多媒體中控系統(tǒng)的串口連接技術(shù)

摘要】文章介紹了多媒體中控系統(tǒng)各種串行接口的標準和工作原理，并結(jié)合作者的工作實踐，對不同串口之間的連接與 控制技術(shù)進行了歸納和總結(jié)，提供了一些值得借鑒的經(jīng)驗。

【關(guān)鍵詞】RS-232 串行接口；RS-422 串行接口；RS-485 串行接口

【中圖分類號】G431 【文獻標識碼】A 【論文編號】1009—8097（2009）01—0122—03

智能化控制系統(tǒng)中的中央控制主機實際上是一臺綜合處

理器，主要任務(wù)是處理信息、執(zhí)行信令和轉(zhuǎn)換格式，它以網(wǎng) 絡(luò)和自身的 NET 總線與各個設(shè)備相聯(lián)接，接受操控者發(fā)出的 控制信令，然后向各個延伸控制設(shè)備及被控設(shè)備發(fā)出控制指 令。主機主要通過 IR、RS232 /RS422/RS485、RELAY I/O、 專用 NET、Network 等模式與各種電氣設(shè)備連接并進行控制。

RS232 /RS422/RS485 就是當前應(yīng)用最廣的串口連接與控 制技術(shù)，下面從其工作原理幾及應(yīng)用技術(shù)加以探討。

一 RS-232 串行接口工作原理

RS-232 是為點對點（即只用一對收、發(fā)設(shè)備）通訊而設(shè) 計的，其驅(qū)動器負載為 3～7k? 采取不平衡傳輸方式，即所謂 單端通訊。 收、發(fā)端的數(shù)據(jù)信號是相對于信號地，如從 DTE 設(shè)備發(fā)出的數(shù)據(jù)在使用 DB25 連接器時是 2 腳相對 7 腳（信 號地）的電平，DB25 引腳定義參見圖 1。

典型的 RS-232 信號在正負電平之間擺動，在發(fā)送數(shù)據(jù)時， 發(fā)送端驅(qū)動器輸出正電平在+5～+15V，負電平在-5～-15V 電 平。當無數(shù)據(jù)傳輸時，線上電平從 TTL 電平到 RS-232 電平 再返回 TTL 電平。接收器典型的工作電平在+3～+12V 與-3～-12V。由于發(fā)送電平與接收電平的差僅為 2V 至 3V，所以其共 模抑制能力差，其傳送距離最大為約 15 米，最高速率為 20kb/s， 適合本地設(shè)備之間的通信。其有關(guān)電氣參數(shù)參見表 1。

目前較為常用的串口有 9針串口（DB9）和 25針串口（DB25），通信距離較近時（<12m），可以用電纜線直接連 接標準 RS232 端口（RS422，RS485 較遠），若距離較遠，需附加調(diào)制解調(diào)器（MODEM）。最為簡單且常用的是三線制 接法，即地、接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)三腳相連。首先，串口傳 輸數(shù)據(jù)只要有接收數(shù)據(jù)針腳和發(fā)送針腳就能實現(xiàn)：

（1）同一個串口的接收腳和發(fā)送腳直接用線相連， 對 9針串口連接器和 25 針串口連接器，均是 2 與 3 直接相連。

（2）串口連接器相連原則見表 2。表 2 是對標準串行口而言的，還有許多非標準設(shè)備，如接收 GPS 數(shù)據(jù)或電子羅盤數(shù) 據(jù)，只要記住一個原則：接收數(shù)據(jù)針腳（或線）與發(fā)送數(shù)據(jù)針 腳（或線）相連，彼此交叉，信號地對應(yīng)相接，就能萬無一失。

二 RS-422 與 RS-485 串行接口工作原理

RS-422、RS-485 與 RS-232 不一樣，數(shù)據(jù)信號采用差分 傳輸方式，也稱作平衡傳輸，它使用一對雙絞線，將其中一 線定義為 A，另一線定義為 B。 圖 2 是典型的 RS-422 四線 接口。實際上還有一根信號地線，共 5 根線。

