1 數據通信
所謂數據通信，就是從數據源產生的數據，經過硬件線路或軟件線路的連接（統稱信道），按照一定的通信規程（協議），形成數據流傳到另一方的過程。計算機與各種用途的終端之間，以及計算機相互之間，都需要數據通信，遙測、遙信、遙控、自控、雷達等等都需要數據處理與傳輸，也都離不開數據通信。
2 RS-232接口介紹
目前RS-232是PC機與通信工業中應用最廣泛的一種串行接口。RS-232被定義為一種在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端標準。在數據通信領域中包括各種終端和計算機端口在內的設備稱作數據終端設備，即DTE。與之相比，調制解調器和其他通信設備，則稱作數據通信設備，即DCE。數據終端設備和數據通信設備之間的分界是連接它們的插件，而對這一分界的說明，則是從：物理、電氣以及邏輯上進行數據交換的規則，它是由接口標準規定的。最常用的EIA RS-232標準，EIA標準的很多內容以被其他許多標準化組織所采納。RS-232C是1969年EIA提出的建議標準（Recommend Standard），232則表示一個具體通信標準的識別號碼，后綴C表明此標準最后的修訂版本。RS-232C標準適用于數據終端設備與數據通信設備之間、速率范圍從0到20000b/s的串行數據傳輸。此標準限制數據終端設備和數據通信設備之間的電纜長度為15m，RS-232C標準的另一部分是規定用電纜接頭作為數據終端設備和數據通信設備的接插件，這就是熟知的DB-25接插件。電纜兩端都裝備有“凸形”插頭，通常它被設計成能插到調制解調的DB-25凹形插座上。后來IBM的PC機將RS-232簡化成了DB-9連接器，從而成為事實標準。而工業控制的RS-232口一般只使用RXD、TXD、GND三條線。波仕電子對RS-232的通信距離標準進行了改進，增加到了500-1000米，并且提交到了EIA，見波仕的EX232產品。
RS-232采取不平衡傳輸方式,即所謂單端通訊。 收、 發端的數據信號是相對于信號地,如從DTE設備發出的數據在使用DB9連接器時是3腳相對5腳（信號地）的電平,DB9各引腳定義參見圖1。典型的 RS-232信號在正負電平之間擺動,在發送數據時,發送端驅動器輸出正電平在+5～+15V,負電平在-5～-15V電平。當無數據傳輸時,線上為 TTL,從開始傳送數據到結束,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 發送電平與接收電平的差僅為2V至3V左右,所以其共模抑制能力差,再加上雙絞線上的分布電容,其傳送距離最大為約15米,最高速率為20kb/s。RS -232是為點對點（即只用一對收、發設備）通訊而設計的,其驅動器負載為3～7kΩ。所以RS-232適合本地設備之間的通信。
1.DB9和DB25的常用信號腳說明
9針串口（DB9） 25針串口（DB25）
針號 功能說明 縮寫 針號 功能說明 縮寫
1 數據載波檢測 DCD 8 數據載波檢測 DCD
2 接收數據 RXD 3 接收數據 RXD
3 發送數據 TXD 2 發送數據 TXD
4 數據終端準備 DTR 20 數據終端準備 DTR
5 信號地 GND 7 信號地 GND
6 數據設備準備好 DSR 6 數據準備好 DSR
7 請求發送 RTS 4 請求發送 RTS
8 清除發送 CTS 5 清除發送 CTS
9 振鈴指示 DELL 22 振鈴指示 DELL
3.RS232C串口通信接線方法
一般情況下，接口電路經常使用的有7條信號線，連接方法如下：
GND－－－－－－－－－－－－－－GND
TXD－－－－－－－－－－－－RXD
RXD－－－－－－－－－－－－－－TXD
RTS－－－－－－－－－－－－－－-CTS
CTS－－－－－－－－－－－－－－RTS
DTR－－－－－－－－－－－－－－DSR
DSR－－－－－－－－－－－－－－DTR
如果是三線制的RS-232通信，只接GND、RXD、TXD即可。
上面是對微機標準串行口而言的,還有許多非標準設備,如接收GPS數據或電子羅盤數據,只要記住一個原則：接收數據針腳（或線）與發送數據針腳（或線）相連,彼些交叉,信號地對應相接,就能百戰百勝。
串口調試中要注意的幾點：
不同編碼機制不能混接,如RS232C不能直接與RS422接口相連,必須通過波仕電子的RS-232/RS-485/RS-422轉換器才能連接;
線路焊接要牢固,不然程序沒問題,卻因為接線問題誤事;
串口調試時,準備一個好用的調試工具,如串口調試助手、串口精靈等,有事半功倍之效果;可以從波仕電子的官方網站上下栽。
強烈建議不要帶電插撥串口,插撥時至少有一端是斷電的,否則串口易損壞。
