串口通信接口标准 RS232/422/485

串口通信接口标准

RS232、RS422、R485

目录

串口通信接口标准 4

1 RS232 4

1.1 引言 4

1.2 协议原理 4

1.3 电平标准 5

1.4 应用场景 5

1.5 优缺点 6

1.5.1 优点 6

1.5.2 缺点 6

2 RS422 7

2.1 背景介绍 7

2.2 协议原理 7

2.2.1 差分信号传输 7

2.2.2 电平标准 8

2.3 应用场景 8

3 RS485 9

3.1 发展背景 9

3.2 协议原理 9

3.3 电平标准 9

3.4 应用场景 10

4 总结 10

图 1 RS232通信协议数据帧 4

图 2 RS232 9线引脚图 4

图 3 RS232传输示意图 5

图 4 RS232应用场景 6

图 5 差分传输示意图 7

图 6 RS422接线示意图 8

图 7 RS485接线示意图 9

串口通信接口标准

RS232

引言

RS232（Recommended Standard 232）是电子工业协会（EIA）在1960年代早期制定的一种串行通信接口标准，旨在规范数据终端设备（DTE）与数据通信设备（DCE）之间的连接和通信方式。RS232经历了多个版本的迭代和发展，最著名的版本之一是RS-232C，成为了广泛接受的标准。

协议原理

RS232工作原理基于异步串行通信，数据以比特（bit）的形式逐位传输。RS232标准定义了25根线，通常通过DB25接口连接。然而，在实际应用中，更常见的是使用DB9串口接头，其中仅需3条至9条信号线（了解）即可实现全双工通信。特别是，仅需三条基本信号线：接收线（RXD）、发送线（TXD）和地线（GND），就能完成简单的全双工通信过程。

如图1所示，其数据传输的过程包括起始位、数据位（5~8）、奇偶校验位和停止位。

图 1 RS232通信协议数据帧

图 2 RS232 9线引脚图

数据终端准备好（DTR）：DTR信号用于指示数据终端设备（如计算机）已准备好进行通信。

数据设备准备好（DSR）：DSR信号用于指示数据通信设备（如调制解调器）已准备好进行通信。

请求发送（RTS）：RTS信号用于请求发送数据。它由数据终端设备发送，表示它希望发送数据。

清除发送（CTS）：CTS信号用于清除发送数据。它由数据通信设备发送，表示它已准备好接收数据。

数据载波检测（DCD）：DCD信号用于检测数据载波。它由数据通信设备发送，表示它已检测到数据载波。

发送数据（TXD）：TXD信号用于发送数据。它由数据终端设备发送，表示实际的数据流。

接收数据（RXD）：RXD信号用于接收数据。它由数据通信设备接收，表示实际的数据流。

振铃指示引脚（RI）：它的主要作用是当调制解调器接收到电话线路的振铃信号时，RI引脚会被激活，向连接的设备（如计算机）发出信号，表示有电话呼叫进来

电平标准

RS232使用电压水平来表示二进制数据。逻辑“1”通常由负电压表示（范围大约是-3V到-15V），而逻辑“0”则由正电压表示（范围大约是+3V到+15V）。这种表示方式被称为单端信号，如下图所示。

图 3 RS232传输示意图

应用场景

RS-232协议在多个领域有广泛应用，以下是一些常见的应用场景：

1. 计算机与调制解调器通信：这是RS-232协议最初的应用场景。通过RS-232接口，计算机可以与调制解调器通信，实现数据的远程传输。
2. 工业自动化：在工业自动化领域，RS-232协议用于连接各种设备，如PLC、传感器、执行器等。它的稳定性和可靠性使其成为工业通信的首选。
3. 医疗设备：医疗设备对数据传输的可靠性要求极高，RS-232协议在医疗设备之间的数据传输中得到了广泛应用，如心电图机、血压计等。
4. 消费电子：在消费电子领域，RS-232协议用于连接各种设备，如电视、音响、游戏机等。它的简单性和兼容性使其成为消费电子通信的理想选择。
5. 嵌入式系统开发：在嵌入式系统开发中，RS-232协议用于调试和通信。开发者可以通过RS-232接口与嵌入式设备通信，进行调试和数据传输。

图 4 RS232应用场景

优缺点

优点

1. 简单易用：RS-232协议的工作原理简单，易于理解和实现。它的硬件和软件实现都相对简单，适合初学者和小型项目。
2. 低成本：RS-232接口的硬件成本低，适合大规模生产和应用。它的电路设计简单，制造成本低。

缺点

1. RS-232协议的传输速率相对较低，最高仅为115.2kbps。
2. RS-232协议的传输距离有限，最长仅为15米。超过这个距离，信号会衰减。
3. RS-232协议只支持点对点通信，无法实现多设备之间的通信。

RS422

背景介绍

RS232虽然在短距离内表现良好，但其单端信号传输方式限制了它的有效传输距离，并使其容易受到电磁干扰的影响。RS422标准是在这样的背景下发展起来的，旨在通过使用差分信号传输来提高数据传输的可靠性和距离，同时其传输速度最高可达高达10Mbps的传输速率。差分信号能够更好地抵抗共模噪声，这使得RS422非常适合于工业环境等噪声较大的场合。

