù)進(jìn)行了歸納和總結(jié)，提供了一些值得借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】RS-232 串行接口；RS-422 串行接口；RS-485 串行接口

【中圖分類(lèi)號(hào)】G431 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【論文編號(hào)】1009—8097（2009）01—0122—03

智能化控制系統(tǒng)中的中央控制主機(jī)實(shí)際上是一臺(tái)綜合處

理器，主要任務(wù)是處理信息、執(zhí)行信令和轉(zhuǎn)換格式，它以網(wǎng) 絡(luò)和自身的 NET 總線(xiàn)與各個(gè)設(shè)備相聯(lián)接，接受操控者發(fā)出的 控制信令，然后向各個(gè)延伸控制設(shè)備及被控設(shè)備發(fā)出控制指 令。主機(jī)主要通過(guò) IR、RS232 /RS422/RS485、RELAY I/O、 專(zhuān)用 NET、Network 等模式與各種電氣設(shè)備連接并進(jìn)行控制。

RS232 /RS422/RS485 就是當(dāng)前應(yīng)用最廣的串口連接與控 制技術(shù)，下面從其工作原理幾及應(yīng)用技術(shù)加以探討。

一 RS-232 串行接口工作原理

RS-232 是為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（即只用一對(duì)收、發(fā)設(shè)備）通訊而設(shè) 計(jì)的，其驅(qū)動(dòng)器負(fù)載為 3～7k? 采取不平衡傳輸方式，即所謂 單端通訊。 收、發(fā)端的數(shù)據(jù)信號(hào)是相對(duì)于信號(hào)地，如從 DTE 設(shè)備發(fā)出的數(shù)據(jù)在使用 DB25 連接器時(shí)是 2 腳相對(duì) 7 腳（信 號(hào)地）的電平，DB25 引腳定義參見(jiàn)圖 1。

典型的 RS-232 信號(hào)在正負(fù)電平之間擺動(dòng)，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)， 發(fā)送端驅(qū)動(dòng)器輸出正電平在+5～+15V，負(fù)電平在-5～-15V 電 平。當(dāng)無(wú)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，線(xiàn)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，所以其共 模抑制能力差，其傳送距離最大為約 15 米，最高速率為 20kb/s， 適合本地設(shè)備之間的通信。其有關(guān)電氣參數(shù)參見(jiàn)表 1。

目前較為常用的串口有 9針串口（DB9）和 25針串口（DB25），通信距離較近時(shí)（<12m），可以用電纜線(xiàn)直接連 接標(biāo)準(zhǔn) RS232 端口（RS422，RS485 較遠(yuǎn)），若距離較遠(yuǎn)，需附加調(diào)制解調(diào)器（MODEM）。最為簡(jiǎn)單且常用的是三線(xiàn)制 接法，即地、接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)三腳相連。首先，串口傳 輸數(shù)據(jù)只要有接收數(shù)據(jù)針腳和發(fā)送針腳就能實(shí)現(xiàn)：

（1）同一個(gè)串口的接收腳和發(fā)送腳直接用線(xiàn)相連， 對(duì) 9針串口連接器和 25 針串口連接器，均是 2 與 3 直接相連。

（2）串口連接器相連原則見(jiàn)表 2。表 2 是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)串行口而言的，還有許多非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，如接收 GPS 數(shù)據(jù)或電子羅盤(pán)數(shù) 據(jù)，只要記住一個(gè)原則：接收數(shù)據(jù)針腳（或線(xiàn)）與發(fā)送數(shù)據(jù)針 腳（或線(xiàn)）相連，彼此交叉，信號(hào)地對(duì)應(yīng)相接，就能萬(wàn)無(wú)一失。

二 RS-422 與 RS-485 串行接口工作原理

RS-422、RS-485 與 RS-232 不一樣，數(shù)據(jù)信號(hào)采用差分 傳輸方式，也稱(chēng)作平衡傳輸，它使用一對(duì)雙絞線(xiàn)，將其中一 線(xiàn)定義為 A，另一線(xiàn)定義為 B。 圖 2 是典型的 RS-422 四線(xiàn) 接口。實(shí)際上還有一根信號(hào)地線(xiàn)，共 5 根線(xiàn)。

