网络串口传输协议

一、RS-232C 合同 RS-232C原则（合同）的全称是EIA-RS-232C原则，定义是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据互换接口技术原则”。它是在1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的原则。其中EIA(Electronic Industry Association)代表美国电子工业协会，RS（Recommended standard）代表推荐原则，232是标记号，C代表RS232的最新一次修改。1、RS-232C接口引脚定义由于RS-232C并未定义连接器的物理特性，因此，浮现了DB-25、DB-15和DB-9多种类型的连接器，其引脚的定义也各不相似。下面是常用的DB-25和DB-9连接器接口图： 图3 DB25 和DB9引脚图 旧制JIS名称新制JIS名称全 称说 明FGSGFrame Ground连到机器的接地线TXDSDTransmitted Data数据输出线RXDRDReceived Data数据输入线RTSRSRequest to Send规定发送数据CTSCSClear to Send回应对方发送的RTS的发送许可，告诉对方可以发送DSRDRData Set Ready告知本机在待命状态DTRERData Terminal Ready告知数据终端处在待命状态CDCDCarrier Detect载波检出，用以确认与否收到Modem的载波SGSGSignal Ground信号线的接地线（严格的说是信号线的零原则线） RS-232C规原则接口有25条线，4条数据线、11条控制线、3条定期线、7条备用和未定义线，常用的只有9根，它们是：（1）、状态线：数据准备就绪(Data set ready-DSR)有效时（ON）状态，表白数据通信设备可以使用。(DCE-DTE)数据终端就绪(Data set ready-DTR)有效时（ON）状态，表白数据终端设备可以使用。(DTE-DCE)这两个信号有时连到电源上，上电就立即有效。这两个设备状态信号有效，只表达设备自身可用，并不阐明通信链路可以开始进行通信了，能否开始进行通信要由下面的控制信号决定。（2）、联系线祈求发送(Request to send-RTS)DTE准备向DCE发送数据，DTE使该信号有效（ON状态），告知DCE要发送数据给DCE了。(DTE-DCE)容许发送（Clear to send-CTS）是对RTS的响应信号。当DCE已准备好接受DTE传来的数据时，使该信号有效，告知DTE开始发送数据。(DCE-DTE)RTS/CTS祈求应答联系信号是用于半双工MODEM系统中发送方式和接受方式之间的切换。在全双工系统中，因配备双向通道，故不需要RTS/CTS联系信号，使其变高。（3）、数据线发送数据(Transmitted data-TxD)DTE发送数据到DCE。(DTE-DCE)接受数据(Received data-RxD)DCE发送数据到DTE (DCE-DTE)（4）、地线 有两根线SG、PG信号地和保护地信号线。（5）、其他载波检测( Carrier Detection-CD)用来表达DCE已接通通信链路，告知DTE准备接受数据。(DCE-DTE)振铃批示(Ringing-RI)当DCE收到互换台送来的振铃呼喊信号时，使该信号有效（ON状态），告知DTE，已被呼喊。(DCE-DTE) 一般的应用系统中，往往是CPU和I/O设备之间传送信息，两者都是DTE，例如PC和色温计，PC和单片机之间的通信，双方都能发送和接受，它们的连接只需要使用三根线即可，即RXD,TXD和GND，连接方式见图4。 