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  • 一篇博客带你认识串口、COM口、UART、TTL、USB、RS-232、RS-485、I2C、SPI、CAN、1-WIRE

    电子产品,如电脑,鼠标,充电器,包括汽车等,我们身边有很多接口,这篇博客带你认识这些接口,知道长什么样子,用在什么地方,怎么用,原理是什么?

    一、串口

    1、串口概述

    串行接口简称为串口,也叫串行通信接口,一般也叫COM口,这是一个统称,采用串行通信的接口都叫作串口,串口是一个硬件接口。

    2、公头和母头

    有公头和母头之分,大家可以自行记忆,左边有孔的为母头,另外一个就为公头。

    在这里插入图片描述

    公头和母头

    3、串行和并行

    串行:计算机总线或其他数据通道上,每次传输一个位元数据,并连续进行以上单次过程的通信方式。

    并行:在串行端口上通过一次同时传输若干位元数据的方式进行通信,所以并行的速度比串行快。

    在这里插入图片描述

    串行和并行示意

    二、UART

    UART是Universal Asynchronous Receiver/Transmitter的简称,意为通用异步收发传输器,UART包含TTL电平的串口和RS-232电平的串口,使用UART通信的双方设备都需要遵从UART协议。

    三、TTL电平

    1、TTL概述

    TTL是Transistor-Transistor Logic的简写,是一种电平逻辑,晶体管-晶体管逻辑。

    2、标准TTL电平逻辑

    逻辑1代表高电平,连接到电源VCC,逻辑0为低电平,连接到电源地。

    • 逻辑1,高电平,VCC(3.3V/5V)
    • 逻辑0,低电平,GND(0V)

    TTL有电压范围,分为输出高、低电平和输入高、低电平,输出高电平用VOHV_{OH}表示,输出低电平用VOLV_{OL}表示;输入高电平用VIHV_{IH}表示,输入低电平用VILV_{IL}表示。

    对TTL电平的器件来说,当输入电压高于2V时,才会被识别为逻辑1,输入的低电平低于1.2V时,才会被识别为0,这是为什么输出高电平2.4V,高于2V;输出低电平0.8V,低于1.2V的原因所在。如下是标准TTL电平,TTL有很多类型,电压有所区别。

    • VOH>2.4VVOL<0.8VV_{OH}>2.4V,V_{OL}<0.8V
    • VIH>2.0VVIL<1.2VV_{IH}>2.0V,V_{IL}<1.2V

    3、USB转TTL

    玩过51单片机的小伙伴都用过CH340G模块,用来下载HEX文件,这个模块的作用就是将USB转成TTL电平,一般单片机的电平都是TTL电平,模块的内部芯片是CH340T,ST官方推荐。

    在这里插入图片描述

    USB转TTL模块

    使用CH340T芯片,USB转TTL电平的电路原理图。

    在这里插入图片描述

    USB转TTL原理图

    4、与单片机连接

    TTL电平的器件之间通信,只需要三根信号线:TXD、RXD和GND,和单片机接法很简单,3.3V单片机就接3.3V,5V单片机就接5V,如果单片机有单独的供电,3.3V和5V都不接。
    在这里插入图片描述

    USB转TTL模块与单片机的连接

    四、USB

    1、USB概述

    USB是Universal Serial Bus(通用串行总线)的缩写,是一个外部总线标准,用于规范电脑与外部设备的连接和通讯,是应用在PC领域的接口技术,特点是传输速度快,支持热插拔,可连接多个设备。

    我们在很多地方可以看到USB的身影,鼠标,键盘,手机充电器,现在几乎所有的电子充电设备都是USB接口,如下是各个USB的物理接口。

    在这里插入图片描述

    USB接口分类

    2、USB速率

    • 1MB/s=8Mbps(1个Byte等于8bit)

    • USB1.0 低速(Low Speed) 传输速率为 1.5Mbps;

    • USB1.1 全速(Full Speed) 传输速率为 12Mbps;

    • USB2.0 高速(High Speed) 传输速率为 480Mbps;

    • USB3.0 超速(SuperSpeed) 传输速率为 5Gbps;

    • USB3.1 Gen2 超高速(SuperSpeed+) 传输速率为 10Gbps;

    3、USB接口定义

      最常见的的Type-A型USB接口定义如下。

    Pin# Name 颜色
    1 VBUS/+5V 红色
    2 D-/Data-/DM 白色
    3 D+/Data+/DP 绿色
    4 GND 黑色

    在这里插入图片描述

    Type-A型接口

    五、RS-232

    1、RS-232概述

    RS-232接口符合美国电子工业联盟(EIA)制定的串行数据通信的接口标准,原始编号全称是EIA-RS-232(简称232,RS232)。它被广泛用于计算机串行接口外设连接,连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。

    2、RS-232电平逻辑

    RS-232不同于TTL的电平逻辑,为负逻辑,负12V代表高电平逻辑1,正12V代表低电平逻辑0,电压也有标准范围。

    • 高电平,逻辑1,-15V to -3V
    • 低电平,逻辑0,+3V to +15

    除了TTL,RS232,还有一个CMOS电平标准

    • VOH>0.9VCCV_{OH}>0.9*VCCVOL<0.1VCCV_{OL}<0.1*VCC
    • VIH>0.7VCCV_{IH}>0.7*VCCVIL<0.3VCCV_{IL}<0.3*VCC

    3、DB9接口定义

    下图是DB9公头和母头的定义,一般用的最多的是RXD、TXD、GND,三个信号。

    在这里插入图片描述

    DB9公头和母头接口信号定义

    工业场合还会用到DB-25的RS232,DB9和DB25接口可以转换。

    在这里插入图片描述

    DB9转DB25数据线

    4、USB转RS-232

    USB转232,可以先将USB转换为TTL,再将TTL转换为RS232,当然市面上也有很多USB直接转RS232的线材,线材内部集成转换电路,淘宝上某USB转RS232用的两个芯片是FT232和SP213。

