對RS232、RS485、RS422通信協議的闡述和分析

時間:2020/12/01 來源:專業視聽網

關鍵詞: 易科、RS232、RS485、RS422通信協議

RS232、RS485、RS422是音視頻控制領域的常用通信協議,這個RS(Recommended Standard)是推薦標準的意思。這些協議是由EIA(Electronic Industry Association,指的是美國電子工業協會)制定的,其標準名稱為EIA-232、EIA-485、EIA-422。本文則沿用了業內約定俗成的名稱RS232、RS485、RS422來進行闡述和分析。

RS通信協議本質上是一個通用的通信協議,在大多數情況下是用來傳輸控制信號,所以也被稱為“RS控制協議”。其信號的傳輸流程如下圖1所示:

圖1 - 信號的傳輸流程圖

一、引腳

1.  引腳的定義與分配情況

RS通信協議中用到的引腳一般有10個左右,例如RS232中常用的引腳有9個,其引腳定義如表1所示。

表1 - RS232通信協議引腳定義(引用自維基百科)

而在大多數情況下,音視頻控制系統只用到了其中接收信號、發送信號和接地三種類型的引腳,因此本文將針對這三種類型的引腳展開討論。

RS通信協議中所需的引腳數如表2所示,而其引腳名如圖2所示。三種協議所需引腳數的不同將直接導致其工作模式和信號傳輸模式的不同。

表2 - RS通信協議的引腳數

圖2 - RS通信協議的引腳名

2.  工作模式和信號傳輸模式


表3 - RS通信協議的工作模式與信號傳輸模式

RS通信協議的工作模式與信號傳輸模式如表3所示。接下來分析這幾種工作模式和信號傳輸模式與引腳數的關系,還有其各自的優缺點。

(1)RS232協議

①工作模式:如表2所示,接收信號、發送信號、接地各用一個引腳,接收信號和發送信號的引腳分開,即在RS232中,可以同時收發信號,所以它的工作模式是全雙工;

②信號傳輸模式:由于收發信號的通道(引腳)分別只有一個,因此在接收端接收信號時,無法將信號在傳輸過程中受到的干擾利用差分放大電路消除掉,所以它的信號傳輸模式是非平衡傳輸;

③優點:RS232使用三個引腳就實現了全雙工;

④缺點:RS232無法消除傳輸過程中所面臨的共模干擾,因此不適合遠距離傳輸,其最大傳輸距離如表4所示。

表4 - RS通信協議的最大傳輸距離和傳輸速率

(注:表4中的最大傳輸距離是理論值,實際應用中的傳輸距離受到信號傳輸速率、線路負載情況、布線、邏輯電平值和接收器靈敏度等情況的綜合影響。)

(2)RS422協議

①工作模式:如表2所示,收發信號分別用了兩個通道(引腳),所以它的工作模式也是全雙工;

②信號傳輸模式:在RS422中,通過在信號發送端發送一正一反的兩個信號,經過平衡雙絞線纜的傳輸后,在信號的接收端利用差分放大電路進行接收,使其共模干擾被抵消且有效信號強度加倍,所以它的信號傳輸模式是平衡傳輸。

③優點:RS422實現了全雙工和平衡傳輸,能抵消共模干擾,并使接收端接收的有效信號強度加倍,所以適合遠距離傳輸,其最遠傳輸距離如表4所示;

④缺點:在RS422中使用了五個引腳,所以其傳輸線纜中也需要5根芯線來對應這五個引腳,增加了布線的成本和連線的復雜程度。

(3)RS485協議

①工作模式:如表2所示,收發信號共用了兩個通道(引腳),這也就意味著在RS485中無法同時收發信號,所以它的工作模式是半雙工;

②信號傳輸模式:在RS485中,采用復用技術,使用兩個信號通道(引腳)同時來傳輸或者接收一正一反的兩個信號,在信號的傳輸過程中使用雙絞線,在信號的接收端利用差分放大電路對信號進行接收,也可以解決干擾問題并使其信號強度加倍,所以它的信號傳輸模式是平衡傳輸。

③優點:RS485實現了平衡傳輸,并使接收端接收的有效信號強度加倍,所以其也適合遠距離傳輸;

④缺點:RS485沒有實現全雙工。

(4)小結

RS232實現了全雙工,但其信號傳輸模式是非平衡傳輸,所以其比較適合用于短距離的信號傳輸;而在RS422中實現了全雙工和平衡傳輸,所以其適合用于遠距離的信號傳輸,但是其用到了5個引腳,相較于RS232和RS485而言,其布線的成本和連線的復雜程度較高;而在RS485中使用三個引腳實現了平衡傳輸,所以其也適合用于遠距離的信號傳輸,但是相較于RS232和RS422而言,其沒有實現全雙工。