图4 “三线连接法”2、RS-232C的电气特性(1)逻辑电平在TXD和RXD上： 逻辑1(MARK)=-3V-15V 逻辑0(SPACE)=+315V在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上： 信号有效（接通，ON状态，正电压）+3V+15V 信号无效(断开，OFF状态，负电压)=-3V-15V 由以上定义可以看出，信号无效的电平低于-3V，也就是当传播电平的绝对值不小于3V时，电路可以有效地检查出来，介于-3+3V之间的电压无意义，低于-15V或高于+15V的电压也觉得无意义，因此，实际工作时，应保证电平的绝对值在(315)V之间。 当计算机和TTL电平的设备通信时，如计算机和单片机通信时，需要使用RS-232C/TTL 电平转换器件，常用的有MAX232。(2)传播距离由RS-232C原则规定在码元畸变不不小于4%的状况下，传播电缆长度应为15m，其实这个4%的码元畸变是很保守的，在实际应用中，约有99%的顾客是按码元畸变10-20%的范畴工作的，因此实际使用中最大距离会远超过15m。3、 RS-232C的局限性之处由于RS232C接口原则浮现较早，难免有局限性之处，重要有如下四点：（1）接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又由于与TTL 电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。（2）传播速率较低，在异步传播时，波特率最大为19200bps。（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播形式， 这种共地传播容易产生共模干扰，因此抗噪声干扰性弱。（4）传播距离有限，实际最大传播距离只有50米左右.标签： 无标签一、RS-232C、RS-422与RS-485的由来RS-232、RS-422与RS-485都是串行数据接口原则,最初都是由电子工业协会（EIA）制定并发布的,RS-232在1962年发布,命名为EIA-232-E,作为工业原则,以保证不同厂家产品之间的兼容。RS-422由RS-232发展而来,它是为弥补RS-232之局限性而提出的。为改善RS-232通信距离短、速率低的缺陷,RS-422定义了一种平衡通信接口,将传播速率提高到10Mb/s,传播距离延长到4000英尺（速率低于100kb/s时）,并容许在一条平衡总线上连接最多10个接受器。RS-422是一种单机发送、多机接受的单向、平衡传播规范,被命名为TIA/EIA-422-A原则。为扩展应用范畴,EIA又于1983年在RS-422基本上制定了RS-485原则,增长了多点、双向通信能力,即容许多种发送器连接到同一条总线上,同步增长了发送器的驱动能力和冲突保护特性,扩展了总线共模范畴,后命名为TIA/EIA-485-A原则。由于EIA提出的建议原则都是以“RS”作为前缀,因此在通讯工业领域,仍然习惯将上述原则以RS作前缀称谓。RS-232、RS-422与RS-485原则只对接口的电气特性做出规定,而不波及接插件、电缆或合同,在此基本上顾客可以建立自己的高层通信合同。因此在视频界的应用,许多厂家都建立了一套高层通信合同,或公开或厂家独家使用。如录像机厂家中的Sony与松下对录像机的RS-422控制合同是有差别的,视频服务器上的控制合同则更多了,如Louth、Odetis合同是公开的,而ProLINK则是基于Profile上的。二、RS-232串行接口原则目前RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。RS-232被定义为一种在低速率串行通讯中增长通讯距离的单端原则。RS-232采用不平衡传播方式,即所谓单端通讯。收、发端的数据信号是相对于信号地,如从DTE设备发出的数据在使用DB25连接器时是2脚相对7脚（信号地）的电平,DB25各引脚定义参见图1。典型的RS-232信号在正负电平之间摆动,在发送数据时,发送端驱动器输出正电平在+5+15V,负电平在-5-15V电平。当无数据传播时,线上为TTL,从开始传送数据到结束,线上电平从TTL电平到RS-232电平再返回TTL电平。接受器典型的工作电平在+3+12V与-3-12V。由于发送电平与接受电平的差仅为2V至3V左右,因此其共模克制能力差,再加上双绞线上的分布电容,其传送距离最大为约15米,最高速率为20kb/s。