    在这里插入图片描述

    USB转RS232数据线

    5、TTL和RS-232互转

    单片机接口一般是TTL电平,如果需要接232电平的外设,就需要加TTL转RS232的模块,转换方向是双向的。

    TTL和RS232电平互相转换最常用的芯片是MAX232和SP3232

    在这里插入图片描述

    TTL和RS-232转换模块

    六、RS-485

    1、RS-485概述

    RS-485和RS-232一样,都是串行通信标准,现在的标准名称是TIA/EIA-485-A,习惯称为RS-485标准,RS-485弥补了RS-232通信距离短,速率低的缺点。

    RS-485和RS-232单端传输不一样,是差分传输,使用一对双绞线,其中一根线定义为A,另一个定义为B。

    2、RS-485电平逻辑

    RS-485是差分传输,一般收发器内部是一个发送器加一个收发器组成。下图是收发器典型的功能框图。

    对于使能信号,字母上面加一横的为低电平有效,不加的为高电平有效。

    在这里插入图片描述
    对于发送器,有如下的真值表:

    • 当驱动器使能引脚DE为逻辑高时,差分输出A和B遵循数据输入D处的逻辑状态。D处的逻辑高导致A转为高,B转为低。在这种情况下,定义为VOD=VAVBV_{OD}=V_A–V_B的差分输出电压为正。当D为低时,输出状态反转,B变高,A变低,VODV_{OD}为负。
    • 当DE低时,两个输出都变成高阻抗。在这种情况下,与D处的逻辑状态是不相关的。

    在这里插入图片描述

    RS-485发送器真值表

    对于接收器,有如下的真值表

    • 当接收器使能引脚RE逻辑低时,接收器被激活。当定义为VID=VAVBV_{ID}=V_A–V_B的差分输入电压为正且高于正输入阈值VIT+V_{IT+}时,接收机输出R变高。当VIDV_{ID}为负且低于负输入阈值VITV_{IT-},接收机输出R变低。如果VIDV_{ID}VIT+V_{IT+}VITV_{IT-}之间,则输出不确定。
    • 当RE为逻辑高或悬空时,接收机输出为高阻抗,VIDV_{ID}的大小和极性无关。

    在这里插入图片描述

    RS-485接受器真值表

    很多收发器的标准达到甚至超过TIA/EIA-485A规范,在实际使用中,以器件的SPEC参数为主。

    在这里插入图片描述

    3、TTL和RS-485转换

    TTL转成RS-485很常见,收发器芯片市面上很多,比如MAX485,用起来也很简单,一般左边接MCU的GPIO,用来控制。

    在这里插入图片描述

    TTL转RS-485电路示意

    4、RS-232和RS-485转换

    RS-232和RS-485之间可以转换,一个方法是RS-232转换成TTL,再由TTL转换为RS-485,当然也有芯片支持将RS-232支持转换成RS-485,双向转换。

    在这里插入图片描述

    RS-232和RS-485转换模块

    七、IIC

    1、IIC概述

    IIC总线是由Philips公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线,IIC只需要两根线进行通信,SDA(串行数据线)和SCL(串行时钟线)

    下图是I2C总线的典型结构,同一时刻可以单主机多从机或单主机单从机,I2C总线上的任意设备都可以当主机,一般主机是MCU,当有多个主机时,会通过总线仲裁的方式选出一个主机,其他退出作从机。

    在这里插入图片描述

    IIC典型总线架构

    了解更多IIC总线的知识,可以查看博主之前写的博文《IIC软件协议及硬件知识汇总》

    2、IIC速率

    • 标准模式:100Kbit/s
    • 快速模式:400Kbit/s
    • 高速模式:3.4Mbit/s

    八、SPI

    1、SPI概述

    SPI是串行外设接口(Serial Peripheral Interface)的缩写,是一种高速的,全双工,同步的通信总线,SPI的速率比I2C高,一般可以到几十Mbps,不同的器件当主机和当作从机的速率一般不同。

    2、SPI信号线

    • MISO – Master Input Slave Output,主设备数据输入,从设备数据输出;
    • MOSI – Master Output Slave Input,主设备数据输出,从设备数据输入;
    • SCLK – Serial Clock,时钟信号,由主设备产生;
    • CS – Chip Select,从设备使能信号,由主设备控制;

    3、SPI典型应用

      SPI最典型的应用是单主机单从机,下图是接线方式,当然也可以多从机。

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    SPI单主机单从机连接方式

    关于SPI的详细知识,博主后续会专门更新一篇博客介绍。

    九、CAN

    1、CAN概述

    CAN是Controller Area Network的简称,是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络,现在是汽车网络的标准协议。