RS422 和 RRS485 電路原理基本相同，都是以差分方式發(fā) 送和接受，不需要數(shù)字地線(xiàn)。差分工作是同速率條件下傳輸 距離遠(yuǎn)的根本原因，這正是二者與 RS232 的根本區(qū)別，因?yàn)?RS232 是單端輸入輸出，雙工工作時(shí)至少需要數(shù)字地線(xiàn)、發(fā) 送線(xiàn)和接受線(xiàn)三條線(xiàn)（異步傳輸），還可以加其它控制線(xiàn)完 成同步等功能。RS422 和 RRS485 通過(guò)兩對(duì)雙絞線(xiàn)可以全雙工工作收發(fā)互不影響，而 RS485 只能半雙工工作，發(fā)收不能同時(shí)進(jìn)行，但它只需要一對(duì)雙絞線(xiàn)。

通常情況下，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器 A、B 之間的正電平在+2～+6V， 是一個(gè)邏輯狀態(tài)，負(fù)電平在-2～6V，是另一個(gè)邏輯狀態(tài)。另 有一個(gè)信號(hào)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?！笆鼓堋倍耸怯糜诳刂瓢l(fā)送驅(qū)動(dòng)器與傳 輸線(xiàn)的切斷與連接。當(dāng)“使能”端起作用時(shí)，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器處于 高阻狀態(tài)，稱(chēng)作“第三態(tài)”，即它是有別于 RS-232 邏輯“1”與“0” 的第三態(tài)。

接收器也作與發(fā)送端相對(duì)的規(guī)定，收、發(fā)端通過(guò)平衡雙絞 線(xiàn)將 AA 與 BB 對(duì)應(yīng)相連，當(dāng)在收端 AB 之間有大于+200mV 的電平時(shí)，輸出正邏輯電平，小于-200mV 時(shí)，輸出負(fù)邏輯電 平。接收器接收平衡線(xiàn)上的電平范圍通常在 200mV 至 6V 之間。

RS-422 的最大傳輸距離為約 1200 米，最大傳輸速率為10Mb/s。其平衡雙絞線(xiàn)的長(zhǎng)度與傳輸速率成反比，在 100kb/s 速率以下，才可能達(dá)到最大傳輸距離。只有在很短的距離下 才能獲得最高速率傳輸。一般 100 米長(zhǎng)的雙絞線(xiàn)上所能獲得 的最大傳輸速率僅為 1Mb/s。

RS-422、RS-485 與 RS-232 有關(guān)電氣參數(shù)見(jiàn)表 3。

三 RS-422 與 RS-485 傳輸線(xiàn)路匹配問(wèn)題

對(duì) RS-422 與 RS-485 總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)一般要使用終接電阻進(jìn)行匹 配。但在短距離與低速率下可以不用考慮終端匹配。從理論上 講，在每個(gè)接收數(shù)據(jù)信號(hào)的中點(diǎn)進(jìn)行采樣時(shí)，只要反射信號(hào)在開(kāi)始采樣時(shí)衰減到足夠低就可以不考慮匹配。但這在實(shí)際上難 以掌握，美國(guó) MAXIM 公司有篇文章提到一條經(jīng)驗(yàn)性的原則可 以用來(lái)判斷在什么樣的數(shù)據(jù)速率和電纜長(zhǎng)度時(shí)需要進(jìn)行匹配： 當(dāng)信號(hào)的轉(zhuǎn)換時(shí)間超過(guò)電信號(hào)沿總線(xiàn)單向傳輸所需時(shí)間的 3 倍 以上時(shí)就可以不加匹配。例如具有限斜率特性的 RS-485 接口MAX483 輸出信號(hào)的上升或下降時(shí)間最小為 250ns，典型雙絞 線(xiàn)上的信號(hào)傳輸速率約為 0.2m/ns（24AWG PVC 電纜），那么 只要數(shù)據(jù)速率在 250kb/s 以?xún)?nèi)、電纜長(zhǎng)度不超過(guò) 16 米，采用 MAX483 作為 RS-485 接口時(shí)就可以不加終端匹配。

一般終端匹配采用終接電阻方法，終接電阻一般在 RS-422 網(wǎng)絡(luò)中取 100?，在 RS-485 網(wǎng)絡(luò)中取 120?。相當(dāng)于電 纜特性阻抗的電阻，因?yàn)榇蠖鄶?shù)雙絞線(xiàn)電纜特性阻抗大約在100～120?。這種匹配方法簡(jiǎn)單有效，但有一個(gè)缺點(diǎn)，匹配電 阻要消耗較大功率，對(duì)于功耗限制比較嚴(yán)格的系統(tǒng)不太適合。