RS422 和 RRS485 電路原理基本相同，都是以差分方式發(fā) 送和接受，不需要數(shù)字地線。差分工作是同速率條件下傳輸 距離遠的根本原因，這正是二者與 RS232 的根本區(qū)別，因為 RS232 是單端輸入輸出，雙工工作時至少需要數(shù)字地線、發(fā) 送線和接受線三條線（異步傳輸），還可以加其它控制線完 成同步等功能。RS422 和 RRS485 通過兩對雙絞線可以全雙工工作收發(fā)互不影響，而 RS485 只能半雙工工作，發(fā)收不能同時進行，但它只需要一對雙絞線。

通常情況下，發(fā)送驅(qū)動器 A、B 之間的正電平在+2～+6V， 是一個邏輯狀態(tài)，負電平在-2～6V，是另一個邏輯狀態(tài)。另 有一個信號地 C，在 RS-485 中還有一“使能”端，而在 RS-422 中這是可用可不用的。“使能”端是用于控制發(fā)送驅(qū)動器與傳 輸線的切斷與連接。當“使能”端起作用時，發(fā)送驅(qū)動器處于 高阻狀態(tài)，稱作“第三態(tài)”，即它是有別于 RS-232 邏輯“1”與“0” 的第三態(tài)。

接收器也作與發(fā)送端相對的規(guī)定，收、發(fā)端通過平衡雙絞 線將 AA 與 BB 對應(yīng)相連，當在收端 AB 之間有大于+200mV 的電平時，輸出正邏輯電平，小于-200mV 時，輸出負邏輯電 平。接收器接收平衡線上的電平范圍通常在 200mV 至 6V 之間。

RS-422 的最大傳輸距離為約 1200 米，最大傳輸速率為10Mb/s。其平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在 100kb/s 速率以下，才可能達到最大傳輸距離。只有在很短的距離下 才能獲得最高速率傳輸。一般 100 米長的雙絞線上所能獲得 的最大傳輸速率僅為 1Mb/s。

RS-422、RS-485 與 RS-232 有關(guān)電氣參數(shù)見表 3。

三 RS-422 與 RS-485 傳輸線路匹配問題

對 RS-422 與 RS-485 總線網(wǎng)絡(luò)一般要使用終接電阻進行匹 配。但在短距離與低速率下可以不用考慮終端匹配。從理論上 講，在每個接收數(shù)據(jù)信號的中點進行采樣時，只要反射信號在開始采樣時衰減到足夠低就可以不考慮匹配。但這在實際上難 以掌握，美國 MAXIM 公司有篇文章提到一條經(jīng)驗性的原則可 以用來判斷在什么樣的數(shù)據(jù)速率和電纜長度時需要進行匹配： 當信號的轉(zhuǎn)換時間超過電信號沿總線單向傳輸所需時間的 3 倍 以上時就可以不加匹配。例如具有限斜率特性的 RS-485 接口MAX483 輸出信號的上升或下降時間最小為 250ns，典型雙絞 線上的信號傳輸速率約為 0.2m/ns（24AWG PVC 電纜），那么 只要數(shù)據(jù)速率在 250kb/s 以內(nèi)、電纜長度不超過 16 米，采用 MAX483 作為 RS-485 接口時就可以不加終端匹配。

一般終端匹配采用終接電阻方法，終接電阻一般在 RS-422 網(wǎng)絡(luò)中取 100?，在 RS-485 網(wǎng)絡(luò)中取 120?。相當于電 纜特性阻抗的電阻，因為大多數(shù)雙絞線電纜特性阻抗大約在100～120?。這種匹配方法簡單有效，但有一個缺點，匹配電 阻要消耗較大功率，對于功耗限制比較嚴格的系統(tǒng)不太適合。

四 RS-422 與 RS-485 的接地問題

電子系統(tǒng)接地是很重要的，但常常被忽視。接地處理不 當往往會導(dǎo)致電子系統(tǒng)不能穩(wěn)定工作甚至危及系統(tǒng)安全。很 多情況下，連接 RS-422、RS-485 通信鏈路時只是簡單地用一 對雙絞線將各個接口的“A”、“B”端連接起來，而忽略了信號 地的連接，這種連接方法在許多場合是能正常工作的，但卻 埋下了很大的隱患，這有下面二個原因：