    2、CAN电平逻辑

    电平 逻辑 总线Value
    显性电平 0 CAN_H=3.5V,CAN_L=1.5V
    隐性电平 1 CAN_H=2.5V,CAN_L=2.5V

    了解更多关于CAN总线的知识,可以查看博主写的博客《CAN总线入门》

    十、1-WIRE

    1、1-WIRE概述

    单总线是美国DALLAS公司推出的外围串行扩展总线技术,与SPI、I2C串行数据通信方式不同,它采用单根信号线,既传输时钟又传输数据,而且数据传输是双向的。

    2、1-WIRE典型框图

    如下是1-WIRE的典型框图,可以看到微处理器和1-WIRE器件之间只有一根线。

    • 当MCU发送逻辑1时,经过反相器,总线呈现逻辑0,逻辑0经过1-WIRE器件的反相器,即会收到逻辑1

    • 当MCU发送逻辑0时,经过反向器,总线呈现逻辑1,逻辑1经过1-WIRE器件的反相器,即会收到逻辑0

    • 同理,当1WIRE器件发送逻辑1时,Tx处有NMOS会导通,总线呈现逻辑0,经过MCU Rx处的反相器,MCU会收到逻辑1

    • 发送逻辑0时,NMOS截止,总线呈现逻辑1,MCU会收到逻辑0

    点击《1-Wire 单总线硬件结构及软件时序分析(实测波形+C代码分析)》了解更详细的1-Wire知识。
    在这里插入图片描述

    典型1-WIRE结构图

    今天的文章到这里就结束了,希望对你有帮助,我们下一期见。

    展开全文
  • 一、RS-232、RS-422与RS-485的由来 RS-232、RS-422与RS-485都是串行数据接口标准,最初都是由电子工业协会(EIA)制订并发布的,RS-232在1962年发布,命名为EIA-232-E,作为工业标准,以保证不同厂家产品之间的兼容...
  • 普遍当用户要将基于标准的RS-232 接口设备如PC 机连接至由RS-485/RS-422 构成 的通讯网络时则必须作RS-232和RS-485/RS-422之间的电平转换传统的做法是在设备 内扩展一个通讯适配卡由通讯适配卡实现电平转换内部主机...
  • 波仕电子微型通用RS-232/RS-485/RS-422/光纤转换器pdf,波仕电子微型通用RS-232/RS-485/RS-422/光纤转换器
  • 常见的串口协议有RS-232、RS-422、RS-485等,他们之间有何细微差别?下面我们就一起来探讨一下。  一、UART是什么  UART是通用异步收发传输器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter),通常称作UART,是...
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  • 文章目录一、UART是什么二、RS-232标准三、RS-485、RS-422标准四、RS-232与RS-485对比五、RS-422与RS-485对比六、影响RS-485总线通讯速度和通信可靠性的三个因素七、RS-485总线的负载能力和通讯电缆长度之间的关系八...


    串口通讯是电子工程师面对的最基本的一个通讯方式,RS-232是其中最简单的一种。然而,很多初学者往往搞不清楚UART和RS-232、RS-422、RS-485的联系和区别,本文将谈谈这几个概念的理解,帮助大家理清它们之间的关系。

    通讯问题,和交通问题一样,也有高速、低速、拥堵、中断等等各种情况。如果把串口通讯比做交通,UART比作车站,那么一帧的数据就好比汽车。汽车跑在路上,要遵守交通规则。如果是市内,一般限速30、40,而高速公路则可以到120。而汽车走什么路,限速多少,就要看协议怎么规定了。常见的串口协议有RS-232、RS-422、RS-485等,他们之间有何细微差别?下面我们就一起来探讨一下。

    一、UART是什么

    UART是通用异步收发传输器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter),通常称作UART,是一种异步收发传输器,是设备间进行异步通信的关键模块。UART负责处理数据总线和串行口之间的串/并、并/串转换,并规定了帧格式;通信双方只要采用相同的帧格式和波特率,就能在未共享时钟信号的情况下,仅用两根信号线(Rx 和Tx)就可以完成通信过程,因此也称为异步串行通信。
    在这里插入图片描述

    若加入一个合适的电平转换器,如SP3232E、SP3485,UART 还能用于RS-232、RS-485 通信,或与计算机的端口连接。UART 应用非常广泛,手机、工业控制、PC 等应用中都要用到UART。
    在这里插入图片描述

    UART使用的是 异步,串行通信。

    串行通信是指利用一条传输线将资料一位位地顺序传送。特点是通信线路简单,利用简单的线缆就可实现通信,降低成本,适用于远距离通信,但传输速度慢的应用场合。

    异步通信以一个字符为传输单位,通信中两个字符间的时间间隔多少是不固定的,然而在同一个字符中的两个相邻位间的时间间隔是固定的。

    数据传送速率用波特率来表示,即每秒钟传送的二进制位数。例如数据传送速率为120字符/秒,而每一个字符为10位(1个起始位,7个数据位,1个校验位,1个结束位),则其传送的波特率为10×120=1200字符/秒=1200波特。

    数据通信格式如下图:

    在这里插入图片描述

    其中各位的意义如下:

    起始位:先发出一个逻辑”0”信号,表示传输字符的开始。数据位:可以是5~8位逻辑”0”或”1”。如ASCII码(7位),扩展BCD码(8位)。小端传输校验位:数据位加上这一位后,使得“1”的位数应为偶数(偶校验)或奇数(奇校验)停止位:它是一个字符数据的结束标志。可以是1位、1.5位、2位的高电平。空闲位:处于逻辑“1”状态,表示当前线路上没有资料传送。

    注:异步通信是按字符传输的,接收设备在收到起始信号之后只要在一个字符的传输时间内能和发送设备保持同步就能正确接收。下一个字符起始位的到来又使同步重新校准(依靠检测起始位来实现发送与接收方的时钟自同步的)
    在这里插入图片描述

    二、RS-232标准

    RS-232是美国电子工业协会EIA(Electronic Industry Association)制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写,232为标识号。RS-232是对电气特性以及物理特性的规定,只作用于数据的传输通路上,它并不内含对数据的处理方式。需要说明一下,很多人经常把RS-232、RS-422、RS-485 误称为通讯协议,这是很不应该的,其实它们仅是关于UART通讯的一个机械和电气接口标准(顶多是网络协议中的物理层面)。

    该标准规定采用一个25 个脚的DB-25 连接器,对连接器的每个引脚的信号内容加以规定,还对各种信号的电平加以规定。后来IBM的PC 机将RS-232 简化成了DB-9 连接器,从而成为今天的事实标准。而工业控制的RS-232 口一般只使用RXD(2)、TXD(3)、GND(5) 三条线。
    在这里插入图片描述

    早期由于PC都带有RS-232接口,所以我们需要使用UART时,都选择RS-232。但是现在个人电脑,不光是笔记本,包括台式机都不再带有RS-232的接口,大家看到电脑主板上面没有DB9的接口。所以现在开发板都选择TTL的UART,或者直接UART转USB做在开发板上。

    嵌入式里面说的串口,一般是指UART口, 但是我们经常搞不清楚它和COM口的区别, 以及RS232, TTL等关系, 实际上UART,COM指的物理接口形式(硬件), 而TTL、RS-232是指的电平标准(电信号).

