工业通讯总线RS485和RS232

1.RS232

  RS-232 标准接口（又称 EIA RS-232） 是常用的串行通信接口标准之一， 它是由美国电子工业协会(Electronic Industry Association， EIA)联合贝尔系统公司、 调制解调器厂家及计算机终端生产厂家于 1 970 年共同制定， 其全名是“数据终端设备( DTE)和数据通信设备(DCE)之间串行二进制数据交换接口技术标准”。
  RS-232 总线规定了 25 条线， 包含了两个信号通道， 即第一通道（称为主通道） 和第二通道（称为副通道） 。 利用 RS- 232 总线可以实现全双工通信， 通常使用的是主通道， 而副通道使用较少。 在一般应用中， 使用 3 条～9 条信号线就可以实现全双工通信， 采用三条信号线（接收线、 发送线和信号线） 能实现简单的全双工通信过程。RS232 协议使用不同于标准 5V 的信号电平传输电线数据， 以最大程度地减少信号干扰。它以恒定速率执行异步传输， 该速率与起始脉冲信号的电平同步。
  RS232 协议使用不同于标准 5V 的信号电平传输电线数据， 以最大程度地减少信号干扰。它以恒定速率执行异步传输， 该速率与起始脉冲信号的电平同步。

1.1 接口定义

  RS-232 是 PC 机与通信中应用最广泛的一种串行接口。 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。 RS232 标准采用的接口是9 针或 25 针的 D 型插头， 常用的一般是 9 针插头， 为 D 形 9 针头， 所有连接设备的接口的信号定义是一样的， 其信号定义如下：

1.2 RS232 电平信号

  RS232 采用负逻辑电平， RS232 采用 非差分（同分信号）进行传输； 逻辑 1 对应 +5 ~ +15V； 逻辑 0 对应 -15 ~ -5V。

1.3 通讯距离及速率

  协议最初规定设备最大速率为 20kbps。 RS-232 规定的标准传送速率有 50b/s、 75b/s、110b/s、 150b/s、300b/s、 600b/s、 1200b/s、 2400b/s、 4800b/s、 9600b/s、 19200b/s， 可以灵活地适应不同速率的设备。 对于慢速外设， 可以选择较低的传送速率： 反之， 可以选择较高的传送速率。 Rs232 串口连线最长的通信距离是 15 米。 RS232 的最大传输速率为 20Kbps。

1.4 RS232 缺点

  1、 接口的信号电平值较高， 易损坏接口电路的芯片， 又因为与 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， RS232 的最大传输速率为 20Kbps。
  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。

2.RS485

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  485（一般称作 RS485/EIA-485） 是属于 OSI 模型物理层的电气特性规定为 2 线， 半双工， 多点通信的标准。 它的电气特性和 RS-232 大不一样。 用缆线两端的电压差值来表示传递信号。 RS485 仅仅规定了接收端和发送端的电气特性。 它没有规定或推荐任何数据协议。
  典型的串行通讯标准是 RS232 和 RS485， 它们定义了电压,阻抗等， 但不对软件协议给予定义。 RS-485 总线标准规定了总线接口的电气特性标准即对于 2 个逻辑状态的定义：逻辑 1 是+2V+6V 之间， 逻辑 0 是-2V～-6V 之间， 采用差分传输方式， 能够有效减少噪声信号的干扰。

  RS-485 总线技术只是规定了接口的电气标准， 并没有规定 RS-485 接口的电缆， 插件以及通信协议， 只是 OSI 规范中物理层的一个标准， 由于 RS-485 总线采用差分平衡传输方式， 一般使用的电缆建议采用屏蔽双绞线， 使得 485+与 485-两两双绞， 外面采用屏蔽层屏蔽外部电磁干扰， 但是在现场实施施工中， 有人采用平行线也是可以适用于 RS-485 总线的电缆， 只是抗干扰能力较差， 传输距离不远且通信质量不稳定， 一般都是建议采用屏蔽双绞线。 而接口定义形式，由于 RS-485 总线一般都是用到 485+， 485-以及 GND 三根线， 没有硬性规定接口定义形式，一般市面上多见的接口形式有 RJ45 接口， 工业接线端子接口， DB9 串口接线端子以及 RJ11电话线接口等。 一般而言， 采用工业接线端子更为合适， 因为如果需要接入终端电阻的话， 采用工业接线端子是很好接入的， 而且接入屏蔽双绞线也是工业接线端子更加方便。

•  RS485 的特点
    1. 接口电平低， 不易损坏芯片。 RS485 的电气特性： 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。 接口信号电平比 RS232 降低了，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。
    2. 传输速率高。 10 米时 RS485 的数据最高传输速率可达 35Mbps， 在 1200m 时， 传输速度可达100Kbps。
    3. 抗干扰能力强。 RS485 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。
    4. 传输距离远， 支持节点多。 RS485 总线最长可以传输 1200m 以上（速率≤100Kbps）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。
    485 总线由于其布线简单， 稳定可靠从而广泛的应用于 视频监控， 门禁对讲， 楼宇报警等各个领域中。

2.1 485 总线布线方法

  在 485 总线的简单应用中， 一般采用总线型的拓扑结构布线方式。 但是在比较复杂的系统中， 总线型拓扑结 构的布线施工不但非常繁琐， 而且还浪费了大量的连线。 灵活利用485 集线器或 485 中继器， 可以将总线型的拓 扑结构连接成星形或树型的拓扑结构。 大大的方便了前期施工和后期的维修工作。

