RS232与RS485总线的比较(共9页)

RS232与RS485总线的比较一、总述总线（Bus）是一组信号线的集合，它定义了个引线的信号、电气和机械特性，使计算机系统内部的各部件之间以及外部的各系统之间建立信号联系，从而进行数据传递和通信。也可以说它是指计算机组件间规范化的交换数据的方式，是能够为CPU、内存、输入、输出设备提供传递信息的公用通道的一种内部结构，是以一种大家都接受认可并遵循的方式为各组件提供数据传送和控制逻辑。就像它的英文翻译一样，它好比是一辆穿行在城市里的汽车，而它所承载的乘客即为数据、地址等，同时它有固定的运作标准，这些标准就是对总线的插座尺寸、引线数目、信号和时序所作的统一规定。总线种类众多，数据传输方式、信息传输性质等也各有不同，同时各个总线也在功能、性质等方面各占据不同的作用。RS-232-C与RS-485总线就是众多纷繁总线中的两种，下面我将从相同点、不同点两大方面分述两种总线的性能，针对外接端子、控制方法、机械特性、电气性能、功能特性、传输质量等等方面来做出比较，总结这几个星期学习的结果，与对未来总线设计与应用的畅想。二、相同之处（一）、所属种类：总线按不同的标准可以分为很多种类，大体可分为内部总线、外部总线。内部总线又称系统总线，它提供计算机内部各个组件传递信息的通路。比如，cpu与各寄存器之间的连接。外部总线又称通信总线，是连接计算机系统之间或计算机与其他外围设备的通路。而我们所要研究的RS-232-C与RS-485总线就归属于外部总线。（二）、传输速度及抗干扰能力等优缺点 在外部总线的信息传递过程中，信息通常是通过电缆或信道上的电流或电压变化实现的。按传输线路的不同，可分为两种方式进行：并行传输和串行传输。如果一组信息在多条线上同时传递，那么这种传输方式被称作并行传输。相反，如果一组信息是通过一根传输电缆逐位传输，则它被称为串行传输。我要研究的RS-232-C与RS-485总线就属于串行传输。根据传输线路根数的不同，我们可以总结出它们各自的优点。并行传输多个数据位同时传送，其传输的高速度及高效率是串行传输所无法比拟的，多用于实时性好、时间响应好的场合。并行传送的数据宽度可以使1位到128位，但其所需数据线多，因而成本高，并行传输的距离通常小于30米，这也是限制其应用的主要因素。 串行比并行传输复杂，通常与串行接口连接的设备需要将串行传输转换成并行数据才能使用。为了解决这个问题，我们可以用异步收发器（UART）来实现串并数据的转换。异步收发器要将接收的并行数据经采样转换为串行数据发出。RS-232-C与RS-485总线是按位顺序进行传递的，因此它具有很多并行传输所不具备的优点。（1）、串行传输只需要一根传输线即可，在成本上可以有一定的节约。（2）、它的传输距离长，有的可达到几公里，在长距离内串行数据传送速率会比并行数据传送速率快，同时串行通信的时钟频率很容易提高。串行线缆可以比并行线缆长，串行接口把-3到-25V的传输信号规定为逻辑“1”，把+3到+25V的传输信号规定为逻辑“0”，而并行接口把“0”表示为0V,把“1”表示为5V。因此串行接口信号的最大幅度为50V，而并行接口的最大幅度只有5V，从线缆的损耗方面来评判两种接口方式，串行接口要小于并行接口。（3）、其抗干扰能力极强，同一根电缆线的数据传输可以不受其他线路的干扰，这也是串行传输应用极广的原因之一。但凡事有利必有弊，串行通信由于其只能逐位传输，其传输速度比并行传输要慢很多。如何解决其美中不足也将成为今后的总线传递研究中的重点。三、RS232与RS485的命名、产生与发展RS232与RS485都是串行通信接口的标准。早期集成串行发送或接收器的输出信号传输为TTL电平。TTL是Transister-Transister-Logic的英文缩写，这种被称为种晶体管-晶体管逻辑电平的TTL电平信号是用来处理计算机处理器控制设备内部各部件之间数据传输通信的标准电平。它在国际上有统一的规定，通常可用二进制表示，逻辑“0”代表+5v，逻辑“1”代表0v。然而，它的数据传输速率不高，并且抗电磁干扰能力也比较差，在大多数设备通讯中TTL多路数据信号常采用排线的方式来传送，排线数量多、连接不方便，因此它不适合远距离传输。早期人们为了借助电话网进行远距离传输而发明了调制解调器（MODEM），很多年前我们拨号上网也是利于它。为了使数据终端如计算机等与调制解调器更规范地连接，电子工业协会（简称EIA）在1962年设计并发布了RS-232串行物理标准。RS-232-C是标准格式的书写，其中RS是英文“推荐标准”（Reeom-mended standard）的缩写，232为标识号，C表示修改次数。RS-232已经成为数据终端设备与数据通信设备的接口标准，其应用范围非常广泛，不仅仅在远距离传输中用到，即使在数据终端的近距离传输中也普遍应用RS-232接口。但是随着科技的发展，RS-232并不能满足人们在数据传输方面的需求。RS-232传输速率为20kb/s时，最远传输距离仅为15m，RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰。为了弥补它的不足，EIA又在1977年改进了RS-232，并命名为RS-485。 