    UART有4个pin(VCC, GND, RX, TX), 用的TTL电平, 低电平为0(0V),高电平为1(3.3V或以上)。

    在这里插入图片描述

    三、RS-485、RS-422标准

    RS-232接口可以实现点对点的通信方式,但这种方式不能实现联网功能。于是,为了解决这个问题,一个新的标准RS-485产生了。RS-485的数据信号采用差分传输方式,也称作平衡传输,它使用一对双绞线,将其中一线定义为A,另一线定义为B。

    通常情况下,发送驱动器A、B之间的正电平在+2~+6V,是一个逻辑状态,负电平在-2~6V,是另一个逻辑状态。另有一个信号地C,在RS-485中还有一“使能”端,而在RS-422中这是可用可不用的。

    RS-422 的电气性能与RS-485完全一样。主要的区别在于:RS-422 有4 根信号线:两根发送、两根接收。由于RS-422 的收与发是分开的所以可以同时收和发(全双工),也正因为全双工要求收发要有单独的信道,所以RS-422适用于两个站之间通信,星型网、环网,不可用于总线网;RS-485 只有2 根信号线,所以只能工作在半双工模式,常用于总线网。

    在这里插入图片描述

    RS-485的电气特性:逻辑“1”以两线间的电压差为+(26)V表示;逻辑“0”以两线间的电压差为-(26)V表示。接口信号电平比RS-232-C降低了,就不易损坏接口电路的芯片,且该电平与TTL电平兼容,可方便与TTL 电路连接。

    RS-485的数据最高传输速率为10Mbps 。

    RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合,抗共模干扰能力增强,即抗噪声干扰性好。

    RS-485最大的通信距离约为1219M,最大传输速率为10Mb/S,传输速率与传输距离成反比,在100Kb/S的传输速率下,才可以达到最大的通信距离,如果需传输更长的距离,需要加485中继器。RS-485总线一般最大支持32个节点,如果使用特制的485芯片,可以达到128个或者256个节点,最大的可以支持到400个节点。

    由于RS-232 接口标准出现较早,难免有不足之处,主要有以下四点:

    (1) 接口的信号电平值较高,易损坏接口电路芯片,又因为232电平与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) 传输速率较低,在异步传输时,波特率为20Kbps。现在由于采用了新的UART芯片,波特率达到115.2Kbps(1.832M/16);

    (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输形式,这种共地传输容易产生共模干扰,所以抗噪声干扰性弱;

    (4) 传输距离有限,最大传输距离标准值为50 米,实际上也只能用在15 米左右;

    (5) RS-232 只容许一对一的通信,没有考虑构成串行总线。(这点很重要,在很多控制场景,是一控多,如果主设备都需要跟从设备点对点通信,那现场布线成蜘蛛网了)

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    非平衡型串行通信接口RS-423,RS-449

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    平衡型串行通信接口RS-422

    RS-422(EIA RS-422-A Standard)是Apple的Macintosh计算机的串口连接标准。RS-422使用差分信号,RS-232使用非平衡参考地的信号。差分传输使用两根线发送和接收信号,对比RS-232,它能更好的抗噪声和有更远的传输距离。在工业环境中更好的抗噪性和更远的传输距离是一个很大的优点。

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    四、RS-232与RS-485对比

    1、抗干扰性:RS485 接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合,抗噪声干扰性好。RS232 接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式,这种共地传输容易产生共模干扰。

    2、传输距离:RS485 接口的最大传输距离标准值为 1200 米(9600bps 时),实际上可达 3000 米。RS232 传输距离有限,最大传输距离标准值为 50 米,实际上也只能用在 15 米左右。

    3、通信能力:RS-485 接口在总线上是允许连接多达128个收发器,用户可以利用单一的 RS-485 接口方便地建立起设备网络。RS-232只允许一对一通信。

    4、传输速率:RS-232传输速率较低,在异步传输时,波特率为 20Kbps。RS-485 的数据最高传输速率为 10Mbps 。

    5、信号线:RS485 接口组成的半双工网络,一般只需二根信号线。RS-232 口一般只使用 RXD、TXD、GND 三条线 。

    6、电气电平值:RS-485的逻辑"1"以两线间的电压差为+(2-6) V 表示;逻辑"0"以两线间的电压差为-(2-6)V 表 示 。在 RS-232-C 中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即:逻辑"1",-5- -15V;逻辑"0 " +5- +15V 。

    五、RS-422与RS-485对比

    RS-485的电气性能与RS-422完全一样。主要的区别在于:

    1、RS-422 有4 根信号线:两根发送(Y、Z)、两根接收(A、B)。由于RS-422 的收与发是分开的所以可以同时收和发(全双工)。

    2、RS-485 只有两根数据线:发送和接收都是A 和B。由于RS-485 的收与发是共用两根线,所以不能同时收和发(半双工)。

    RS-485标准采用平衡式发送,差分式接收的数据收发器来驱动总线,具体规格要求:

    接收器的输入电阻RIN≥12kΩ

    驱动器能输出±7V的共模电压

    输入端的电容≤50pF

    在节点数为32个,配置了120Ω的终端电阻的情况下,驱动器至少还能输出电压1.5V(终端电阻的大小与所用双绞线的参数有关)

    接收器的输入灵敏度为200mV(即(V+)-(V-)≥0.2V,表示信号“0”;(V+)-(V-)≤-0.2V,表示信号“1”)
    在这里插入图片描述

    因为RS-485的远距离、多节点(32个)以及传输线成本低的特性,使得EIA RS-485成为工业应用中数据传输的首选标准。

    (1) RS-485 的电气特性:发送端:逻辑“0”以两线间的电压差+(2 ~6)V 表示;逻辑“1”以两线间的电压差-(2 ~6)V 表示。接收端:A 比B 高200mV 以上即认为是逻辑“0”,A 比B 低200mV 以上即认为是逻辑“1”;

