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    RS232、RS485通訊接口,工業(yè)控制目前使用最普遍的一種
    來源: | 作者:英展 (EXCELL)英展(EXCELL) | 發(fā)布時間: 2020-12-29 | 918 次瀏覽 | 分享到:

    一、RS232基礎(chǔ)知識


    計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)與終端之間的數(shù)據(jù)傳送可以采用串行通訊和并行通訊二種方式。由于串行通訊方式具有使用線路少、成本低,特別是在遠(yuǎn)程傳輸時,避免了多條線路特性的不一致而被廣泛采用。 

    在串行通訊時,要求通訊雙方都采用一個標(biāo)準(zhǔn)接口,使不同的設(shè)備可以方便地連接起來進(jìn)行通訊。RS-232-C接口(又稱EIA RS-232-C)是目前最常用的一種串行通訊接口。 

    RS-232-C是美國電子工業(yè)協(xié)會EIA(Electronic Industry Association)制定的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)。RS是英文“推薦標(biāo)準(zhǔn)”的縮寫,232為標(biāo)識號,C表示修改次數(shù),代表RS232的最新一次修改(1969),在這之前,有RS232B、RS232A。它是在1970 年由美國電子工業(yè)協(xié)會(EIA)聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器廠家及計(jì)算機(jī)終端生產(chǎn)廠家共同制定的用于串行通訊的標(biāo)準(zhǔn)。它的全名是“數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)和數(shù)據(jù)通訊設(shè)備(DCE)之間串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”。

    1、電氣特性  

    EIA-RS-232C對電器特性、邏輯電平和各種信號線功能都作了規(guī)定。 

    在TxD和RxD上:邏輯1(MARK)=-3V~-15V ,邏輯0(SPACE)=+3~+15V  在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制線上:  
    信號有效(接通,ON狀態(tài),正電壓)=+3V~+15V  
    信號無效(斷開,OFF狀態(tài),負(fù)電壓)=-3V~-15V  

    根據(jù)設(shè)備供電電源的不同,+-5、+-10、+-12和+-15這樣的電平都是可能的。

    2、連接器的機(jī)械特性

    由于RS-232C并未定義連接器的物理特性,因此,出現(xiàn)了DB-25、DB-15和DB-9各種類型的連接器,其引腳的定義也各不相同。最近,8管腳的RJ-45型連接器變得越來越普遍,盡管它的管腳分配相差很大。EIA/TIA 561標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一種管腳分配的方法,但是由Dave Yost發(fā)明的被廣泛使用在Unix計(jì)算機(jī)上的Yost串連設(shè)備配線標(biāo)準(zhǔn) ("Yost Serial Device Wiring Standard")以及其他很多設(shè)備都沒有采用上述任一種連線標(biāo)準(zhǔn)。下表中列出的是被較多使用的RS-232中的信號和管腳分配:


    信號的標(biāo)注是從DTE設(shè)備的角度出發(fā)的,TD、DTR和RTS信號是由DTE產(chǎn)生的,RD、DSR、CTS、DCD和RI信號是由DCE產(chǎn)生的。 

    PC 機(jī)的RS-232 口為9 芯針插座。一些設(shè)備與PC 機(jī)連接的RS-232 接口,因?yàn)椴皇褂脤Ψ降膫魉涂刂菩盘?只需三條接口線,即“發(fā)送數(shù)據(jù)TXD”、“接收數(shù)據(jù)RXD”和“信號地GND”。

    雙向接口能夠只需要3根線制作是因?yàn)镽S-232的所有信號都共享一個公共接地。非平衡電路使得RS-232非常的容易受兩設(shè)備間基點(diǎn)電壓偏移的影響。對于信號的上升期和下降期,RS-232也只有相對較差的控制能力,很容易發(fā)生串話的問題。RS-232被推薦在短距離(15m以內(nèi))間通信。由于非對稱電路的關(guān)系,RS-232接口電纜通常不是由雙絞線制作的。

    3、傳輸電纜

    RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率為每秒50、75、 100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特,驅(qū)動器允許有2500pF的電容負(fù)載,通信距離將受此電容限制。 

    例如,采用150pF/m的通信電纜時,最大通信距離為15m;若每米電纜的電容量減小,通信距離可以增加。傳輸距離短的另一原因是RS-232屬單端信號傳送,存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題,因此一般用于20m以內(nèi)的通信。