RS-485相比于RS-232接口具有良好的抗噪声干扰性，它的传输距离相对较长。在20m内的信号传输，一般采用RS-232，而在几十米甚至上千米的传输过程中，一般采用RS-485，RS-485增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器发送到同一条总线上，其次它采用平衡发送和差分接受，增加了抑制共模干扰的能力，同时总线收发器灵敏度高，增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线的共模范围。RS-485用于多点传输，可以节省信号线。应用RS-485 可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。RS-232和RS-485标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及插件、电缆或协议，因此在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议，如某一厂家建立了一套高层通信协议，并公开给其他厂家，那么他们之间就可以进行通信。四、通信接口连接（一）、RS-232连接端子EIA规定了RS-232有25脚的针状连接器，但实际只使用了21个引脚，为了简化，在这里我只列出常使用的9个信号引脚。常用25针与9针连接插头的端子分配。 插头型号方向 缩写符号功能9针 25针 1 2 输入 DCD 数据信号检测 2 3 输入 RXD 接收数据 3 4 输出 TXD 发送数据 4 5 输出 DTR 数据信号检测 5 6 接地 GND 信号地 6 7 输入 DSR数据设备准备好 7 8 输出 RTS 请求发送 8 20 输入 CTS 为发送清零 9 22 输入 RI 数据信号检测23456782022 2 3终端 4 5 6 7 8 20 22调制解调器MODEN 下面按顺序具体解释一下各引脚功用：TXD(Transmitted data)、RXD(Received data)：分别发送数据和接收数据线。TXD既是终端的输出，又是调制解调器MODEM的输入；对RXD而言，则正好相反。RTS（Request to send）。、CTS（Clear to send）：RTS为请求发送，而CTS为清除发送，他们涉及半双工通信。当有字符发送时，终端用RTS信号通知MODEM，当MODEM可以接受DTE的数据而向传输线发送时就用CTS信号应答终端，此时发送才可以开始。当进行全双工通信时，RTS和CTS线应保持恒定的接通电平。DTR(Data terminal ready)：此引脚为“数据终端准备好”功能，当终端一加电，该信号就有效，表明终端可用。DSR（Data set ready)：“数据通信准备好”功能，当MODEM已经接通电源，同时表明MODEM已经连接到通信线路上，而且不是出于测试方式或者断开状态。DCD(Data Carrier dectection）：此为“载波检测”功能，当远程MODEM接收到正确的载波信号时，MODEM向DTE发送信号。DTE和MODEM在传送数据之前需要先接收到DCD信号，在传播过程中DCD信号也应该保持接通不变。RI(Ringing)：此为“振铃”功能，在自动应答MODEM中用它来知识MODEM是否正在接受一个电话振铃信号。GND：“信号地”。它是其他信号的参考点。当RS-232连接两台终端设备时，他们之间的连接网络可以使用MODEM，也可不使用MOEDM信号。一般在小于50英尺时，不需要使用MODEM，两个RS-232接口可以直接互连。TXD3 3TXD虽然不接MODEM,但途中仍连接有关的MODEM信号线.INT 14H需要使用与MODEM有关的信号，当没有调用INT 14H并且在编程中也没有使用到与MODEM有关的信号，则可以不连接MODEM信号线。RXD2 2RXDRTS7 7RTSCTS8 8CTSDSR6 6DSRDTR4 4DTRGND5 5GND计算机1 计算机2使用MODEM信号的RS-232接口从图中可以看出，TXD与RXD交叉相连为了交换信息，RTS、CTS与DCD连接，这是用RTS信号来产生清除发送CTS和载波检测DCD信号，以满足全双工通信的逻辑控制。用类似的方式可以将DTR、DSR和RI互连，用数据终端准备好来产生数据装置准备好和振铃提示，以满足RS-232通信控制逻辑的要求。TXD3 3TXDRXD2 2RXDRTS7 7RTSCTS8 8CTSDSR6 6DSRDTR4 4DTRGND5 5GND计算机1 计算机2不使用MODEM信号的RS-232接口（二）、RS-485接口标准目前，RS-232是PC机与通信工业中应用范围最广的一种串行接口。RS-232被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。RS-232采取不平衡传输方式，即单端通讯。与RS-232不同，RS-485接口采用二线差分平衡传输，当采用+5V电源供电时：如果差分电压信号为-2500-200mV时，为逻辑“0”；如果差分电压信号为+2500+200mV时，为逻辑“1”；如果差分电压信号为-200+200mV时，为高阻态。