    (2) RS-485 的数据最高传输速率为10Mbps。但是由于RS-485 常常要与PC 机的RS-232 口通信,所以实际上一般最高115.2Kbps。又由于太高的速率会使RS-485 传输距离减小,所以往往为9600bps 左右或以下;

    (3) RS-485 接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合,抗噪声干扰性好;

    (4) RS-485 接口的最大传输距离标准为1200 米(9600bps 时),实际上可达3000米,RS-485 接口在总线上是容许连接多达128 个收发器、即RS-485 具有多机通信功能,这样用户可以利用单一的RS-485 接口方便的建立起网络。因为RS-485 接口组成的半双工网络,一般只需二根信号线,所以RS-485 接口均采用双绞线传输。RS-485 的国际标准并没有规定RS-485 的接口连接器标准、所以采用接线端子或者DB-9、DB-25 等连接器都可以。

    在使用RS-485 接口时,对于特定的传输线径,从发生器到负载其数据信号传输所容许的最大电缆长度是数据信号速率的函数,这个长度数据主要是受信号失真及噪声等影响所限制。最大电缆长度与信号速率的关系曲线是使用24AWG 铜芯双绞电话电缆(线径为0.51mm),线间旁路电容为52.5PF/M,终端负载电阻为100 欧时所得出的。(引自GB11014-89 附录A)。当数据信号速率降低到90Kbit/S 以下时,假定最大容许的信号损失为6dBV 时,则电缆长度被限制在1200m。实际上,在实用时是完全可以取得比它大的电缆长度。当使用不同线径的电缆,则取得的最大电缆长度是不相同的。例如:当数据信号速率为600Kbit/S 时,采用24AWG 电缆,最大电缆长度是200m,若采用19AWG电缆(线径为0.91mm)则电缆长度将可以大于200m;若采用28AWG 电缆(线径为0.32mm),则电缆长度只能小于200m。

    RS-485的远距离通信建议采用屏蔽电缆,并且将屏蔽层作为地线。

    六、影响RS-485总线通讯速度和通信可靠性的三个因素

    1、在通信电缆中的信号反射

    在通信过程中,有两种信号因素导致信号反射:阻抗不连续和阻抗不匹配。

    阻抗不连续,信号在传输线末端突然遇到电缆阻抗很小甚至没有,信号在这个地方就会引起反射,如图所示。这种信号反射的原理,与光从一种媒质进入另一种媒质要引起反射是相似的。消除这种反射的方法,就必须在电缆的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻,使电缆的阻抗连续。由于信号在电缆上的传输是双向的,因此,在通讯电缆的另一端可跨接一个同样大小的终端电阻。

    在这里插入图片描述

    从理论上分析,在传输电缆的末端只要跨接了与电缆特性阻抗相匹配的终端电阻,就再也不会出现信号反射现象。但是,在实现应用中,由于传输电缆的特性阻抗与通讯波特率等应用环境有关,特性阻抗不可能与终端电阻完全相等,因此或多或少的信号反射还会存在。

    引起信号反射的另一个原因是数据收发器与传输电缆之间的阻抗不匹配。这种原因引起的反射,主要表现在通讯线路处在空闲方式时,整个网络数据混乱。

    信号反射对数据传输的影响,归根结底是因为反射信号触发了接收器输入端的比较器,使接收器收到了错误的信号,导致CRC校验错误或整个数据帧错误。

    在信号分析,衡量反射信号强度的参数是RAF(Refection AttenuationFactor反射衰减因子)。它的计算公式如式(1)。

    RAF=20lg(Vref/Vinc) (1)

    式中:Vref—反射信号的电压大小;Vinc—在电缆与收发器或终端电阻连接点的入射信号的电压大小。

    具体的测量方法如图3所示。例如,由实验测得2.5MHz的入射信号正弦波的峰-峰值为+5V,反射信号的峰-峰值为+0.297V,则该通讯电缆在2.5MHz的通讯速率时,它的反射衰减因子为:

    RAF=20lg(0.297/2.5)=-24.52dB
    在这里插入图片描述

    要减弱反射信号对通讯线路的影响,通常采用噪声抑制和加偏置电阻的方法。在实际应用中,对于比较小的反射信号,为简单方便,经常采用加偏置电阻的方法。在通讯线路中,如何通过加偏置电阻提高通讯可靠性的原理。

    2、在通讯电缆中的信号衰减

    第二个影响信号传输的因素是信号在电缆的传输过程中衰减。一条传输电缆可以把它看出由分布电容、分布电感和电阻联合组成的等效电路,如图所示。
    在这里插入图片描述

    电缆的分布电容C主要是由双绞线的两条平行导线产生。导线的电阻在这里对信号的影响很小,可以忽略不计。信号的损失主要是由于电缆的分布电容和分布电感组成的LC低通滤波器。PROFIBUS用的LAN标准型二芯电缆(西门子为DP总线选用的标准电缆),在不同波特率时的衰减系数如表1所示。

    电缆的衰减系数

    在这里插入图片描述

    3、在通讯电缆中的纯阻负载

    影响通讯性能的第三个因素是纯阻性负载(也叫直流负载)的大小。这里指的纯阻性负载主要由终端电阻、偏置电阻和RS-485收发器三者构成。

    在这里插入图片描述

    在叙述EIA RS-485规范时曾提到过RS-485驱动器在带了32个节点,配置了150Ω终端电阻的情况下,至少能输出1.5V的差分电压。一个接收器的输入电阻为12kΩ,整个网络的等效电路如图5所示。按这样计算,RS-485驱动器的负载能力为:

    RL=32个输入电阻并联2个终端电阻=((12000/32)×(150/2))/(12000/32)+(150/2))≈51.7Ω

    现在比较常用的RS-485驱动器有MAX485、DS3695、MAX1488/1489以及和利时公司使用的SN75176A/D等,其中有的RS-485驱动器负载能力可以达到20Ω。在不考虑其它诸多因素的情况下,按照驱动能力和负载的关系计算,一个驱动器可带节点的最大数量将远远大于32个。