    由RS-232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在碼元畸變小于4%的情況下,傳輸電纜長度應(yīng)為50 英尺,其實(shí)這個4%的碼元畸變是很保守的,在實(shí)際應(yīng)用中,約有99%的用戶是按碼元畸變10-20%的范圍工作的,所以實(shí)際使用中最大距離會遠(yuǎn)超過50英尺,美國DEC公司曾規(guī)定允許碼元畸變?yōu)?0%而得出下面實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中1 號電纜為屏蔽電纜,型號為DECP.NO.9107723 內(nèi)有三對雙絞線,每對由22# AWG 組成,其外覆以屏蔽網(wǎng)。2 號電纜為不帶屏蔽的電纜。型號為DECP.NO.9105856-04是22#AWG 的四芯電纜。

    4、鏈路層
    在RS-232標(biāo)準(zhǔn)中,字符是以一系列位元來一個接一個的傳輸。最長用的編碼格式是異步起停asynchronous start-stop格式,它使用一個起始位后面緊跟7或8 個數(shù)據(jù)比特,這個可能是奇偶位,然后是兩個停止位。所以發(fā)送一個字符需要10比特,帶來的一個好的效果是使全部的傳輸速率,發(fā)送信號的速率以10分劃。 

    串行通信在軟件設(shè)置里需要做多項(xiàng)設(shè)置,最常見的設(shè)置包括波特率、奇偶校驗(yàn)和停止位。 波特率是指從一設(shè)備發(fā)到另一設(shè)備的波特率,即每秒鐘多少比特bits per second (bit/s)。典型的波特率是300、1200、2400、9600、19200等bit/s。一般通信兩端設(shè)備都要設(shè)為相同的波特率,但有些設(shè)備也可以設(shè)置為自動檢測波特率。 

    奇偶校驗(yàn)Parity是用來驗(yàn)證數(shù)據(jù)的正確性。奇偶校驗(yàn)一般不用,如果使用,那么既可以做奇校驗(yàn)也可以做偶校驗(yàn)。奇偶校驗(yàn)是通過修改每一發(fā)送字節(jié)(也可以限制發(fā)送的字節(jié))來工作的。如果不作奇偶校驗(yàn),那么數(shù)據(jù)是不會被改變的。在偶校驗(yàn)中,因?yàn)槠媾夹r?yàn)位會被相應(yīng)的置1或0(一般是最高位或最低位),所以數(shù)據(jù)會被改變以使得所有傳送的數(shù)位(含字符的各數(shù)位和校驗(yàn)位)中“1”的個數(shù)為偶數(shù);在奇校驗(yàn)中,所有傳送的數(shù)位(含字符的各數(shù)位和校驗(yàn)位)中“1”的個數(shù)為奇數(shù)。奇偶校驗(yàn)可以用于接受方檢查傳輸是否發(fā)送生錯誤——如果某一字節(jié)中“1”的個數(shù)發(fā)生了錯誤,那么這個字節(jié)在傳輸中一定有錯誤發(fā)生。如果奇偶校驗(yàn)是正確的,那么要么沒有發(fā)生錯誤要么發(fā)生了偶數(shù)個的錯誤。


    停止位是在每個字節(jié)傳輸之后發(fā)送的,它用來幫助接受信號方硬件重同步。 

    在串行通信軟件設(shè)置中D/P/S是常規(guī)的符號表示。8/N/1(非常普遍)表明8bit數(shù)據(jù),沒有奇偶校驗(yàn),1bit停止位。數(shù)據(jù)位可以設(shè)置為7、8或者9,奇偶校驗(yàn)位可以設(shè)置為無(N)、奇(O)或者偶(E),奇偶校驗(yàn)位可以使用數(shù)據(jù)中的比特位,所以8/E/1就表示一共8位數(shù)據(jù)位,其中一位用來做奇偶校驗(yàn)位。停止位可以是1、1.5或者2位的(1.5是用在波特率為60wpm的電傳打字機(jī)上的)。 

     5、傳輸控制 
    當(dāng)需要發(fā)送握手信號或數(shù)據(jù)完整性檢測時需要制定其他設(shè)置。公用的組合有RTS/CTS,DTR/DSR或者XON/XOFF(實(shí)際中不使用連接器管腳而在數(shù)據(jù)流內(nèi)插入特殊字符)。 

    接受方把XON/XOFF信號發(fā)給發(fā)送方來控制發(fā)送方何時發(fā)送數(shù)據(jù),這些信號是與發(fā)送數(shù)據(jù)的傳輸方向相反的。XON信號告訴發(fā)送方接受方準(zhǔn)備好接受更多的數(shù)據(jù),XOFF信號告訴發(fā)送方停止發(fā)送數(shù)據(jù)直到知道接受方再次準(zhǔn)備好。XON/XOFF一般不贊成使用,推薦用RTS/CTS控制流來代替它們。 