RS-232是为点对点（即只用一对收、发设备）通讯而设计的,其驱动器负载为37k。因此RS-232适合本地设备之间的通信。其有关电气参数参见下表。9针接口针脚定义Pin 1 Received Line Signal Detector(Data Carrier Detect)Pin 2 Received DataPin 3 Transmit DataPin 4 Data Terminal ReadyPin 5 Signal GroundPin 6 Data Set ReadyPin 7 Request To SendPin 8 Clear To SendPin 9 Ring Indicator三、RS-422与RS-485串行接口原则1 平衡传播RS-422、RS-485与RS-232不同样,数据信号采用差分传播方式,也称作平衡传播,它使用一对双绞线,将其中一线定义为A,另一线定义为B,如图2。一般状况下,发送驱动器A、B之间的正电平在+2+6V,是一种逻辑状态,负电平在-26V,是另一种逻辑状态。另有一种信号地C,在RS-485中尚有一“使能”端,而在RS-422中这是可用可不用的。“使能”RS-422、RS-485与RS-232不同样,数据信号采用差分传播方式,也称作平衡传播,它使用一对双绞线,将其中一线定义为A,另一线定义为B,如图2。一般状况下,发送驱动器A、B之间的正电平在+2+6V,是一种逻辑状态,负电平在-26V,是另一种逻辑状态。另有一种信号地C,在RS-485中尚有一“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播线的切断与连接。当“使能”端起作用时,发送驱动器处在高阻状态,称作“第三态”,即它是有别于逻辑“1”与“0”的第三态。接受器也作与发送端相对的规定,收、发端通过平衡双绞线将AA与BB相应相连,当在收端AB之间有不小于+200mV的电平时,输出正逻辑电平,不不小于-200mV时,输出负逻辑电平。接受器接受平衡线上的电平范畴一般在200mV至6V之间。参见图3。2 RS-422电气规定RS-422原则全称是“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5是典型的RS-422四线接口。事实上尚有一根信号地线,共5根线。图4是其DB9连接器引脚定义。由于接受器采用高输入阻抗和发送驱动器比RS232更强的驱动能力,故容许在相似传播线上连接多种接受节点,最多可接10个节点。即一种主设备（Master）,其他为从设备（Salve）,从设备之间不能通信,因此RS-422支持点对多的双向通信。接受器输入阻抗为4k,故发端最大负载能力是104k+100（终接电阻）。RS-422四线接口由于采用单独的发送和接受通道,因此不必控制数据方向,各装置之间任何必须的信号互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。RS-422的最大传播距离为4000英尺（约1219米）,最大传播速率为10Mb/s。其平衡双绞线的长度与传播速率成反比,在100kb/s速率如下,才也许达到最大传播距离。只有在很短的距离下才干获得最高速率传播。一般100米长的双绞线上所能获得的最大传播速率仅为1Mb/s。RS-422需要一终接电阻,规定其阻值约等于传播电缆的特性阻抗。在矩距离传播时可不需终接电阻,即一般在300米如下不需终接电阻。终接电阻接在传播电缆的最远端。RS-422有关电气参数见表1RS232接口针脚定义25针的接口定义：Pin 1 Protective GroundPin 2 Transmit DataPin 3 Received DataPin 4 Request To SendPin 5 Clear To SendPin 6 Data Set ReadyPin 7 Signal GroundPin 8 Received Line Signal Detector(Data Carrier Detect)Pin 20 Data Terminal Ready3RS-485电气规定由于RS-485是从RS-422基本上发展而来的,因此RS-485许多电气规定与RS-422相仿。