RS-485串行通讯大全.doc

RS-422/423标准RS-232的关键之处在于它是一种基于单端非对称电路的接口（一根信号线，一根地线），该结构对共模信号没有抑制能力，它同差模信号叠加在一起，在传输电缆上产生较大的压将损耗，压缩了有用信号的动态范围，因而不可能实现远距离与高速传输。RS-422标准有RS-422 A与RS-422B等版本，它采用了非平衡差分传输技术，即每路信号都使用一对以地为参考的正负信号线。从理论上讲，这种电路结构对共模信号的抑制比为无穷大，从而大大减小了地线电位差引起的麻烦，且传输速率与距离都明显提高。由于信号对称于地，在实际应用中甚至可以不使用地线，而只需使用一对双绞线。在该标准下不能识别的过渡区只有0.4V，比RS-232的6V过渡区窄很多。如果两根信号线的电位差为正且大于0.2V，则表示逻辑1；若电位差为负，且大于0.2V，则表示逻辑0。RS-422标准接口需要+-5V电源，与RS-232的电源要求相比，对用户来说还是方便了很多，由于过渡区间小，RS-422标准的发送器就不能正确驱动RS-232标准的接收器，但RS-422的接收设备却能够与RS-232标准接口连接。RS-422标准有点对点全双工与广播两种通信方式，广播方式下只允许一个发送驱动器工作，而接收器可以多达10个，最高传输速率为10Mb/s，最远传输距离约为1219m(4000英尺)。RS-423是RS-232与RS-422之间的一个过渡标准，因而兼有两者的特点，它在一个传输方向上让所有的信号都使用一根公共地线，仍然是非平衡传输，但是使用了两根方向相反的参考地线，RS-423发送器的过渡区有+8V,+4V以上表示逻辑0，-4V以下表示逻辑1，这样就能够与RS-232的接收电路兼容。RS-423的接收器能够适应RS-422标准下0.4V过渡区的工作环境，因而可以替代RS-422的接收器。由于RS-423标准定义了RS-232与RS-422接口的连接适配器，从而通过这一中介环节使RS-232标准的设备能与RS-422标准的接口设备接口。RS-422的最大贡献是采用了平衡传输方案，但并不完善，例如5V电源在许多场合下就有麻烦，与TTL电平不兼容也极不方便，所以目前实际中广泛应用的是它的改进增强版RS-485。RS-485标准RS-485标准实质上是RS-422标准的改进增强版本，该标准兼容了RS-422，且其技术性能更加先进，因而得到了广泛的应用。RS-485不仅传输距离远，通信可靠，而且使用单一+5V或+3V电源，逻辑电平与传统数字逻辑TTL兼容，此外对传输介质物理层没有严格要求，只需将普通双绞线绑在一起即可简便地组成网络。除点到点与广播通信方式外，RS-485还具有多点通信方式。在多点系统中，发送驱动器的接收器节点数可达32个，后期推出的版本则多达64/128/256个节点。无论是点到点，还是多点系统，都有单工与双工两种工作方式。在多点系统中，通常使用一个设备作为主站，余下的用作从站，当主站发送数据时，在数据串中嵌入从站固有的ID识别码，从而实现主站与任一从站之间的通信。如果不附带任何从站识别码则可以面向所有从站而实现广播通信。RS-485标准器件的数据传输速率目前有32Mb/s/20Mb/s/12Mb/s/10Mb/s/2.5Mb/s/数百Kb/s等各种规格。接口器件下面以几种典型的RS-485标准接口器件MAX481/483/485/487/488/489/490/491/1487为例来进行详细的讨论。它们都是用于RS-485或RS-422标准通信的小功率收发器，使用单一+5V电源，内含一个发送驱动器和一个接收器。