协议原理

差分信号传输

RS422采用一对双绞线来传输每个信号，一条用于正相（+），另一条用于反相（-）。当发送逻辑“1”时，正相信号线上的电压会比负相信号高出一个特定值；由于使用差分信号，RS422能够有效地抵抗共模干扰，即两条线路上同时受到相同方向的干扰信号影响时，接收器只关心两者之间的电压差异，从而减少甚至消除这种干扰对信号的影响，因此其传输距离最高可达1200 m。

图 5 差分传输示意图

RS422协议通常是一个四线制接口标准，设计用于支持全双工通信。这意味着它使用四根导线来完成数据的发送和接收：两根用于发送（Tx+ 、 Tx-）和两根用于接收（Rx+ 、 Rx-）。S422最常以四线制的形式出现，用于实现全双工通信，但在某些特定的应用场景中，也可以配置为二线制以实现半双工通信，即通过同一对差分线进行数据的发送和接收，但不能同时进行，但此方式不常见。

图 6 RS422接线示意图

电平标准

在RS422中，逻辑状态通过一对导线上的电压差来表示。对于逻辑“1”（标记），正相（A或D+）线上的电压相对于负相（B或D-）线上的电压更高；而对于逻辑“0”（空格），情况则相反。理想情况下，当发送逻辑“1”时，正相线路相对于负相线路会有+5V到+12V的电压差；发送逻辑“0”时，则为-5V到-12V的电压差。

为了防止信号反射和保证信号完整性，RS422通信链路通常需要在接收端添加匹配的终端电阻。在点对点连接中，终端电阻通常只在接收端添加；

应用场景

1. 工业自动：PLC通信：西门子S7系列PLC通过RS-422连接HMI（人机界面）。传感器网络：高精度温度/压力传感器在嘈杂工业环境中传输数据。
2. 专业音视频设备：广播系统：专业摄像机与导播台间传输未压缩视频信号（如SMPTE 292M）。舞台灯光控制：DMX512协议基于RS-422控制灯光设备。
3. 航空航天与国防：机载通信：飞机航电系统（如黑匣子数据记录器）通过RS-422传输关键数据。雷达系统：雷达信号处理单元与显示终端的长距离连接。
4. 医疗设备：医学成像：MRI或CT设备传输高分辨率图像数据至工作站。患者监护仪：多参数监护仪与中央监控系统实时通信。
5. 安防与监控：视频监控：CCTV摄像头通过RS-422传输云台控制信号（PTZ控制）。门禁系统：长距离读卡器与主控板通信。

RS485

发展背景

RS232的最大传输距离通常只有15米，而工业场景中设备可能分散在较大的区域内，需要更长的通信距离。RS485通过差分信号传输，支持最长1200米的通信距离和高达10 Mbps的数据传输速率。RS232接口在总线上只允许连接一个收发器，而RS485支持多设备连接，最多可连接128个甚至更多的设备，这使得RS485非常适合构建设备网络。

协议原理

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。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。

图 7 RS485接线示意图

电平标准

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。

逻辑1（正逻辑电平）：当A线相对于B线的电压为正值时，即A-B > +200mV，这代表一个逻辑高电平（逻辑1）。在实际应用中，这个值通常是+2V到+6V之间。

逻辑0（负逻辑电平）：当A线相对于B线的电压为负值时，即A-B < -200mV，这代表一个逻辑低电平（逻辑0）。在实际应用中，这个值通常是-2V到-6V之间

在长距离传输时，为了减少信号反射，通常会在RS485网络的两端添加120欧姆的终端电阻。这是因为RS485电缆的特性阻抗一般为120Ω

应用场景

适用于多主机/驱动器工业环境。其典型应用与RS-422相似，包括：过程自动化(化工、酿造、造纸)、工厂自动化(汽车制造、金属加工)、HVAC、安防、电机控制、运动控制。

总结

RS-232、RS-422和RS-485电气参数对比如下表所示：

表 1 RS-232、RS-422和RS-485电气参数对比表

	RS232	RS422	R485
工作方式	单端	差分	差分
节点数	1收、1发	1发10收	1发32收
最大传输电缆长度	50英尺	4000英尺	4000英尺
最大传输速率	20Kb/s	10Mb/s	10Mb/s
最大驱动输出电压	±25V	-0.25V~+6V	-7V~+12V
驱动器输出信号电平（负 载最小值)	+5V~±15V	±2.0V	+1.5V
驱动器输出信号电平(空 载最大值)	土25V	+6V	±6V
驱动器负载阻抗	3K~7K2	1002	542
摆率（最大值)	30V/μs	N/A	N/A
接收器输入电压范围	±15V	-10V~+10V	-7V~+12V
接收器输入门限	+3V	+200mV	±200mV
接收器输入电阻	3K~7K2	4K2(最小)	212K0
驱动器共模电压	N/A	3V~+3V	-1V~+3V
接收器共模电压	N/A	7V~+7V	-7V~+12V

RS-232、RS-422和RS-485电平对比：

	发送电平	接收电平	备注
RS-232	逻辑1=-5~-15V 逻辑0=+5~+15V	逻辑1=-3~-12V逻辑0=+3~+12V	负逻辑
RS-422	逻辑1=+2~+6V 逻辑0=-2～-6V	逻辑1=AB之间大于+200mV 逻辑0=AB之间小于-200mV	正逻辑
RS-485	逻辑1=+2～+6V 逻辑0=-2～-6V	逻辑1=AB之间大于+200mV 逻辑0=AB之间小于-200mV	正逻辑