綜上所述,三個通信協議各有優缺點,所以在實際使用過程中,需根據實際情況來進行分析和選擇。

3.  電平范圍與邏輯關系

RS通信協議中的電平范圍與邏輯關系如表5所示。


表5- 電平范圍與邏輯關系

如表4所示,由于RS422和RS485的接收器的靈敏度較高,能檢測電壓絕對值低至200mV的電壓,這也是導致RS422和RS485的傳輸距離較遠的原因之一。

4.  信號接地

信號接地是指兩個端口的接地引腳通過可靠的方式接入大地后,再通過線纜連接。

需要注意的是,兩個端口的接地引腳上的電勢有可能不一樣,此時會造成兩個接口的信號引腳與接地引腳之間的電勢差不一樣,這樣很有可能因為一個端口上的電勢差過大而燒壞端口。

二、物理接口及信號線線序

1.  物理接口

不同物理接口上的引腳數量如表5所示。

表5 - 各種物理接口的引腳數量

需要注意的是,不同的RS通信協議需要用到的物理接口上的引腳數量可能不一致,例如:RS232和RS485只會用到3個引腳,而RS422需要用到5個引腳。

2.  信號線線序

RS232、RS422和RS485的信號線線序如圖3到5所示。

圖3 - RS232的信號線線序圖

特別需要注意這三者之間的區別,因為RS232和RS422中的收發引腳是分開的,所以信號線需要反接,但是RS485中的收發引腳是復用的,所以信號線不需要反接。

三、收發設備之間的連接方式

1.  連接方式

RS通信協議的連接方式如表5所示。

5 - RS通信協議的連接方式

即RS232只能實現點對點的通信,而RS422和RS485都能實現點對多的通信。

需要注意RS422中只允許有一個主設備,而從設備可以有多個(從設備數量由芯片決定),主從設備之間可以實現雙向通信,但是從設備之間不能進行通信;而RS485擁有多站能力,即任何兩臺設備之間都可以進行通信,但是任一時刻只能有一臺設備處于發送信息的狀態,需由使能信號對設備發送信息的狀態進行控制。

例如:在Symetrix的處理器Prism 8*8中,它使用的是RS485通信協議,如圖6所示,將Prism 8*8背板的ARC接口和Symetrix控制面板背板的RJ45接口通過手拉手的方式串聯起來,就能實現點對多通信,即Prism 8*8通過ARC接口發出一個信號后,與其連接的所有Symetrix控制面板都能收到該信號;反過來也是一樣的,任意一個Symetrix控制面板發出一個信號后,與其連接的其余設備也都能收到該信號。

圖6

而Symetrix處理器背板上的ARC接口的引腳定義如圖7所示,使用的是網線中的一組雙絞線,即第4根和第5根線來連接收發引腳(+)和收發引腳(-),從而傳輸RS485信號。

圖7

在實現點對多通信時,需注意,每臺設備之間只建議通過手拉手的方式串聯,不建議使用星型的連接方式,因為使用星型連接方式,可能會造成很嚴重的回波反射現象,即會導致傳輸鏈路節點中信號的疊加和抵消,從而可能會使得信號中的0和1無法被識別。如果要使用星型的連接方式,應考慮在系統中加入中繼器。

例如:Symetrix的ARC-PSe有中繼器的功能,可以通過該設備與接收設備之間形成星型的連接方式。

如圖8所示,通過一條CAT5/6的線纜,將Symetrix的處理器EDGE背板上的ARC接口接到ARC-PSe設備上的ARC(IN)接口,然后就可以在ARC-PSe設備上的8個ARC(OUT)接口后繼續通過手拉手的方式串聯Symetrix的控制面板;在整體的系統鏈路上來說,這是一種星型的連接方式。

圖8

2.  什么是回波反射

回波反射是指在數字信號的傳輸過程中,上下級之間的阻抗沒有滿足1:1原則,也就是說在鏈路的末端突然沒有信號的接收端的話,這時候的上下級阻抗之間將嚴重偏離1:1原則,這時就會產生不小的回波反射從而對信號的傳輸造成很大的干擾,而解決這種問題的方法就是在鏈路末端加上截止電阻,通過滿足1:1原則來避免回波反射現象。

四、總結

總的來說,RS232、RS485、RS422等通信協議各有利弊,在實際的使用過程中主要需要注意以下幾點:

(1)工作模式是全雙工還是半雙工,信號的傳輸模式是平衡傳輸還是非平衡傳輸,如果是平衡傳輸的話需要用到雙絞線;

(2)接地端要可靠接地;

(3)需要注意信號線的線序是否需要反接;

(4)RS485和RS422不允許使用星型連接方式(除非使用中繼器);

(5)要考慮到回波反射的問題,選用適當的終接電阻。

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