各种封装结构的引脚排列与功能MAX481E/483E/485E/487E/1487EMAX488EMAX490EMAX489EMAX491E引脚命名引脚功能DIP/SOuMAXDIP/SOuMAXDIP/SO13242RO接收器输出端，当A比B大200mV时，RO为高电平；当A比B小200mV时，RO为低电平243接收器输出使能端，当为低电平时，RO输出有效；当为高电平时，RO输出端挂起程高阻状态354DE驱动器输出使能端，当DE为高电平时，驱动器的输出端、Y端与Z端输出有效，此时器件用作线驱动器；如果DE为低电平，则这些输出端挂起呈高阻状态，此时若为低电平则器件用作线接收器4 6355DI驱动器输入端，当DI为低电平时，将迫使驱动器输出Y为低而Z为高；反之，当DI为高电平时，迫使Y为高而Z为低57466，7GND地579Y驱动器同相输出端6810Z驱动器反相输出端6 8A接收器的同相输入端与驱动器的同相输出端8212A接收器的同相输入端71B接收器的反相输入端与驱动器的反相输出端7111B接收器的反相输入端821314Vcc正电源端，4.75V=Vcc=+0.2V 1 1 0 1 0 0 0 =-0.2V 00 0 高阻 高阻 0 0 输入开路 11 0 高阻 高阻 1 0 高阻由RS-485标准组成内部局域网的方法是极其简单的，只需通过双绞线将各节点上RS-485接口器件的同名端捆绑在一起，或者按总线型结构并接到沿途的双绞线主总线上即可。图中在线路的两个端点各接了一个120欧的终端匹配电阻，在实际应用中应依据具体 场合兼顾多方因素而定，例如匹配电阻减少了终端反射，但会增加线路的负载，使信号幅度明显下降。图*004*所有这些器件都有温敏控制电路构成的短路电流保护与过压保护，在这两种过载情况下，都将使驱动器的输出端置于高阻状态，接收器亦具有安全特性，以便当输入开路时接收器的输出保持为高电平，下表列出了它们各自的参数。各器件的主要特性指标器件型号双工方式最高速率（Mb/s）使能端控制接收输入阻抗（千欧）静态电流（uA）节点数其他说明MAX481半双工2.5有高阻态12500/30032有关闭方式MAX483半双工0.25有高阻态12350/12032有关闭方式MAX485半双工2.5有高阻态12500/30032MAX487半双工0.25有高阻态48250/120128有关闭方式MAX488全双工0.25无121201MAX489全双工0.25有高阻态1212032MAX490全双工2.5无123001MAX491全双工2.5有高阻态1230032几点补充：（1） 由于MAX488与MAX490不具备高阻态挂起功能，其发送器与接收器始终处于选通状态，所以这两种器件只适宜一对一的通信场合；（2） 表中速率为0.25 Mb/s的四种型号是限斜率器件（slew rate limited）器件，与另外4种器件相比较，在同等速率下其电磁辐射（EMI）大大减小，而且当电缆终端阻抗匹配不够理想时，形成的反射影响也会小得多。（3） 接收器得输入阻抗是驱动器得负载，直接影响线路上可并接得同类收发器得数量，单位负载通常是指12千欧输入阻抗，此时一个发送器通常可驱动32个接收器。1/2单位负载一般是指24千欧的输入阻抗，一个发送器通常可驱动64个这样的接收器，MAX487的48千欧输入阻抗就是1/4单位负载，因此线路上可并接128个此类器件，是其他几种型号的4倍，如此类推，1/8负载的接收器输入阻抗为96千欧，此时可并接多达256个收发节点组成RS-485局域网。（4） 表中静态电流一项有两个数据时分别表示DE=Vcc/DE=0V两种测试条件，表中关闭方式指该器件在DE为低与为高且两者持续时间大于600ns的条件下，将进入睡眠状态，此时仅消耗0.1uA的静态电流，当然这是典型值，但最大值也只有10uA。