串行通信接口按電氣標準及協議來分包括RS-232、RS-422、RS485、USB等。 RS-232、RS-422與RS-485標準只對接口的電氣特性做出規(guī)定，不涉及接插件、電纜或協議。USB是近年發(fā)展起來的新型接口標準，主要應用于高速數據傳輸領域。

 

（1）RS-232串行接口

目前RS-232是PC機與通信工業(yè)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信中增加通信距離的單端標準。RS-232采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通信。典型的RS-232信號在正負電平之間擺動，在發(fā)送數據時，發(fā)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電平，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。RS-232是為點對點（即只用一對收、發(fā)設備）通信而設計的，其驅動器負載為3～7kΩ。由于RS-232發(fā)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30米，最高速率為20kb/s。所以RS-232適合本地設備之間的通信?？梢酝ㄟ^測量DTE的Txd（或DCE的Rxd）和Gnd之間的電壓了解串口的狀態(tài)，在空載狀態(tài)下，它們之間應有約-10V左右（-5~-15V）的電壓，否則該串口可能已損壞或驅動能力弱。

①管腳定義

RS-232物理接口標準可分成25芯和9芯D型插座兩種，均有針、孔之分。其中TX（發(fā)送數據）、RX（接受數據）和GND（信號地）是三條最基本的引線，就可以實現簡單的全雙工通信。DTR（數據終端就緒）、DSR（數據準備好）、RTS（請求發(fā)送）和CTS（清除發(fā)送）是最常用的硬件聯絡信號。

圖1-1 RS232接口中DB9、DB25管腳信號定義

 

按照RS232標準，傳輸速率一般不超過20kbps，傳輸距離一般不超過15M。實際使用時通信速率最高可達115200bps。

②RS232串行接口基本接線原則

設備之間的串行通信接線方法，取決于設備接口的定義。設備間采用RS232串行電纜連接時有兩類連接方式：

直通線：即相同信號（Rxd對Rxd、Txd對Txd）相連，用于DTE（數據終端設備）與DCE（數據通信設備）相連。如計算機(DTE)與MODEM(DCE)（或DTU）相連。

交叉線：即不同信號（Rxd對Txd、Txd對Rxd）相連，用于DTE與DTE相連。如計算機與計算機、計算機與采集器之間相連。

以上兩種連接方法可以認為同種設備相連采用交叉線連接，不同種設備相連采用直通線連接。在少數情況下會出現兩臺具有DCE接口的設備需要串行通信的情況，此時也用交叉方式連接。當一臺設備本身是DTE，但它的串行接口按DCE接口定義時，應按DCE接線。如艾默生網絡能源有限公司生產的一體化采集器IDA采集模塊上的調測接口是按DCE接口定義的，當計算機與IDA采集模塊的調測口連接時就要采用直通串行電纜。

一般地，RS232接口若為公頭，則該接口按DTE接口定義；若為母頭，則該接口按DCE接口定義。但注意也有反例，不能一概而論。(一些DTE設備上的串行接口按DCE接口定義而采用DB9或DB25母接口的原因主要是因為DTE接口一般都采用公頭，當人用手接觸時易接觸到針腳；采用母頭時因不易碰到針腳，可避免人體靜電對設備的影響。)

對于某些設備上的非標準RS232接口，需要根據設備的說明書確定針腳的定義。如果已知Txd、Rxd和Gnd三個針腳，但不清楚哪一個針腳是Txd，哪一個針腳是Rxd，可以通過用萬用表測量它們與Gnd之間的電壓來判別，如果有一個電壓為-10V左右，則萬用表紅表筆所接的是DTE的Txd或DCE的Rxd。

③RS232的三種接線方式

三線方式：即兩端設備的串口只連接收、發(fā)、地三根線。一般情況下，三線方式即可滿足要求，如監(jiān)控主機與采集器及大部分智能設備之間相連。

簡易接口方式：兩端設備的串口除了連接收、發(fā)、地三根線外，另外增加一對握手信號（一般是DSR和DTR）。具體需要哪對握手信號，需查閱設備接口說明。

完全口線方式：兩端設備的串口9線全接。

此外，有些設備雖然需要握手信號，當并不需要真正的握手信號，可以采用自握手的方式。

 