1共模干擾問題

RS-422 與 RS-485 接口均采用差分方式傳輸信號方式，并 不需要相對于某個參照點來檢測信號，系統(tǒng)只需檢測兩線之 間的電位差就可以了。但人們往往忽視了收發(fā)器有一定的共 模電壓范圍，如 RS-422 共模電壓范圍為-7～+7V，而 RS-485 收發(fā)器共模電壓范圍為-7～+12V，只有滿足上述條件，整個 網(wǎng)絡(luò)才能正常工作。當網(wǎng)絡(luò)線路中共模電壓超出此范圍時就 會影響通信的穩(wěn)定可靠，甚至損壞接口。

2 EMI 問題

發(fā)送驅(qū)動器輸出信號中的共模部分需要一個返回通路，如沒有一個低阻的返回通道（信號地），就會以輻射的形式 返回源端，整個總線就會像一個巨大的天線向外輻射電磁波。

在實際應(yīng)用中，可以采取以下三種措施加以防范：

（1） 如果干擾源內(nèi)阻不是非常小，可以在接地線上加 限流電阻以限制干擾電流。接地電阻的增加可能會使共模電 壓升高，但只要控制在適當?shù)姆秶鷥?nèi)就不會影響正常通信。

（2） 采用浮地技術(shù)，隔斷接地環(huán)路。當共模干擾內(nèi)阻 很小時上述方法不能奏效時，可以考慮將引入干擾的節(jié)點浮置起來（也就是系統(tǒng)的電路地與機殼或大地隔離），這樣就隔斷了接地環(huán)路，不會形成很大的環(huán)路電流。

（3） 采用隔離接口。有些情況下，出于安全或其它方 面的考慮，電路地必須與機殼或大地相連，不能懸浮，這時 可以采用隔離接口來隔斷接地回路，但是仍然應(yīng)該有一條地 線將隔離側(cè)的公共端與其它接口的工作地相連。

五 RS-422 與 RS-485 的瞬態(tài)保護

由于傳輸線對高頻信號而言就是相當于電感。因此，在實 際應(yīng)用環(huán)境中存在高頻瞬態(tài)干擾的可能。高頻瞬態(tài)干擾時，接 地線實際等同于開路。瞬態(tài)干擾雖然持續(xù)時間短暫，但可能會 有成百上千伏的電壓。所以，在切換大功率感性負載如電機、 變壓器、繼電器等或閃電過程中都會產(chǎn)生幅度很高的瞬態(tài)干 擾，如果不加以適當防護就會損壞 RS-422 或 RS-485 通信接口。 對于這種瞬態(tài)干擾可以采用隔離或旁路的方法加以防護。

1隔離保護方法 這種方案實際上將瞬態(tài)高壓轉(zhuǎn)移到隔離接口中的電隔離層上，由于隔離層的高絕緣電阻，不會產(chǎn)生損害性的浪涌電 流，起到保護接口的作用。這種方案的優(yōu)點是可以承受高電 壓、持續(xù)時間較長的瞬態(tài)干擾，實現(xiàn)起來也比較容易，缺點 是成本較高。

2旁路保護方法

利用瞬態(tài)抑制元件（如 TVS、MOV、氣體放電管等）將 危害性的瞬態(tài)能量旁路到大地，優(yōu)點是成本較低，缺點是保 護能力有限，只能保護一定能量以內(nèi)的瞬態(tài)干擾，持續(xù)時間 不能很長，而且需要有一條良好的連接大地的通道，實現(xiàn)起 來比較困難。

實際應(yīng)用中是將上述兩種方案結(jié)合起來靈活加以運用。 在這種方法中，隔離接口對大幅度瞬態(tài)干擾進行隔離，旁路 元件則保護隔離接口不被過高的瞬態(tài)電壓擊穿。

參考文獻

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