四 RS-422 與 RS-485 的接地問(wèn)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(dāng)往往會(huì)導(dǎo)致電子系統(tǒng)不能穩(wěn)定工作甚至危及系統(tǒng)安全。很 多情況下，連接 RS-422、RS-485 通信鏈路時(shí)只是簡(jiǎn)單地用一 對(duì)雙絞線(xiàn)將各個(gè)接口的“A”、“B”端連接起來(lái)，而忽略了信號(hào) 地的連接，這種連接方法在許多場(chǎng)合是能正常工作的，但卻 埋下了很大的隱患，這有下面二個(gè)原因：

1共模干擾問(wèn)題

RS-422 與 RS-485 接口均采用差分方式傳輸信號(hào)方式，并 不需要相對(duì)于某個(gè)參照點(diǎn)來(lái)檢測(cè)信號(hào)，系統(tǒng)只需檢測(cè)兩線(xiàn)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(mǎn)足上述條件，整個(gè) 網(wǎng)絡(luò)才能正常工作。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)線(xiàn)路中共模電壓超出此范圍時(shí)就 會(huì)影響通信的穩(wěn)定可靠，甚至損壞接口。

2 EMI 問(wèn)題

發(fā)送驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào)中的共模部分需要一個(gè)返回通路，如沒(méi)有一個(gè)低阻的返回通道（信號(hào)地），就會(huì)以輻射的形式 返回源端，整個(gè)總線(xiàn)就會(huì)像一個(gè)巨大的天線(xiàn)向外輻射電磁波。

在實(shí)際應(yīng)用中，可以采取以下三種措施加以防范：

（1） 如果干擾源內(nèi)阻不是非常小，可以在接地線(xiàn)上加 限流電阻以限制干擾電流。接地電阻的增加可能會(huì)使共模電 壓升高，但只要控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)就不會(huì)影響正常通信。

（2） 采用浮地技術(shù)，隔斷接地環(huán)路。當(dāng)共模干擾內(nèi)阻 很小時(shí)上述方法不能奏效時(shí)，可以考慮將引入干擾的節(jié)點(diǎn)浮置起來(lái)（也就是系統(tǒng)的電路地與機(jī)殼或大地隔離），這樣就隔斷了接地環(huán)路，不會(huì)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(jī)殼或大地相連，不能懸浮，這時(shí) 可以采用隔離接口來(lái)隔斷接地回路，但是仍然應(yīng)該有一條地 線(xiàn)將隔離側(cè)的公共端與其它接口的工作地相連。

五 RS-422 與 RS-485 的瞬態(tài)保護(hù)

由于傳輸線(xiàn)對(duì)高頻信號(hào)而言就是相當(dāng)于電感。因此，在實(shí) 際應(yīng)用環(huán)境中存在高頻瞬態(tài)干擾的可能。高頻瞬態(tài)干擾時(shí)，接 地線(xiàn)實(shí)際等同于開(kāi)路。瞬態(tài)干擾雖然持續(xù)時(shí)間短暫，但可能會(huì) 有成百上千伏的電壓。所以，在切換大功率感性負(fù)載如電機(jī)、 變壓器、繼電器等或閃電過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生幅度很高的瞬態(tài)干 擾，如果不加以適當(dāng)防護(hù)就會(huì)損壞 RS-422 或 RS-485 通信接口。 對(duì)于這種瞬態(tài)干擾可以采用隔離或旁路的方法加以防護(hù)。

1隔離保護(hù)方法 這種方案實(shí)際上將瞬態(tài)高壓轉(zhuǎn)移到隔離接口中的電隔離層上，由于隔離層的高絕緣電阻，不會(huì)產(chǎn)生損害性的浪涌電 流，起到保護(hù)接口的作用。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是可以承受高電 壓、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的瞬態(tài)干擾，實(shí)現(xiàn)起來(lái)也比較容易，缺點(diǎn) 是成本較高。

2旁路保護(hù)方法

利用瞬態(tài)抑制元件（如 TVS、MOV、氣體放電管等）將 危害性的瞬態(tài)能量旁路到大地，優(yōu)點(diǎn)是成本較低，缺點(diǎn)是保 護(hù)能力有限，只能保護(hù)一定能量以?xún)?nèi)的瞬態(tài)干擾，持續(xù)時(shí)間 不能很長(zhǎng)，而且需要有一條良好的連接大地的通道，實(shí)現(xiàn)起 來(lái)比較困難。

實(shí)際應(yīng)用中是將上述兩種方案結(jié)合起來(lái)靈活加以運(yùn)用。 在這種方法中，隔離接口對(duì)大幅度瞬態(tài)干擾進(jìn)行隔離，旁路 元件則保護(hù)隔離接口不被過(guò)高的瞬態(tài)電壓擊穿。

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