如都采用平衡传播方式、都需要在传播线上接终接电阻等。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,参见图6。而采用四线连接时,与RS-422同样只能实现点对多的通信,即只能有一种主（Master）设备,其他为从设备,但它比RS-422有改善, 无论四线还是二线连接方式总线上可多接到32个设备。参见图7。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接受器最小输入阻抗为12k剑鳵S-422是4k健;旧峡梢运礡S-485满足所有RS-422的规范,因此RS-485的驱动器可以用在RS-422网络中应用。RS-485与RS-422同样,其最大传播距离约为1219米,最大传播速率为10Mb/s。平衡双绞线的长度与传播速率成反比,在100kb/s速率如下,才也许使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才干获得最高速率传播。一般100米长双绞线最大传播速率仅为1Mb/s。RS-485需要2个终接电阻,其阻值规定等于传播电缆的特性阻抗。在矩距离传播时可不需终接电阻,即一般在300米如下不需终接电阻。终接电阻接在传播总线的两端。四、RS-422与RS-485的网络安装注意要点RS-422可支持10个节点,RS-485支持32个节点,因此多节点构成网络。网络拓扑一般采用终端匹配的总线型构造,不支持环形或星形网络。在构建网络时,应注意如下几点：1采用一条双绞线电缆作总线,将各个节点串接起来,从总线到每个节点的引出线长度应尽量短,以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。图8所示为实际应用中常用的某些错误连接方式（a,c,e）和对的的连接方式（b,d,f）。a,c,e这三种网络连接尽管不对的,在短距离、低速率仍也许正常工作,但随着通信距离的延长或通信速率的提高,其不良影响会越来越严重,重要因素是信号在各支路末端反射后与原信号叠加,会导致信号质量下降。2应注意总线特性阻抗的持续性,在阻抗不持续点就会发生信号的反射。下列几种状况易产生这种不持续性：总线的不同区段采用了不同电缆,或某一段总线上有过多收发器紧靠在一起安装,再者是过长的分支线引出到总线。总之,应当提供一条单一、持续的信号通道作为总线。图8五、RS-422与RS-485传播线上匹配的某些阐明对RS-422与RS-485总线网络一般要使用终接电阻进行匹配。但在短距离与低速率下可以不用考虑终端匹配。那么在什么状况下不用考虑匹配呢？理论上,在每个接受数据信号的中点进行采样时,只要反射信号在开始采样时衰减到足够低就可以不考虑匹配。但这在事实上难以掌握,美国MAXIM公司有篇文章提到一条经验性的原则可以用来判断在什么样的数据速率和电缆长度时需要进行匹配：当信号的转换时间（上升或下降时间）超过电信号沿总线单向传播所需时间的3倍以上时就可以不加匹配。例如具有限斜率特性的RS-485接口MAX483输出信号的上升或下降时间最小为250ns,典型双绞线上的信号传播速率约为0.2m/ns（24AWG PVC电缆）,那么只要数据速率在250kb/s以内、电缆长度不超过16米,采用MAX483作为RS-485接口时就可以不加终端匹配。一般终端匹配采用终接电阻措施,前文已有提及,RS-422在总线电缆的远端并接电阻,RS-485则应在总线电缆的开始和末端都需并接终接电阻。终接电阻一般在RS-422网络中取100,在RS-485网络中取120。相称于电缆特性阻抗的电阻,由于大多数双绞线电缆特性阻抗大概在100120。这种匹配措施简朴有效,但有一种缺陷,匹配电阻要消耗较大功率,对于功耗限制比较严格的系统不太适合。此外一种比较省电的匹配方式是RC匹配,如图9。运用一只电容C隔断直流成分可以节省大部分功率。