对RS232、RS485、RS422通信协议的阐述和分析

时间:2020/12/01 来源:专业视听网

关键词: 易科、RS232、RS485、RS422通信协议

RS232、RS485、RS422是音视频控制领域的常用通信协议,这个RS(Recommended Standard)是推荐标准的意思。这些协议是由EIA(Electronic Industry Association,指的是美国电子工业协会)制定的,其标准名称为EIA-232、EIA-485、EIA-422。本文则沿用了业内约定俗成的名称RS232、RS485、RS422来进行阐述和分析。

RS通信协议本质上是一个通用的通信协议,在大多数情况下是用来传输控制信号,所以也被称为“RS控制协议”。其信号的传输流程如下图1所示:

图1 - 信号的传输流程图

一、引脚

1.  引脚的定义与分配情况

RS通信协议中用到的引脚一般有10个左右,例如RS232中常用的引脚有9个,其引脚定义如表1所示。

表1 - RS232通信协议引脚定义(引用自维基百科)

而在大多数情况下,音视频控制系统只用到了其中接收信号、发送信号和接地三种类型的引脚,因此本文将针对这三种类型的引脚展开讨论。

RS通信协议中所需的引脚数如表2所示,而其引脚名如图2所示。三种协议所需引脚数的不同将直接导致其工作模式和信号传输模式的不同。

表2 - RS通信协议的引脚数

图2 - RS通信协议的引脚名

2.  工作模式和信号传输模式


表3 - RS通信协议的工作模式与信号传输模式

RS通信协议的工作模式与信号传输模式如表3所示。接下来分析这几种工作模式和信号传输模式与引脚数的关系,还有其各自的优缺点。

(1)RS232协议

①工作模式:如表2所示,接收信号、发送信号、接地各用一个引脚,接收信号和发送信号的引脚分开,即在RS232中,可以同时收发信号,所以它的工作模式是全双工;

②信号传输模式:由于收发信号的通道(引脚)分别只有一个,因此在接收端接收信号时,无法将信号在传输过程中受到的干扰利用差分放大电路消除掉,所以它的信号传输模式是非平衡传输;

③优点:RS232使用三个引脚就实现了全双工;

④缺点:RS232无法消除传输过程中所面临的共模干扰,因此不适合远距离传输,其最大传输距离如表4所示。

表4 - RS通信协议的最大传输距离和传输速率

(注:表4中的最大传输距离是理论值,实际应用中的传输距离受到信号传输速率、线路负载情况、布线、逻辑电平值和接收器灵敏度等情况的综合影响。)

(2)RS422协议

①工作模式:如表2所示,收发信号分别用了两个通道(引脚),所以它的工作模式也是全双工;

②信号传输模式:在RS422中,通过在信号发送端发送一正一反的两个信号,经过平衡双绞线缆的传输后,在信号的接收端利用差分放大电路进行接收,使其共模干扰被抵消且有效信号强度加倍,所以它的信号传输模式是平衡传输。

③优点:RS422实现了全双工和平衡传输,能抵消共模干扰,并使接收端接收的有效信号强度加倍,所以适合远距离传输,其最远传输距离如表4所示;

④缺点:在RS422中使用了五个引脚,所以其传输线缆中也需要5根芯线来对应这五个引脚,增加了布线的成本和连线的复杂程度。

(3)RS485协议

①工作模式:如表2所示,收发信号共用了两个通道(引脚),这也就意味着在RS485中无法同时收发信号,所以它的工作模式是半双工;

②信号传输模式:在RS485中,采用复用技术,使用两个信号通道(引脚)同时来传输或者接收一正一反的两个信号,在信号的传输过程中使用双绞线,在信号的接收端利用差分放大电路对信号进行接收,也可以解决干扰问题并使其信号强度加倍,所以它的信号传输模式是平衡传输。

③优点:RS485实现了平衡传输,并使接收端接收的有效信号强度加倍,所以其也适合远距离传输;

④缺点:RS485没有实现全双工。

(4)小结

RS232实现了全双工,但其信号传输模式是非平衡传输,所以其比较适合用于短距离的信号传输;而在RS422中实现了全双工和平衡传输,所以其适合用于远距离的信号传输,但是其用到了5个引脚,相较于RS232和RS485而言,其布线的成本和连线的复杂程度较高;而在RS485中使用三个引脚实现了平衡传输,所以其也适合用于远距离的信号传输,但是相较于RS232和RS422而言,其没有实现全双工。