RS-232是最通常的用處是連接到一個MODEM，其他擁有RS-232接口的設備包括打印機、數據采集模塊、測試裝置和控制回路。它具有以下優點：
（1） 它是無處不在的，每一臺PC機都有一個或者更多的。
（2） 在微控制器中，接口芯片使得將一個5V串口轉換成RS-232變的更容易。
（3） 連接距離可以達到50到100ft，大多數的外設接口都不會用于太長的距離。
（4） 對于一個雙向選擇，只需要3條導線。一個并行連接器一般需要8條數據線，兩條或者更多的控制信號線和幾根接地線。
同時RS-232也存在著一些缺點：
（1） 如果連接的另一頭需要并行數據，它不得不將這個串行數據轉換成并行數據。
（2） 串口上如此有用，以至于尋找一個未用的串口可能是比較困難的。
（3） 在一個連接器中不能有超過2臺以上的設備。
（4） 指定的最大數據傳輸速率是每秒20000位。但是，很多接口芯片可以超過這個值，尤其是在短程連接上。
（5） 很長的連接需要一個不同的接口。
RS-232C接口的缺點及用光纖傳輸的克服
雖然RSA-232C標準以被承認并廣泛用于各個領域，但一般來說RS-232C接口標準有如下缺點：數據傳輸速率慢（一般只能達到20Kb/s）；傳輸距離短（一般裝置間電纜長度為15m之內）；接口處信號容易互相干擾，傳輸距離越長干擾越重。而加上電光、光電轉換接口用光纖傳輸，就很好的克服了上述缺點。在前面也提到光纖具有速度快、頻帶寬、抗干擾等優點，在通信領域的作用越來越重要，采用光纖作為傳介質是必然趨勢。
而在此光纖傳輸系統中，只使用RS-232C的三條信號線，如圖3所示：
圖3 RS-232接口系統示意圖
接口電路與計算機或終端用三條信號線連接：RXD（收），TXD（發），GND（地）；由RS-232標準接口與接口電路進行連接，根據通信雙方進行通信。
由于雙方用光纖隔離，沒有公共信號地，共模噪聲就不會耦合到系統中去，所以系統抗干擾能力強，只有接口電路的光功率足夠大，傳輸距離就足夠遠。
3 RS-485和RS-422接口介紹
RS -232、RS-422與RS-485都是串行數據接口標準,最初都是由電子工業協會（EIA）制訂并發布的,RS-232在1962年發布,命名為 EIA-232-E,作為工業標準,以保證不同廠家產品之間的兼容。RS-422由RS-232發展而來,它是為彌補RS-232之不足而提出的。為改進 RS-232通信距離短、速率低的缺點,RS-422定義了一種平衡通信接口,將傳輸速率提高到10Mb/s,傳輸距離延長到4000英尺（速率低于 100kb/s時）,并允許在一條平衡總線上連接最多10個接收器。RS-422是一種單機發送、多機接收的單向、平衡傳輸規范,被命名為TIA/EIA -422-A標準。為擴展應用范圍,EIA又于1983年在RS-422基礎上制定了RS-485標準,增加了多點、雙向通信能力,即允許多個發送器連接 到同一條總線上,同時增加了發送器的驅動能力和沖突保護特性,擴展了總線共模范圍,后命名為TIA/EIA-485-A標準。由于EIA提出的建議標準都 是以“RS”作為前綴,所以在通訊工業領域,仍然習慣將上述標準以RS作前綴稱謂。
RS-232、RS-422與RS-485標準只對 接口的電氣特性做出規定,而不涉及接插件、電纜或協議,在此基礎上用戶可以建立自己的高層通信協議。因此在視頻界的應用,許多廠家都建立了一套高層通信協 議,或公開或廠家獨家使用。如錄像機廠家中的Sony與松下對錄像機的RS-422控制協議是有差異的,視頻服務器上的控制協議則更多了,如Louth、 Odetis協議是公開的,而ProLINK則是基于Profile上的。
3.1． 平衡傳輸
RS-422、RS-485與RS-232不一樣,數據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。
通常情況下,發送驅動器A、B之間的正電平在+2～+6V,是一個邏輯狀態,負電平在-2～6V,是另一個邏輯狀態。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”RS-422、RS-485與RS-232不一樣,數據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。“使能”端 是用于控制發送驅動器與傳輸線的切斷與連接。當“使能”端起作用時,發送驅動器處于高阻狀態,稱作“第三態”,即它是有別于邏輯“1”與“0”的第三態。
接收器也作與發送端相對的規定,收、發端通過平衡雙絞線將AA與BB對應相連,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.