但电容C的取值是个难点,需要在功耗和匹配质量间进行折衷。尚有一种采用二极管的匹配措施,如图10。这种方案虽未实现真正的“匹配”,但它运用二极管的钳位作用能迅速削弱反射信号,达到改善信号质量的目的。节能效果明显。六、RS-422与RS-485的接地问题电子系统接地是很重要的,但常常被忽视。接地解决不当往往会导致电子系统不能稳定工作甚至危及系统安全。RS-422与RS-485传播网络的接地同样也是很重要的,由于接地系统不合理睬影响整个网络的稳定性,特别是在工作环境比较恶劣和传播距离较远的状况下,对于接地的规定更为严格。否则接口损坏率较高。诸多状况下,连接RS-422、RS-485通信链路时只是简朴地用一对双绞线将各个接口的“A”、“B”端连接起来。而忽视了信号地的连接,这种连接措施在许多场合是能正常工作的,但却埋下了很大的隐患,这有下面二个因素：1共模干扰问题：正如前文已述,RS-422与RS-485接口均采用差分方式传播信号方式,并不需要相对于某个参照点来检测信号,系统只需检测两线之间的电位差就可以了。但人们往往忽视了收发器有一定的共模电压范畴,如RS-422共模电压范畴为-7+7V,而RS-485收发器共模电压范畴为-7+12V,只有满足上述条件,整个网络才干正常工作。当网络线路中共模电压超过此范畴时就会影响通信的稳定可靠,甚至损坏接口。以图11为例,当发送驱动器A向接受器B发送数据时,发送驱动器A的输出共模电压为VOS,由于两个系统具有各自独立的接地系统,存在着地电位差VGPD。那么,接受器输入端的共模电压VCM就会达到VCM=VOS+VGPD。RS-422与RS-485原则均规定VOS3V,但VGPD也许会有很大幅度（十几伏甚至数十伏）,并也许伴有强干扰信号,致使接受器共模输入VCM超过正常范畴,并在传播线路上产生干扰电流,轻则影响正常通信,重则损坏通信接口电路。图112（EMI）问题：发送驱动器输出信号中的共模部分需要一种返回通路,如没有一种低阻的返回通道（信号地）,就会以辐射的形式返回源端,整个总线就会像一种巨大的天线向外辐射电磁波。由于上述因素,RS-422、RS-485尽管采用差分平衡传播方式,但对整个RS-422或RS-485网络,必须有一条低阻的信号地。一条低阻的信号地将两个接口的工作地连接起来,使共模干扰电压VGPD被短路。这条信号地可以是额外的一条线（非屏蔽双绞线）,或者是屏蔽双绞线的屏蔽层。这是最一般的接地措施。值得注意的是,这种做法仅对高阻型共模干扰有效,由于干扰源内阻大,短接后不会形成很大的接地环路电流,对于通信不会有很大影响。当共模干扰源内阻较低时,会在接地线上形成较大的环路电流,影响正常通信。笔者觉得,可以采用如下三种措施：（1） 如果干扰源内阻不是非常小,可以在接地线上加限流电阻以限制干扰电流。接地电阻的增长也许会使共模电压升高,但只要控制在合适的范畴内就不会影响正常通信。（2） 采用浮地技术,隔断接地环路。这是较常用也是十分有效的一种措施,当共模干扰内阻很小时上述措施已不能奏效,此时可以考虑将引入干扰的节点（例如处在恶劣的工作环境的现场设备）浮置起来（也就是系统的电路地与机壳或大地隔离）,这样就隔断了接地环路,不会形成很大的环路电流。（3） 采用隔离接口。有些状况下,出于安全或其他方面的考虑,电路地必须与机壳或大地相连,不能悬浮,这时可以采用隔离接口来隔断接地回路,但是仍然应当有一条地线将隔离侧的公共端与其他接口的工作地相连。参见图12。图12七、RS-422与RS-485的网络失效保护RS-422与RS-485原则都规定了接受器门限为200mV。这样规定可以提供比较高的噪声克制能力,如前文所述,当接受器A电平比B电平高+200mV以上时,输出为正逻辑,反之,则输出为负逻辑。但由于第三态的存在,即在主机在发端发完一种信息数据后,将总线置于第三态,即总线空闲时没有任何信号驱动总线,使AB之间的电压在-200+200mV直至趋于0V,这带来了一种问题：接受器输出状态不拟定。如果接受机的输出为0V,网络中从机将把其解释为一种新的启动位,并试图读取后续字节,由于永远不会有停止位,产生一种帧错误成果,不再有设备祈求总线,网络陷于瘫痪状态。