（5） MAX481E/483E/485E/487E/488E/489E/490E/491E/1487E分别是MAX481/483/485/487/488/489/490/491/1487的E版本，此版本提供了静态放电保护功能，可以提供+-15KV的人体模型ESD保护，当环境恶劣又必须实现高速通信时，E版本是最好的选择。RS-485标准的通信距离根据负载特性与传输速率的变化而变化，当负载较小而传输速率较低时，实际通信的距离可达数公里。PC COM 接口设计个人计算机一般只配备RS-232C标准的COM串行通信口，当与外设的通信距离超过了RS-232标准的规定距离时，可选择RS-485标准实施通信。通常有以下两种方案：一、 购置或自行设计专用的RS-485通信接口卡，其主要特点是接口电路直接与主板扩展槽总线打交道，因而通信速率可以很高，其上限仅受RS-485芯片本身的限制，但它要占用PC的部分资源，且当与PCI总线接口时成本较高；二、 另一种方案是利用已有的COM1或COM2串行口，它无需额外占用PC资源，接口的软硬件设计较为简单，单其通信速率受RS-232标准上限速率的限制。图*005*是后一种方案的设计实例，首先需将COM1/COM2串行口的RS-232标准电平转换为与TTL电平兼容的RS-485标准电平，可以使用前面介绍的CC1488/1489或MAX232等电平转换器件，但无论使用何种器件，都必须达到以下连线的目的：RS-232的数据接收RXD-RS-485的接收器数据输出RORS-232的数据发送TXD-RS-485的驱动器数据输入DIRS-232的数据终端准备就绪DTR-RS-485的接收器输入使能RS-232的请求发送RTS-RS-485的驱动器输出使能DE图*005*在上图的基础上略加改进，即可设计出全双工通信的PC机RS-485接口电路。该方式不涉及PC内部接口，属外置式设备，安装使用简便。接地与匹配用RS-485标准接口可以方便地构成总线型、树型等拓扑结构的内部通信局域网络，这类网络通信距离远，抗干扰能力强，适用于某些现场的应用，但有以下几个问题值得考虑：1. 接地问题由于RS-485采用差分平衡方式传送数据，对共模信号有很好的抑制能力，从理论上来说，A、B两条线对地而言是完全对称的，因而在实际应用中，当传输速率不高或传输距离不太远时，完全可以省掉地线，用一对普通双绞铜质线即可获得满意的效果。当使用环境较恶劣，传输距离较远或传输速率很高时，建议使用带屏蔽线的双绞电缆，屏蔽线作为地线，且在电缆的一端（如主站一端）应可靠接入大地，电缆的另一端（如从站一端）则悬空。如果电缆两端都接地，通常两地的“地电位”不可能完全相等，如果两地存在较大的电位差，则在屏蔽线中会形成地电流而产生干扰，因此另一端应该悬空。另一种解决方案是屏蔽线两端都不直接接地，但也不悬空，而是分别通过一个约100欧/1W左右的限流电阻将屏蔽线接各自的公共地，即机壳地，这样也可以抑制地电流引入的干扰。2. 终端匹配从理论上讲，终端电阻的阻值应等于电缆的特性阻抗，才能彻底抑制传输线终端形成的反射现象，但在实际应用中往往由于所用的电缆品质差别等诸多原因，世界连接的匹配电阻很难达到完全匹配的效果。在实际应用中，当数据的传输距离较低时，传输线效应并不太明显，此时可以考虑不接终端匹配电阻。甚至有时当接入不合适的电阻后反而降低了通信的可靠性，这是由于接上终端电阻后加重了负载，使信号幅度明显下降。当通信速率很高时，为了减小反射，应连接终端匹配电阻，并按照以下方法进行调试：连接好网络并做好通信准备，令主站以实际使用的波特率连续发送数据55H，此时在通信线路上将形成方波，在终端用示波器观察波形，调整终端匹配电阻的大小直到获得最佳的波形为止。