3.2． RS-422電氣規定
RS-422標準全稱是“平衡電壓數字接口電路的電氣特性”,它定義了接口電路的特性，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。由于接收器采用高輸入阻抗和發送驅動器比RS232更強的驅動能力,故允許在相同傳輸線上連接多個接收節點,最多可接 10個節點。即一個主設備（Master）,其余為從設備（Salve）,從設備之間不能通信,所以RS-422支持點對多的雙向通信。接收器輸入阻抗為 4k,故發端最大負載能力是10×4k+100Ω（終接電阻）。RS-422四線接口由于采用單獨的發送和接收通道,因此不必控制數據方向,各裝置之間任 何必須的信號交換均可以按軟件方式（XON/XOFF握手）或硬件方式（一對單獨的雙絞線）實現。
RS-422的最大傳輸距離 為4000英尺（約1219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需要一終接電阻,要求其阻值約等于傳輸電纜的特性阻抗。在矩距離傳輸時可不需終接電阻,即一般在300米以下不需終接電阻。終接電阻接在傳輸電纜的最遠端。
3.3．RS-485電氣規定
由于RS-485是從RS-422基礎上發展而來的,所以RS-485許多電氣規定與RS-422相仿。如都采用平衡傳輸方式、都需要在傳輸線上接終接電阻等。RS-485采用二線方式,二線制可實現真正的多點雙向通信。
而采用四線連接時,與RS-422一樣只能實現點對多的通信,即只能有一個主（Master）設備,其余為從設備,但它比RS-422有改進, 無論四線還是二線連接方式總線上可多接到128個設備。。
RS-485與RS-422一樣,其最大傳輸距離約為1219米,最大傳輸速率為10Mb/s。平衡雙絞線的長度 與傳輸速率成反比,在100kb/s速率以下,才可能使用規定最長的電纜長度。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長雙絞線最大傳輸速 率僅為1Mb/s。
RS-485需要2個終接電阻,其阻值要求等于傳輸電纜的特性阻抗。在矩距離傳輸時可不需終接電阻,即一般在300米以下不需終接電阻。終接電阻接在傳輸總線的兩端。
3.4、RS-422與RS-485的網絡安裝注意要點
RS-485支持128個節點,因此多節點構成網絡。網絡拓撲一般采用終端匹配的總線型結構,不支持環形或星形網絡。在構建網絡時,應注意如下幾點：
1．采用一條雙絞線電纜作總線,將各個節點串接起來,從總線到每個節點的引出線長度應盡量短,以便使引出線中的反射信號對總線信號的影響最低。
2．應注意總線特性阻抗的連續性,在阻抗不連續點就會發生信號的反射。下列幾種情況易產生這種不連續性：總線的不同區段采用了不同電纜,或某一段總線上有過多收發器緊靠在一起安裝,再者是過長的分支線引出到總線。
總之,應該提供一條單一、連續的信號通道作為總線。
3.5、RS-422與RS-485傳輸線上匹配的一些說明
對RS-422與RS-485總線網絡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。那么在什么情況下不用考慮匹配呢？理論上,在每個接收數據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 到一條經驗性的原則可以用來判斷在什么樣的數據速率和電纜長度時需要進行匹配：當信號的轉換時間（上升或下降時間）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）,那么只要數據速率在250kb/s以內、電纜長度不超過16米,采用波仕電子的RS-232/RS-485轉換器作為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,前文已有提及,RS-422在總線電纜的遠端并接電阻,RS-485則應在總線電纜的開始和末端都需并接終接電阻。終接電阻一般在RS-422網絡中取100Ω,在RS-485網絡中取120Ω。相當于電纜特性阻抗的電阻,因為大多數雙絞線電纜特性阻抗大約在 100～120Ω。
3.6、RS-422與RS-485的接地問題
電子系統接地是很重要的,但常常被忽視。接地處理不當往往會導致電子系統不能穩定工作甚至危及系統安全。RS-422與RS-485傳輸網絡的接地同樣 也是很重要的,因為接地系統不合理會影響整個網絡的穩定性,尤其是在工作環境比較惡劣和傳輸距離較遠的情況下,對于接地的要求更為嚴格。否則接口損壞率較 高。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：正如前文已述,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收發器共模電壓范圍為-7～+12V,只有滿足上述條件,整個網絡才能正常工作。 當網絡線路中共模電壓超出此范圍時就會影響通信的穩定可靠,甚至損壞接口。當發送驅動器A向接收器B發送數據時,發送驅動器A的輸出共模電 壓為VOS,由于兩個系統具有各自獨立的接地系統,存在著地電位差VGPD。那么,接收器輸入端的共模電壓VCM就會達到VCM=VOS+VGPD。RS -422與RS-485標準均規定VOS≤3V,但VGPD可能會有很大幅度（十幾伏甚至數十伏）,并可能伴有強干擾信號,致使接收器共模輸入VCM超出 正常范圍,并在傳輸線路上產生干擾電流,輕則影響正常通信,重則損壞通信接口電路。