除上述所述的总线空闲会导致两线电压差低于200mV的状况外,开路或短路时也会浮现这种状况。故应采用一定的措施避免接受器处在不拟定状态。图13一般是在总线上加偏置,当总线空闲或开路时,运用偏置电阻将总线偏置在一种拟定的状态（差分电压-200mV）。如图13。将A上拉到地,B下拉到5V,电阻的典型值是1k,具体数值随电缆的电容变化而变化。上述措施是比较典型的措施,但它仍然不能解决总线短路时的问题,有些厂家将接受门限移到-200mV/-50mV,可解决这个问题。例如Maxim公司的MAX3080系列RS-485接口,不仅省去了外部偏置电阻,并且解决了总线短路状况下的失效保护问题。八、RS-422与RS-485的瞬态保护前文提到的信号接地措施,只对低频率的共模干扰有保护作用,对于频率很高的瞬态干扰就无能为力了。由于传播线对高频信号而言就是相称于电感,因此对于高频瞬态干扰,接地线实际等同于开路。这样的瞬态干扰虽然持续时间短暂,但也许会有成百上千伏的电压。实际应用环境下还是存在高频瞬态干扰的也许。一般在切换大功率感性负载如电机、变压器、继电器等或闪电过程中都会产生幅度很高的瞬态干扰,如果不加以合适防护就会损坏RS-422或RS-485通信接口。对于这种瞬态干扰可以采用隔离或旁路的措施加以防护。1隔离保护措施。这种方案事实上将瞬态高压转移到隔离接口中的电隔离层上,由于隔离层的高绝缘电阻,不会产生损害性的浪涌电流,起到保护接口的作用。一般采用高频变压器、光耦等元件实现接口的电气隔离,已有器件厂商将所有这些元件集成在一片IC中,使用起来非常简便,如Maxim公司的MAX1480/MAX1490,隔离电压可达2500V。这种方案的长处是可以承受高电压、持续时间较长的瞬态干扰,实现起来也比较容易,缺陷是成本较高。2旁路保护措施。这种方案运用瞬态克制元件（如TVS、MOV、气体放电管等）将危害性的瞬态能量旁路到大地,长处是成本较低,缺陷是保护能力有限,只能保护一定能量以内的瞬态干扰,持续时间不能很长,并且需要有一条良好的连接大地的通道,实现起来比较困难。实际应用中是将上述两种方案结合起来灵活加以运用,如图14。在这种措施中,隔离接口对大幅度瞬态干扰进行隔离,旁路元件则保护隔离接口不被过高的瞬态电压击穿。图14九、接线阐明1.DB9和DB25的常用信号脚阐明9针串口（DB9） 25针串口（DB25）针号 功能阐明 缩写 针号 功能阐明 缩写1 数据载波检测 DCD 8 数据载波检测 DCD2 接受数据 RXD 3 接受数据 RXD3 发送数据 TXD 2 发送数据 TXD4 数据终端准备 DTR 20 数据终端准备 DTR5 信号地 GND 7 信号地 GND6 数据设备准备好 DSR 6 数据准备好 DSR7 祈求发送 RTS 4 祈求发送 RTS8 清除发送 CTS 5 清除发送 CTS9 振铃批示 DELL 22 振铃批示 DELL2.RS232C串口通信接线措施（三线制）一方面,串口传播数据只要有接受数据针脚和发送针脚就能实现：同一种串口的接受脚和发送脚直接用线相连,两个串口相连或一种串口和多种串口相连• 同一种串口的接受脚和发送脚直接用线相连 对9针串口和25针串口,均是2与3直接相连;• 两个不同串口（不管是同一台计算机的两个串口或分别是不同计算机的串口）9针9针 25针25针 9针25针2 3 3 2 2 23 2 2 3 3 35 5 7 7 5 7上面表格是对微机原则串行口而言的,尚有许多非原则设备,如接受GPS数据或电子罗盘数据,只要记住一种原则：接受数据针脚（或线）与发送数据针脚（或线）相连,彼些交叉,信号地相应相接,就能百战百胜。3.串口调试中要注意的几点：• 不同编码机制不能混接,如RS232C不能直接与RS422接口相连,市面上专门的多种转换器卖,必须通过转换器才干连接;• 线路焊接要牢固,否则程序没问题,却由于接线问题误事;• 串口调试时,准备一种好用的调试工具,如串口调试助手、串口精灵等,有事半功倍之效果;• 强烈建议不要带电插拨串口,插拨时至少有一端是断电的,否则串口易损坏。(