    在通讯波特率比较高的时候,在线路上偏置电阻是很有必要的。偏置电阻的连接方法如图6。它的作用是在线路进入空闲状态后,把总线上没有数据时(空闲方式)的电平拉离0电平,如图7。这样一来,即使线路中出现了比较小的反射信号或干扰,挂接在总线上的数据接收器也不会由于这些信号的到来而产生误动作。
    在这里插入图片描述

    通过下面后例子了,可以计算出偏置电阻的大小:

    终端电阻Rt1=Rr2=120Ω;

    假设反射信号最大的峰-峰值Vref≤0.3Vp-p,则负半周的电压Vref≤0.15V;终端的电阻上由反射信号引起的反射电流Iref≤0.15/(120||120)=2.5mA。一般RS-485收发器(包括SN75176)的滞后电压值(hysteresis value)为50mV,即:

    (Ibias-Iref)×(Rt1||Rt2)≥50mV

    于是可以计算出偏置电阻产生的偏置电流Ibias≥3.33mA

    +5V=Ibias(R上拉+R下拉+(Rt1||Rt2)) (2)

    通过式2可以计算出R上拉=R下拉=720Ω

    在实际应用中,RS-485总线加偏置电阻有两种方法:

    (1)把偏置电阻平衡分配给总线上的每一个收发器。这种方法给挂接在RS-485总线上的每一个收发器加了偏置电阻,给每一个收发器都加了一个偏置电压。

    (2)在一段总线上只用一对偏置电阻。这种方法对总线上存在大的反射信号或干扰信号比较有效。值得注意的是偏置电阻的加入,增加了总线的负载。

    七、RS-485总线的负载能力和通讯电缆长度之间的关系

    在设计RS-485总线组成的网络配置(总线长度和带负载个数)时,应该考虑到三个参数:纯阻性负载、信号衰减和噪声容限。纯阻性负载、信号衰减这两个参数,在前面已经讨论过,现在要讨论的是噪声容限(Noise Margin)。RS-485总线接收器的噪声容限至少应该大于200mV。前面的论述者是在假设噪声容限为0的情况下进行的。在实际应用中,为了提高总线的抗干扰能力,总希望系统的噪声容限比EIA RS-485标准中规定的好一些。从下面的公式能看出总线带负载的多少和通讯电缆长度之间的关系:

    Vend=0.8(Vdriver-Vloss-Vnoise-Vbias)(3)

    其中:Vend为总线末端的信号电压,在标准测定时规定为0.2V;Vdriver为驱动器的输出电压(与负载数有关。负载数在5~35个之间,Vdriver=2.4V;当负载数小于5,Vdriver=2.5V;当负载数大于35,Vdriver≤2.3V);Vloss为信号在总线中的传输过程中的损耗(与通讯电缆的规格和长度有关),由表1提供的标准电缆的衰减系数,根据公式衰减系数b=20lg(Vout/Vin)可以计算出Vloss=Vin-Vout=0.6V(注:通讯波特率为9.6kbps,电缆长度1km,如果特率增加,Vloss会相应增大);Vnoise为噪声容限,在标准测定时规定为0.1V;Vbias是由偏置电阻提供的偏置电压(典型值为0.4V)。

    式(3)中乘以0.8是为了使通信电缆不进入满载状态。从式(3)可以看出,Vdriver的大小和总线上带负载数的多少成反比,Vloss的大小和总线长度成反比,其他几个参数只和用的驱动器类型有关。因此,在选定了驱动器的RS-495总线上,在通信波特率一定的情况下,带负载数的多少,与信号能传输的最大距离是直接相关的。具体关系是:在总线允许的范围内,带负载数越多,信号能传输的距离就越小;带负载数据少,信号能传输的距离就发越远。

    八、分布电容对RS-485总线传输性能的影响

    电缆的分布电容主是由双绞线的两条平行导线产生。另外,导线和地之间也存在分布电容,虽然很小,但在分析时也不能忽视。分布电容对总线传输性能的影响,主要是因为总线上传输的是基波信号,信号的表达方式只有“1”和“0”。在特殊的字节中,例如0x01,信号“0”使得分布电容有足够的充电时间,而信号“1”到来时,由于分布电容中的电荷,来不及放电,(Vin+)—(Vin-)-还大于200mV,结果使接爱误认为是“0”,而最终导致CRC校验错误,整个数据帧传输错误。具体过程如图所示。
    在这里插入图片描述

    由于总线上分布影响,导致数据传输错误,从而使整个网络性能降低。解决这个问题有两种方法:

    (1)降低数据传输的波特率;

    (2)使用分布电容小的电缆,提高传输线的质量。

    仅仅用一对双绞线将各个接口的A、B端连接起来,而不对RS-485通信链路的信号接地,在某些情况下也可以工作,但给系统埋下了隐患。RS-485接口采用差分方式传输信号并不需要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。但应该注意的是收发器只有在共模电压不超出一定范围(-7V至+12V)的条件下才能正常工作。当共模电压超出此范围,就会影响通信的可靠直至损坏接口。如图1所示,当发送器A向接收器B发送数据时,发送器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,那么接收器输入端的共模电压就会达到VCM=VOS+VGPD。RS-485标准规定VOS≤3V,但VGPD可能会有很大幅度(十几伏甚至数十伏),并可能伴有强干扰信号致使接收器共模输入VCM超出正常围,在信号线上产生干扰电流影响正常通信,或损坏设备。

    转自:https://blog.csdn.net/li5830/article/d

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    RS-232

    RS-232-C接口(又称EIA RS-232-C)是目前最常用的一种串行通讯接口。(“RS-232-C”中的“-C”表示RS-232的版本,与“RS-232”简称一样。)RS-232口一般只使用RXD、TXD、GND三条线,全双公。
    波特率(b/s):50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200。
    电器特性:规定逻辑“1”的电平为-5V~-15 V,逻辑“0”的电平为+5 V~+15 V。选用该电气标准的目的在于提高抗干扰能力,增大通信距离。RS -232的噪声容限为2V,接收器将能识别低至+3V的信号作为逻辑“0”,将高到-3 V的信号作为逻辑“1”。
    传输距离有限:最大传输距离标准值为50英尺,实际上也只能用在15米左右。