2．（EMI）問題：發送驅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。
由于上述原因,RS-422、RS-485盡管采用差分平衡傳輸方式,但對整個RS-422或RS-485網絡,必須有一條低阻的信號地。一條低阻的信 號地將兩個接口的工作地連接起來,使共模干擾電壓VGPD被短路。這條信號地可以是額外的一條線（非屏蔽雙絞線）,或者是屏蔽雙絞線的屏蔽層。這是最通常的接地方法。
值得注意的是,這種做法僅對高阻型共模干擾有效,由于干擾源內阻大,短接后不會形成很大的接地環路電流,對于通信不會有很大影響。當共模干擾源內阻較低時,會在接地線上形成較大的環路電流,影響正常通信。可以采取以下三種措施：
（1） 如果干擾源內阻不是非常小,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,但只要控制在適當的范圍內就不會影響正常通信。
（2） 采用浮地技術,隔斷接地環路。這是較常用也是十分有效的一種方法,當共模干擾內阻很小時上述方法已不能奏效,此時可以考慮將引入干擾的節點（例如處于惡劣的工作環境的現場設備）浮置起來（也就是系統的電路地與機殼或大地隔離）,這樣就隔斷了接地環路,不會形成很大的環路電流。
（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,但是仍然應該有一條地線將隔離側的公共端與其它接口的工作地相連。可以選用帶光電隔離的RS-232/RS-485轉換器。
3.7、RS-422與RS-485的網絡失效保護
RS-422與RS-485標準都規定了接收器門限為±200mV。這樣規定能夠提供比較高的噪聲抑制能力,如前文所述,當接收器A電平比B電平高+ 200mV以上時,輸出為正邏輯,反之,則輸出為負邏輯。但由于第三態的存在,即在主機在發端發完一個信息數據后,將總線置于第三態,即總線空閑時沒有任 何信號驅動總線,使AB之間的電壓在-200～+200mV直至趨于0V,這帶來了一個問題：接收器輸出狀態不確定。如果接收機的輸出為0V,網絡中從機 將把其解釋為一個新的啟動位,并試圖讀取后續字節,由于永遠不會有停止位,產生一個幀錯誤結果,不再有設備請求總線,網絡陷于癱瘓狀態。除上述所述的總線 空閑會造成兩線電壓差低于200mV的情況外,開路或短路時也會出現這種情況。故應采取一定的措施避免接收器處于不確定狀態。 通常是在總線上加偏置,當總線空閑或開路時,利用偏置電阻將總線偏置在一個確定的狀態（差分電壓≥-200mV）。將A上拉到地,B下拉到5V, 電阻的典型值是1kΩ,具體數值隨電纜的電容變化而變化。上述方法是比較經典的方法,但它仍然不能解決總線短路時的問題,有些廠家將接收門限移到- 200mV/-50mV,可解決這個問題。例如Maxim公司的MAX3080系列RS-485接口,不僅省去了外部偏置電阻,而且解決了總線短路情況下 的失效保護問題。波仕電子的RS-232/RS-485轉換器均具有RS-485的網絡失效保護功能。
3.8、RS-422與RS-485的瞬態保護
前文提到的信號接地措施,只對低頻率的共模干擾有保護作用,對于頻率很高的瞬態干擾就無能為力了。由于傳輸線對高頻信號而言就是相當于電感,因此對于高頻瞬態干擾,接地線實際等同于開路。這樣的瞬態干擾雖然持續時間短暫,但可能會有成百上千伏的電壓。
實際應用環境下還是存在高頻瞬態干擾的可能。一般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生幅度很高的瞬態干擾,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高壓轉移到隔離接口中的電隔離層上,由于隔離層的高絕緣電阻,不會產生損害性的浪涌電流,起到保護接口的作用。通常采 用高頻變壓器、光耦等元件實現接口的電氣隔離,已有器件廠商將所有這些元件集成在一片IC中,使用起來非常簡便,如Maxim公司的 MAX1480/MAX1490,隔離電壓可達2500V。這種方案的優點是可以承受高電壓、持續時間較長的瞬態干擾,實現起來也比較容易,缺點是成本較高。波仕電子可以實現RS-232與RS-485/RS-422的光電隔離并且無須供電。
2．浪涌保護方法。這種方案利用瞬態抑制元件（如TVS、MOV、氣體放電管等）將危害性的瞬態能量旁路到大地,優點是成本較低, 缺點是保護能力有限,只能保護一定能量以內的瞬態干擾,持續時間不能很長,而且需要有一條良好的連接大地的通道,實現起來比較困難。實際應用中是將上述兩 種方案結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干擾進行隔離,旁路元件則保護隔離接口不被過高的瞬態電壓擊穿。