此外，RS-485中还有一个“使能”端，它是用来控制发送驱动器与传输线的切断与连接。当“使能”端起作用时，发送驱动处于高阻态，也成为“第三态”。为了减小RS-232的噪声，RS-485在设计师采用了差分平衡线路，即在发送端，驱动器将TTL电平信号转换成差分信号输出，在接收端，接收器将差分信号变为TTL电平，因此就具有抑制共模干扰能力，加上接收器使得它既有较高的灵敏度，能检测200mV的电压，数据传输可以达到千米以外。A差分平衡电路图如下： 接收发送B上图中一根导线上的电压是另外一根导线上的电压值去翻。接收器的输入电压为这两根导线电压的差值-。由于在它的两根信号线上传递着大小相同、方向相反的电流，而噪声电压常在两根导线上同时出现，用差分平衡电路就会使其中一根导线上出现的噪声电压被另一根导线上出现的噪声电压抵消，因而可以大大地削弱噪声对信号的影响，从而在性能上改进RS-232的不足。与此同时，差分电路可以不受节点间接低电平差异的影响。在非差分电路中（也就是单端电路），多个信号功用一根接地线，在长距离传输时，不同节点接地线的电平差异可能相差好多，甚至会引起信号的误读，此时用差分电路则可以不受到接地电平差异的影响。另外，RS-485的价格比较便宜，能够方便地加载到任何工业系统中，能够比RS-232有更长的传输距离、更快的速度以及更多的节点。RS-485接口允许在多处理器之间用常规线相互通信，最多是可达到32个。RS-485的每一个节点都有唯一的几点ID编号，节点0通常分配给主设备。五、电气参数规定 RS-232 RS-485 传输方式 单端 差分 最大节点数 1收1发 32收1发 最大传输距离 15m 1200m（速率100Kbit/s） 最大传输速度 20Kbit/s10Mbit/s（距离12m） 驱动器最大输出/V 6驱动器最小输出/V 5 1.5 接收器敏感度/V 3 0.2 驱动负载阻抗（） 3K7 54 摆率（最大值） 30 V /s N/A 接收器输入电压范围/V -7+12 接收器输入门限电压3V 200mV 接收器输入电阻（）3K7 K 12K 驱动器共模电压/V -1+3 接收器共模电压/V -7+12典型的RS-232信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端的驱动器输出正电平在+5+15V，负电平在-5-15V之间。当没有数据传输时，线上未TTL,从开始传输数据到结束，线上电平从TTL电平到RS-232电平再返回TTL电平。接收器典型的正工作电平再+3+12V，负电平在-3-12V。由于发送电平和接收电平的差仅为2V到3V，所以共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大为15M，最高速率为20Kbit/s。由于RS-232用于一对收发设备通讯，所以它只适合本地设备之间的通讯。如上表中可以看出，RS-485是在RS-232的基础上设计的，RS-485可以采用二线与四线方式，二线制可以真正实现多点双向通讯。而在采用四线连接时，只能实现点对多的通信，也就是只有一个主设备，其他全为从设备，但无论哪种连线方式，总线上可最多接到32个设备。此外，平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100KB/S一下的速率才可以使用规定最长的电缆，只有在短距离传输时才能获得最高速率的传输。另外还需强调，RS-485要在终端接两个电阻，其阻值要等于传输电缆的特性阻抗。在近距离（300m）时不需要终接电阻，终接电阻要接在传输总线的两端。六、发送器与收发器发送器与接收器是串行接口的核心部件，它主要完成串-并行转换功能，即把计算机输出的秉性数据转换成异步通信所需的串行码输出，将收到的串行输入码装换成计算机所需的并行数据。此外，发送器和接收器还产生和处理RS-232接口所需的控制与状态信号，如DTR、DSR、RTS、CTS、DCD及RI。（一）、RS-232电平转换器为了实现采用+5V供电的TTL与CMOS通信接口电路能与RS-232标准接口连接，必须进行串行口的输入输出信号电平转换。常用的转换器有单一+5V电源供电的多路RS-232驱动器/接收器，如MAX232A，下面以此为例大致介绍工作原理。MAX232A芯片内部有双充电泵电压变换器，能把+5V转变成+10V，作为驱动器的电源，并具有两路发送器及两路接收器。此外，单一的+5V电源供电的点平转换器还有TL232、ICL232等。（二）、RS-485收发器RS-485收发器用TI公司的产品为例，SN75LBC184为商业级，SN65LBC184为工业级产品。引脚如下：1 82 73 64 51（R）：接收端2（RE）：接收使能，低电平有效3（DE）：发送使能，高电平有效4（D）：发送端5(GND)：信号地6（A）：差分正输入端7（B）：差分负输入端8（）：+5V电源七、基于RS-485的安装与保护 （一）、RS-485的网络安装 RS-48支持32个节点构成网络拓扑结构，其一般采用终端匹配的总线型结构，不支持环形或星形网络。