2.2 HT485 芯片

  HT485 是用于 RS-485 和 RS-422 通信的低功率收发器。 IC 包含一个驱动器和一个接收器。HT485 的驱动器转换速率不受限制， 允许它们传输高达 2.5Mbps。 这些收发器在空载或满载着禁用的驱动程序。 所有部件都由一个 5V 电源供电。 驱动器短路电流受限， 并通过热关机电路防止过度功耗这将驱动器输出置于高阻抗状态。 接收器输入具有故障安全功能如果输入开路， 则保证逻辑高输出。 HT485 设计用于半双工应用。

  其中的 RE 引 脚是收发控制位， 低电平表示接收， 高电平表示发送。

•  特性

  1、 使用人体模型对 RS-485/RS-422 I/OPins± 15kV 进行扩展 ESD 保护
  2、 低静态电流： 300µA； -7V 至+12V 共模输入电压范围； 三态输出
  3、 提供全双工和半双工版本
  4、 从单个 5V 电源操作， 总线上最多允许 32 个收发器数据速率： 2.5 Mbps
  5、 驱动器过载保护的限流和热关机
  485 通信如果需要实现一主多从通信， 还需要自 己设计通信协议， 使用地址来区分从机。一般可以参考 modbus 协议协议进行设计。

3.TTL 电平和 COMS 电平

  TTL 是 Time To Live 的缩写， 是生存时间值的意思， TTL 电平信号规定， +5V 等价于逻辑“1”， 0V 等价于逻辑“0”(采用二进制来表示数据时)。 输入高电平>=2.0V， 输入低电平<=0.8V。这样的数据通信及电平规定方式， 被称做 TTL（晶体管-晶体管逻辑电平） 信号系统。 这是计算机处理器控制的设备内部各部分之间通信的标准技术。
  同理， 适合于 cmos 电路工作的电平就是 cmos 电平。 COMS 集成电路是互补对称金属氧化物半导体(Compiementary symmetry metal oxide semicoductor)集成电路的英文缩写， 电路的许多基本逻辑单元都是用增强型 PMOS 晶体管和增强型 NMOS 管按照互补对称形式连接的， 静态功耗很小。 COMS 电路的供电电压 VDD 范围比较广在+5–+15V 均能正常工作， 电压波动允许± 10， 当输出电压高于 VDD-0.5V 时为逻辑 1， 输出电压低于 VSS+0.5V(VSS 为数字地)为逻辑 0， 扇出数为 10–20 个 COMS 门电路。

4.USB 转串口 CH340

  CH340 是一个 USB 总线的转接芯片， 实现 USB 转串口或者 USB 转打印口。 在串口方式下， CH340 提供常用的 MODEM 联络信号， 用于为计算机扩展异步串口， 或者将普通的串口设备直接升级到 USB 总线。

4.1 特点

  ● 全速 USB 设备接口， 兼容 USB V2.0。
  ● 仿真标准串口， 用于升级原串口外围设备， 或者通过 USB 增加额外串口。
  ● 计算机端 Windows 操作系统下的串口应用程序完全兼容， 无需修改。
  ● 硬件全双工串口， 内置收发缓冲区， 支持通讯波特率 50bps～2Mbps。
  ● 支持常用的 MODEM 联络信号 RTS、 DTR、 DCD、 RI、 DSR、 CTS。
  ● 通过外加电平转换器件， 提供 RS232、 RS485、 RS422 等接口。
  ● CH340R 芯片支持 IrDA 规范 SIR 红外线通讯， 支持波特率 2400bps 到 115200bps。
  ● 内置固件， 软件兼容 CH341， 可以直接使用 CH341 的 VCP 驱动程序。
  ● 支持 5V 电源电压和 3.3V 电源电压甚至 3V 电源电压。
  ● CH340C/N/K/E 及 CH340B 内置时钟， 无需外部晶振， CH340B 还内置 EEPROM 用于配置序列号等。
  ● 提供 SOP-16、 SOP-8 和 SSOP-20 以及 ESSOP-10、 MSOP-10 无铅封装， 兼容 RoHS。

4.2 CH340 USB 转串口特性

  CH340 内置了独立的收发缓冲区， 支持单工、 半双工或者全双工异步串行通讯。 串行数据包括 1 个低电平起始位、 5、 6、 7 或 8 个数据位、 1 个或 2 个高电平停止位， 支持奇校验/偶校验/标志校验/ 空白校验。 CH340 支持常用通讯波特率： 50、 75、 100、 110、 134.5、150、 300、 600、 900、 1200、 1800、 2400、 3600、 4800、 9600、 14400、 19200、 28800、33600、 38400、 56000、 57600、 76800、 115200、 128000、 153600、 230400、 460800、 921600、1500000、 2000000 等。 对于单向 1Mbps 及以上、 或双向 500Kbps 及以上的应用， 建议改用 CH343 启用硬件自 动流控。 CH340 串口接收信号的允许波特率误差约2％,CH340G/CH340T/CH340R 串口发送信号的波特率误 差小于 0.3％CH340C/340N/340K/340E/340B 串口发送信号的波特率误差小于 1.2％。
  Windows 操作系统下， CH340 的驱动程序能够仿真标准串口， 所以绝大部分原串口应用程序完全兼容， 通常不需要作任何修改。 CH340 可以用于升级原串口外围设备， 或者通过USB 总线为计算机增加额外串口。 通过外加电平 转换器件， 可以进一步提供 RS232、 RS485、RS422 等接口。 CH340R 只需外加红外线收发器， 就可以通过 USB 总线为计算机增加 SIR 红外适配器， 实现计算机与符合 IrDA 规范的外部设备之间的红外线通讯。