    RS-485

    RS-485又名TIA-485-A, ANSI/TIA/EIA-485或TIA/EIA-485。RS-485用于多点互连时非常方便,可以省掉许多信号线。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。
    半双公,三根线。
    RS-485的电气特性:逻辑“1”以两线间的电压差+2V到+6V表示,逻辑“0”以两线间的电压差-6V到-2V表示。接口信号电平比RS-232-C低了,不容易损坏接口电路芯片,且该电平与TTL电平兼容,更方便与TTL电路连接。
    RS-485接口采用平衡驱动器和差分接收器的组合,抗共模干扰能力强,抗噪声性能好。

    RS-422

    RS-422和RS-485电路原理基本相同,都是以差动方式发送和接收,不需要数字地线。由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器比RS232更强的驱动能力,故允许在相同传输线上连接多个接收节点,最多可接10个节点。一个主设备(Master),其余为从设备(Slave),从设备之间不能通信,所以RS-422支持点对多的双向通信。
    RS-422通过两对双绞线可以全双工工作收发互不影响,而RS485只能半双工工作,发收不能同时进行,但它只需要一对双绞线。RS422和RS485在19kpbs下能传输1200米。用新型收发器线路上可连接台设备。
    RS-422的电气性能与RS-485完全一样。主要的区别在于:RS-422有4根信号线:两根发送(Y、Z)、两根接收(A、B)。由于RS-422的收与发是分开的所以可以同时收和发(全双工);RS-485有2根信号线:发送和接收。
    RS-422四线接口由于采用单独的发送和接收通道,因此不必控制数据方向,各装置之间任何必须的信号交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)。RS-422的最大传输距离为4000英尺(约1219米),最大传输速率为10Mb/s。其平衡双绞线的长度与传输速率成反比,在100kb/s速率以下,才可能达到最大传输距离。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为1Mb/s。
    RS-422需要一终接电阻,要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。在短距离传输时可不需终接电阻,即一般在300米以下不需终接电阻。终接电阻接在传输电缆的最远端。

    三者区别

    1 RS232全双工,RS485半双工,RS422全双工。
    2 RS485与RS232仅仅是通讯的物理协议(即接口标准)有区别,RS485是差分传输方式,RS232是单端传输方式,但通讯程序没有太多的差别。许多PC机上已经配备有RS232,若使用RS485通讯,只要在RS232端口上配接一个RS232转RS485的转换头就可以了,不需修改程序。
    3 硬件接口一般都是DB9,得看里面的线才知道到底是rs232rs422rs485里的哪种。
    通讯距离:最远的设备(控制器)到计算机的连线理论上的距离是1200米,建议客户控制在800米以内,能控制在300米以内效果最好。如果距离超长,可以选购485中继器(延长器)(请向专业的转换器生产公司购买,中继器的放置位置是在总线中间还是开始,请参考相关厂家的说明书。)选购中继器理论上可以延长到3000米。
    负载数量:即一条485总线可以带多少台设备(控制器),这个取决于控制器的通讯芯片和485转换器的通讯芯片的选型,一般有32台,64台,128台,256台几种选择,这个是理论的数字,实际应用时,根据现场环境,通讯距离等因素,负载数量达不到指标数。
    485通讯总线(必须用双绞线,或者网线的其中一组),如果用普通的电线(没有双绞)干扰将非常大,通讯不畅,甚至通讯不上。每台控制器设备必须手牵手地串下去,不可以有星型连接或者分叉。如果有星型连接或者分叉,干扰将非常大,通讯不畅,甚至通讯不上。

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  • RS-232与RS-422及RS-485

    2020-01-13 09:16:21
     RS-232接口符合美国电子工业联盟(EIA)制定的串行数据通信的接口标准,原始编号全称是EIA-RS-232(简称232,RS232)。它被广泛用于计算机串行接口外设连接。连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。  ...

    RS232概述

      RS-232接口符合美国电子工业联盟(EIA)制定的串行数据通信的接口标准,原始编号全称是EIA-RS-232(简称232,RS232)。它被广泛用于计算机串行接口外设连接。连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。

      RS-232-C标准规定的数据传输速率为每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。

      RS232特点:

      RS-232是现在主流的串行通信接口之一。由于RS232接口标准出现较早,难免有不足之处,主要有以下四点:

      (1)接口的信号电平值较高,易损坏接口电路的芯片。RS232接口任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即:逻辑“1”为-3—-15V;逻辑“0”:+3—+15V,噪声容限为2V。即要求接收器能识别高于+3V的信号作为逻辑“0”,低于-3V的信号作为逻辑“1”,TTL电平为5V为逻辑正,0为逻辑负。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)传输速率较低,在异步传输时,比特率为20Kbps;因此在51CPLD开发板中,综合程序波特率只能采用19200,也是这个原因。

      (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输形式,这种共地传输容易产生共模干扰,所以抗噪声干扰性弱。

      (4)传输距离有限,最大传输距离标准值为50英尺,实际上也只能用在15米左右。

    一文读懂RS-232与RS-422及RS-485三者之间的特性与区别

      RS485概述

      在要求通信距离为几十米到上千米时,广泛采用RS-485串行总线。RS-485采用平衡发送和差分接收,因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度,能检测低至200mV的电压,故传输信号能在千米以外得到恢复。

      RS-485采用半双工工作方式,任何时候只能有一点处于发送状态,因此,发送电路须由使能信号加以控制。

      RS485特点:

      RS-485用于多点互连时非常方便,可以省掉许多信号线。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。针对RS-232-C的不足,新标准RS-485具有以下特点:

      (1)RS-485的电气特性:逻辑“1”以两线间的电压差+2V~+6V表示,逻辑“0”以两线间的电压差-6V~-2V表示。接口信号电平比RS-232-C降低了,就不容易损坏接口电路芯片,且该电平与TTL电平兼容,刻方便与TTL电路连接。

      (2)数据最高传输速率为:10Mbps

      (3)RS-485接口采用平衡驱动器和差分接收器的组合,抗共模干扰能力强,即抗噪声性能好。

      (4)RS-485接口的最大传输距离标准值4000英尺,实际上可达3000米。

      (5)RS-232-C接口在总线上只允许连接一个收发器,即单站能力;而RS-485接口在总线上只允许连接多达128个收发器,即具有多站能力,这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立设备网络。

    一文读懂RS-232与RS-422及RS-485三者之间的特性与区别

      RS422概述

      RS-422标准全称是“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。实际上还有一根信号地线,共5根线。由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器比RS232更强的驱动能力,故允许在相同传输线上连接多个接收节点,最多可接10个节点。一个主设备(Master),其余为从设备(Slave),从设备之间不能通信,所以RS-422支持点对多的双向通信。接收器输入阻抗为4k,故发端最大负载能力是10×4k+100Ω(终接电阻)。

      RS-422和RS-485电路原理基本相同,都是以差动方式发送和接受,不需要数字地线。差动工作是同速率条件下传输距离远的根本原因,这正是二者与RS232的根本区别,因为RS232是单端输入输出,双工工作时至少需要数字地线。发送线和接受线三条线(异步传输),还可以加其它控制线完成同步等功能。

      RS-422通过两对双绞线可以全双工工作收发互不影响,而RS485只能半双工工作,发收不能同时进行,但它只需要一对双绞线。RS422和RS485在19kpbs下能传输1200米。用新型收发器线路上可连接台设备。

      RS-422的电气性能与RS-485完全一样。主要的区别在于:RS-422有4根信号线:两根发送(Y、Z)、两根接收(A、B)。由于RS-422的收与发是分开的所以可以同时收和发(全双工);RS-485有2根信号线:发送和接收。

    一文读懂RS-232与RS-422及RS-485三者之间的特性与区别

      RS422特性:

      RS-422四线接口由于采用单独的发送和接收通道,因此不必控制数据方向,各装置之间任何必须的信号交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)。RS-422的最大传输距离为4000英尺(约1219米),最大传输速率为10Mb/s。其平衡双绞线的长度与传输速率成反比,在100kb/s速率以下,才可能达到最大传输距离。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为1Mb/s。

      RS-422需要一终接电阻,要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。在短距离传输时可不需终接电阻,即一般在300米以下不需终接电阻。终接电阻接在传输电缆的最远端。

      RS-232/RS-422/RS-485三者间的区别

    一文读懂RS-232与RS-422及RS-485三者之间的特性与区别

      1、RS232是全双工的,RS485是半双工的,RS422是全双工的。

      2、RS485与RS232仅仅是通讯的物理协议(即接口标准)有区别,RS485是差分传输方式,RS232是单端传输方式,但通讯程序没有太多的差别。

      PC机上已经配备有RS232,直接使用就行了,若使用RS485通讯,只要在RS232端口上配接一个RS232转RS485的转换头就可以了,不需要修改程序。

      RS232/RS422/RS485接口外观有区别吗?

      一般都是DB9,也有其他的,还是得看里面的线才知道到底是rs232rs422rs485里的哪种。

      RS232是标准接口,为D形9针头,所连接设备的接口的信号定义是一样的,其信号定义如下:

    一文读懂RS-232与RS-422及RS-485三者之间的特性与区别

      RS-232只允许一对一通信(单站能力)

    一文读懂RS-232与RS-422及RS-485三者之间的特性与区别

      RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器(具有多站能力)

    一文读懂RS-232与RS-422及RS-485三者之间的特性与区别

      由于PC机默认的只带有RS232接口,有两种方法可以得到PC上位机的RS485电路:

      (1)通过RS232/RS485转换电路将PC机串口RS232信号转换成RS485信号,对于情况比较复杂的工业环境最好是选用防浪涌带隔离珊的产品。

      (2)通过PCI多串口卡,可以直接选用输出信号为RS485类型的扩展卡。

      计算机通过RS232-RS485转换器,依次连接多台485设备(门禁控制器),采用轮询方式,对总线上的设备轮流进行通讯。

      接线标示是485+485-,分别对应链接设备(控制器)的485+485-。

      通讯距离:最远的设备(控制器)到计算机的连线理论上的距离是1200米,建议客户控制在800米以内,能控制在300米以内效果最好。如果距离超长,可以选购485中继器(延长器)(请向专业的转换器生产公司购买,中继器的放置位置是在总线中间还是开始,请参考相关厂家的说明书。)选购中继器理论上可以延长到3000米。

      负载数量:即一条485总线可以带多少台设备(控制器),这个取决于控制器的通讯芯片和485转换器的通讯芯片的选型,一般有32台,64台,128台,256台几种选择,这个是理论的数字,实际应用时,根据现场环境,通讯距离等因素,负载数量达不到指标数。微耕公司控制器和转换器按256台设计,实际建议客户每条总线控制在80台以内。

      485通讯总线(必须用双绞线,或者网线的其中一组),如果用普通的电线(没有双绞)干扰将非常大,通讯不畅,甚至通讯不上。

      每台控制器设备必须手牵手地串下去,不可以有星型连接或者分叉。如果有星型连接或者分叉,干扰将非常大,通讯不畅,甚至通讯不上。

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  • 要求远距离或者在多个RS-232应用之间实现RS-232数据传输的一些工业用数据链路,通常都使用RS-232到RS-485转换器。尽管存在高达±13V的高信号摆幅,但RS-232仍然是一种非平衡或单端接口,而且本身极易受噪声影响。
  • RS-485、RS-422与RS-232仅仅是通讯的物理协议(即接口标准)有区别,RS-485与RS-422是差分传输方式,RS-232是单端传输方式,但通讯程序没有太多的差别。

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