在构建网络时，应注意：1、采用一条双绞线电缆作总线，将各个节点串联起来，从总线到每个节点的应出现长度尽量短，以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。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，主要原因是信号在各支路末端反射后与原信号叠加，造成信号质量下降。2、总线特性阻抗的连续性值得注意，在阻抗不连续点就会发生信号的反射。总线的不同区段采用了不同的电缆，或某一段总线上有过多的收发器紧靠在以前装，再或者是过长的分支线引出到总线。总之应采取一条单一并且连续的信号通道作为总线。（二）、RS-485的网络失效保护 RS-485规定了接收器门限为200mV，这样能够提供较高的噪声抑制能力。P100 图（三）、RS-485的接地问题RS-485不合适地接地会影响整个网络的稳定性，尤其是在工作环境比较恶劣的情况。很多情况下通信链路只是简单地用一堆双绞线将各个接口的“A”“B”端连接起来，而忽略了信号地的连接。这样会带来很多隐患，原因如下：1、 共模干扰：虽然RS-485采用差分方式传输信号，不需要相对于某一个参考点来检测信号，系统只需检测两线之间的电位差就可以了，但往往忽略收发器也有一定的共模电压范围（-7到+12V）。当网络线路中共模电压超出这个范围时就会影响通信的稳定可靠甚至损坏接口。2、 EMI问题：发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路，如果没有一个低阻的返回通路，就会以辐射形式返回源端，整个网络就会想一个巨大的天线向外辐射电磁波。虽然采用了差分平衡方式，但对整个网络必须要有一条低阻信号地。用它将两个接口的工作地连接起来，使共模干扰电压被短路。这样的信号地可以使额外的一条线，也可以是屏蔽双绞线的屏蔽层。但这种方法只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。这是可采用下面的措施：（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。接地电阻的增加可能会使共模电压升高，但只要控制在适当的范围内就不会影响正常通信。（2）、采用浮地技术，隔断接地环路。当共模干扰内阻很小时，可以考虑将引入干扰的节点浮置起来，即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。有些情况下，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，但是仍然应该有一条地线将隔离侧的公共端与其他接口的工作地相连。 见下图：隔离 (四)、RS-485的瞬态保护上述接地措施只能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能力就无法解决了。由于传输线对高频信号而言相当于电感，因此对于高频瞬态干扰，接地线等同于开路，这样瞬态干扰虽然持续时间短暂，但可能会有成百上千伏的电压。实际应用环境下，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都会产生幅度很高的瞬态干扰，如果不加以保护就会损坏RS-485通信接口。对于此，我们可以采用以下方法保护：1、 隔离保护方法：此法实际上是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，从而起到保护接口的作用。通常采用高频变压器、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，使用十分方便。如MAX1480/1490，隔离电压可达2500V。这种方案可以承受高电压和持续时间较长的瞬态干扰，但成本较高。2、 旁路保护方法：利用瞬态抑制元件将危害性的瞬态能量放送到大地上，优点是成本地，但只能保护一定能量以内的瞬态干扰，持续时间较短，而且需要一条良好的与大地连接的通道，实现起来比较困难，并且有不太好的环境保护能力。 实际应用中是将上述两种方案结合起来灵活运用，在这方法中，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。八、未来展望PC与智能设备通讯多借助RS232、RS485、以太网等方式，主要取决于设备的接口规范。但RS232、RS485只能代表通讯的物理介质层和链路层，如果要实现数据的双向访问，就必须自己编写通讯应用程序，但这种程序多数都不能符合ISO/OSI的规范，只能实现较单一的功能，适用于单一设备类型，程序不具备通用性。在RS232或RS485设备联成的设备网中，如果设备数量超过2台，就必须使用RS485做通讯介质，RS485网的设备间要想互通信息只有通过“主（Master）”设备中转才能实现，这个主设备通常是PC，而这种设备网中只允许存在一个主设备，其余全部是从（Slave）设备。而现场总线技术是以ISO/OSI模型为基础的，具有完整的软件支持系统，能够解决总线控制、冲突检测、链路维护等问题。