值得注意的是，有时候波形尽管较好，但实际接收效果可能并不理想，这种情况通常是波形幅值过低。双绞线之间的波形幅值电压应不小于200mv，否则应降低波特率或者更换质量更好的电缆。3. 其他考虑当传输电缆处在户外，尤其是架空时，必须考虑抗雷击的问题，应该选用抗雷击的产品。这类芯片的内部通常都集成了4个瞬时过压保护二极管，可承受400W的瞬时脉冲功率，如TI公司的SN75LBC184。在干扰严重的恶劣应用场合下，必须考虑隔离的问题。隔离技术设计实例在恶劣的环境下且对通信质量要求很高时，通常都采用隔离技术，此时不仅通信线路要隔离，而且供电系统也必须隔离。MAX253是一种隔离供电的专用器件。隔离供电MAX253是一种集振荡器/电源-驱动器于一体的单片集成开关电源器件，专为RS-485或RS-232隔离数据通信接口提供隔离电源，它的输出端连接具有中心抽头的变压器原边，该抽头连5V或3.3V电源正极，变压器的副边即可提供所需的隔离电源，且功率可达1W。其工作原理如*图006*MAX253的内部主要由一个COMS振荡器与一对N-沟道功率开关管组成，振荡器具有可供选择的两个震荡频率以便提供两种不同的供电电流，振荡器再驱动触发器产生占空比为50的方波加到开关管，使两开关管交替工作，且由于存在内部延迟而使一个开关管关断前另一个开关管已经导通。该器件还可以进入关闭模式的睡眠状态，此时耗电仅0.4uA，下表列举了器件各引脚的定义：MAX253引脚定义引脚 信号 功能1 D1 N-沟道开关管的漏极开路输出端，应接变压器2 GND1 地，应与GND2连接到一起3 FS 频率开关，若FS=Vcc或开路，则开关频率350kHz，供电电流较大；若FS=0，则开关频率200kHz，供电电流较小4 SD 关闭方式控制端，一般应用时应接地，需要开闭睡眠模式时接高电平5 N.C. 内部无连接的空脚6 Vcc +5V电源7 GND2 地，应与GND1接到一起8 D2 N-沟道开关管的漏极开路输出端，应接变压器隔离型数据接口图*007*是一种典型的隔离型RS-485数据接口电路。图中的MAX667是一个稳压模块，亦即低阻输出的线性调压器，它将MAX253输出的电源电压稳定在5V上，使之成为一恒压源。通过变压器与光电耦合器的隔离和耦合作用，使得左右两端的电路没有任何电气接点，因而能承受有效值达1800V的高压冲击。这种设计方案适用于高压、地电位差大、噪声大的工业通信和控制场合。当然，对电路中所有的变压器和光电耦合器都有极严格的计数要求。为保障可靠的隔离，其虚线所示的“隔离屏障”是绝对不能破坏的，某一侧的元件、连接点或连接线不能靠近另一侧的元件、连接点或连接线。由于光电耦合器件是高阻抗输出，因此应尽量靠近接口芯片，即尽量缩短光电耦合器输出脚与接口芯片引脚之间的连线，使得分布电容尽量减小而有利于提高传输速率。图*007*所使用的光电耦合器是限制接口通信速率的主要因素，必须选用高速器件。接口速率的上限则取决于器件本身的技术参数，通常有2.5Mb/s或250kb/s等几种。如果用廉价的4N25光电耦合器取代高价的PC417器件，其数据传输速率也可达到9.6kb/s。若将图*007*中的MAX481/485更换成MAX490/491，或者将MAX483/487更换为MAX488/489，再对电路稍加修改即可实现全双工的隔离通信。对于3.3V的应用环境，可参照图*007*进行相应的修改。变压器原边的中心抽头可接5V或3.3V电压，副边即可提供功率达1W的5V电压，或者功率为0.6W的3.3V电压。图*008*所示的电源电路是图*0