综上所述,三个通信协议各有优缺点,所以在实际使用过程中,需根据实际情况来进行分析和选择。

3.  电平范围与逻辑关系

RS通信协议中的电平范围与逻辑关系如表5所示。


表5- 电平范围与逻辑关系

如表4所示,由于RS422和RS485的接收器的灵敏度较高,能检测电压绝对值低至200mV的电压,这也是导致RS422和RS485的传输距离较远的原因之一。

4.  信号接地

信号接地是指两个端口的接地引脚通过可靠的方式接入大地后,再通过线缆连接。

需要注意的是,两个端口的接地引脚上的电势有可能不一样,此时会造成两个接口的信号引脚与接地引脚之间的电势差不一样,这样很有可能因为一个端口上的电势差过大而烧坏端口。

二、物理接口及信号线线序

1.  物理接口

不同物理接口上的引脚数量如表5所示。

表5 - 各种物理接口的引脚数量

需要注意的是,不同的RS通信协议需要用到的物理接口上的引脚数量可能不一致,例如:RS232和RS485只会用到3个引脚,而RS422需要用到5个引脚。

2.  信号线线序

RS232、RS422和RS485的信号线线序如图3到5所示。

图3 - RS232的信号线线序图

特别需要注意这三者之间的区别,因为RS232和RS422中的收发引脚是分开的,所以信号线需要反接,但是RS485中的收发引脚是复用的,所以信号线不需要反接。

三、收发设备之间的连接方式

1.  连接方式

RS通信协议的连接方式如表5所示。

5 - RS通信协议的连接方式

即RS232只能实现点对点的通信,而RS422和RS485都能实现点对多的通信。

需要注意RS422中只允许有一个主设备,而从设备可以有多个(从设备数量由芯片决定),主从设备之间可以实现双向通信,但是从设备之间不能进行通信;而RS485拥有多站能力,即任何两台设备之间都可以进行通信,但是任一时刻只能有一台设备处于发送信息的状态,需由使能信号对设备发送信息的状态进行控制。

例如:在Symetrix的处理器Prism 8*8中,它使用的是RS485通信协议,如图6所示,将Prism 8*8背板的ARC接口和Symetrix控制面板背板的RJ45接口通过手拉手的方式串联起来,就能实现点对多通信,即Prism 8*8通过ARC接口发出一个信号后,与其连接的所有Symetrix控制面板都能收到该信号;反过来也是一样的,任意一个Symetrix控制面板发出一个信号后,与其连接的其余设备也都能收到该信号。

图6

而Symetrix处理器背板上的ARC接口的引脚定义如图7所示,使用的是网线中的一组双绞线,即第4根和第5根线来连接收发引脚(+)和收发引脚(-),从而传输RS485信号。

图7

在实现点对多通信时,需注意,每台设备之间只建议通过手拉手的方式串联,不建议使用星型的连接方式,因为使用星型连接方式,可能会造成很严重的回波反射现象,即会导致传输链路节点中信号的叠加和抵消,从而可能会使得信号中的0和1无法被识别。如果要使用星型的连接方式,应考虑在系统中加入中继器。

例如:Symetrix的ARC-PSe有中继器的功能,可以通过该设备与接收设备之间形成星型的连接方式。

如图8所示,通过一条CAT5/6的线缆,将Symetrix的处理器EDGE背板上的ARC接口接到ARC-PSe设备上的ARC(IN)接口,然后就可以在ARC-PSe设备上的8个ARC(OUT)接口后继续通过手拉手的方式串联Symetrix的控制面板;在整体的系统链路上来说,这是一种星型的连接方式。

图8

2.  什么是回波反射

回波反射是指在数字信号的传输过程中,上下级之间的阻抗没有满足1:1原则,也就是说在链路的末端突然没有信号的接收端的话,这时候的上下级阻抗之间将严重偏离1:1原则,这时就会产生不小的回波反射从而对信号的传输造成很大的干扰,而解决这种问题的方法就是在链路末端加上截止电阻,通过满足1:1原则来避免回波反射现象。

四、总结

总的来说,RS232、RS485、RS422等通信协议各有利弊,在实际的使用过程中主要需要注意以下几点:

(1)工作模式是全双工还是半双工,信号的传输模式是平衡传输还是非平衡传输,如果是平衡传输的话需要用到双绞线;

(2)接地端要可靠接地;

(3)需要注意信号线的线序是否需要反接;

(4)RS485和RS422不允许使用星型连接方式(除非使用中继器);

(5)要考虑到回波反射的问题,选用适当的终接电阻。

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