    XON/XOFF是一種工作在終端間的帶內(nèi)方法,但是必須兩端都支持這個協(xié)議,而且在突然啟動的時候會有混淆的可能。 

    XON/XOFF可以工作于3線的接口。RTS/CTS最初是設(shè)計(jì)為電傳打字機(jī)和調(diào)制解調(diào)器半雙工協(xié)作通信的,每次它只能一方調(diào)制解調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)。終端必須發(fā)送請求發(fā)送信號然后等到調(diào)制解調(diào)器回應(yīng)清除發(fā)送信號。盡管RTS/CTS是通過硬件達(dá)到握手,但它有自己的優(yōu)勢。  

    6、RS-232標(biāo)準(zhǔn)的不足 
    經(jīng)過許多年來RS-232 器件以及通信技術(shù)的改進(jìn),RS-232 的通信距離已經(jīng)大大增加。由于RS-232 接口標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)較早,難免有不足之處,主要有以下四點(diǎn):

    (1) 接口的信號電平值較高,易損壞接口電路的芯片,又因?yàn)榕cTTL 電平不兼容故需使用電平轉(zhuǎn)換電路方能與TTL 電路連接。 

    (2) 傳輸速率較低,在異步傳輸時,波特率為20Kbps。現(xiàn)在由于采用新的UART 芯片16C550 等,波特率達(dá)到115.2Kbps。 

    (3) 接口使用一根信號線和一根信號返回線而構(gòu)成共地的傳輸形式, 這種共地傳輸容易產(chǎn)生共模干擾,所以抗噪聲干擾性弱。 

    (4) 傳輸距離有限,最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為50 米,實(shí)際上也只能用在15米左右。 


    二、RS485基礎(chǔ)知識

    針對RS-232串口標(biāo)準(zhǔn)的局限性,人們又提出了RS-422,RS-485接口標(biāo)準(zhǔn)。RS-485/422采用平衡發(fā)送和差分接收方式實(shí)現(xiàn)通信:發(fā)送端將串行口的TTL電平信號轉(zhuǎn)換成差分信號A、B兩路輸出,經(jīng)過線纜傳輸之后在接收端將差分信號還原成TTL電平信號。由于傳輸線通常使用雙絞線,又是差分傳輸,所以又極強(qiáng)的抗共模干擾的能力,總線收發(fā)器靈敏度很高,可以檢測到低至200mV電壓。故傳輸信號在千米之外都是可以恢復(fù)。  

    1、RS-485 的電氣特性
    驅(qū)動器能輸出±7V的共模電壓  

    接收器的輸入電阻RIN≥12kΩ  

    輸入端的電容≤50pF  
    在節(jié)點(diǎn)數(shù)為32個,配置了120Ω的終端電阻的情況下,驅(qū)動器至少還能輸出電壓1.5V(終端電阻的大小與所用雙絞線的參數(shù)有關(guān))  
    發(fā)送端:邏輯"1"以兩線間的電壓差為+(2 至6) V 表示;邏輯"0"以兩線間的電壓差為-(2 至6)V 表示。 
    接收器的輸入靈敏度為200mV(即(V+)-(V-)≥0.2V,表示信號"0";(V+)-(V-)≤-0.2V,表示信號"1")   

    2、傳輸速率與傳輸距離 
    RS-485 的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps,最大的通信距離約為1219M,傳輸速率與傳輸距離成反比,在10Kb/S的傳輸速率下,才可以達(dá)到最大的通信距離。 

    但是由于RS-485 常常要與PC 機(jī)的RS-232口通信,所以實(shí)際上一般最高115.2Kbps。又由于太高的速率會使RS-485 傳輸距離減小,所以往往為9600bps 左右或以下。  

    3、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?nbsp;

    RS-485 接口是采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合,抗共模干能力增強(qiáng),即抗噪聲干擾性好。RS-485采用半雙工工作方式,支持多點(diǎn)數(shù)據(jù)通信。 

    RS-485總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟话悴捎媒K端匹配的總線型結(jié)構(gòu)。即采用一條總線將各個節(jié)點(diǎn)串接起來,不支持環(huán)形或星型網(wǎng)絡(luò)。如果需要使用星型結(jié)構(gòu),就必須使用485中繼器或者485集線器才可以。RS-485/422總線一般最大支持32個節(jié)點(diǎn),如果使用特制的485芯片,可以達(dá)到128個或者256個節(jié)點(diǎn),最大的可以支持到400個節(jié)點(diǎn)

    4、連接器 
    RS-485 的國際標(biāo)準(zhǔn)并沒有規(guī)定RS485 的接口連接器標(biāo)準(zhǔn)、所以采用接線端子或者DB-9、DB-25 等連接器都可以。


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