(2)RS-422/485串行接口

①平衡傳輸

RS-422由RS-232發(fā)展而來。為改進RS-232通信距離短、速度低的缺點，RS-422定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到10Mbit/s,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(fā)送、多機接收的單向、平衡傳輸規(guī)范。

RS-422的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，如圖1-2。

圖1-2 RS-232差分傳輸

通常情況下，發(fā)送驅動器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， “使能”端是用于控制發(fā)送驅動器與傳輸線的切斷與連接。當“使能”端起作用時，發(fā)送驅動器處于高阻狀態(tài)，稱作“第三態(tài)”，即它是有別于邏輯“1”與“0”的第三態(tài)。

接收器也作與發(fā)送端相應的規(guī)定，收、發(fā)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。

②RS-422

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。圖1-3是典型的RS-422四線接口。

 

圖1-3 RS422標準通信

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(fā)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(jié)點，最多可接10個節(jié)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。RS-422四線接口由于采用單獨的發(fā)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。

RS422接口的定義很復雜，一般只使用四個端子，其針腳定義分別為TXD+、TXD-、RXD+、RXD-，其中TXD+和TXD-為一對數據發(fā)送端子，RXD+和RXD-為一對數據接收端子，參見圖1-4。

圖1-4 RS 422引腳定義

 

RS422采用了平衡差分電路，差分電路可在受干擾的線路上拾取有效信號，由于差分接收器可以分辨0.2V以上的電位差，因此可大大減弱地線干擾和電磁干擾的影響，有利于抑制共模干擾，傳輸距離可達1200米。

另外和RS232不同的是，在一RS422總線上可以掛接多臺設備組網，總線上連接的設備RS422串行接口同名端相接，與上位機則收發(fā)交叉，可以實現點到多點的通信，RS232只能點到點通信，不能組成串行總線。

通過RS422總線與計算機某一串口通信時，要求各設備的的通信協議相同。為了在總線上區(qū)分各設備，各設備需要設置不同的地址。上位機發(fā)送的數據所有的設備都能接收到，但只有地址符合上位機要求的設備響應。

③RS-485

為擴展應用范圍，EIA在RS-422的基礎上制定了RS-485標準，增加了多點、雙向通信能力，通常在要求通信距離為幾十米至上千米時，廣泛采用RS-485收發(fā)器。

RS-485收發(fā)器采用平衡發(fā)送和差分接收，即在發(fā)送端，驅動器將TTL電平信號轉換成差分信號輸出；在接收端，接收器將差分信號變成TTL電平，因此具有抑制共模干擾的能力，加上接收器具有高的靈敏度，能檢測低達200mV的電壓，故數據傳輸可達千米以外。

RS-485許多電氣規(guī)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可以采用二線與四線方式，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連接多達32個設備，SIPEX公司新推出的SP485R最多可支持400個節(jié)點。

RS-485與RS-422的共模輸出電壓是不同的。RS-485共模輸出電壓在-7V至+12V之間， RS-422在-7V至+7V之間，RS-485接收器最小輸入阻抗為12KΩ；RS-422是4kΩ；RS-485滿足所有RS-422的規(guī)范，所以RS-485的驅動器可以用在RS-422網絡中應用。但RS-422的驅動器并不完全適用于RS-485網絡。

RS-485與RS-422一樣，最大傳輸速率為10Mb/s。當波特率為1200bps時，最大傳輸距離理論上可達15千米。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(guī)定最長的電纜長度。

RS-485需要2個終接電阻，接在傳輸總線的兩端，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。

RS485是RS422的子集，只需要DATA+（D+）、DATA-（D-）兩根線。RS485與RS422的不同之處在于RS422為全雙工結構，即可以在接收數據的同時發(fā)送數據，而RS485為半雙工結構，在同一時刻只能接收或發(fā)送數據。

RS485總線上也可以掛接多臺設備，用于組網，實現點到多點及多點到多點的通信（多點到多點是指總線上所接的所有設備及上位機任意兩臺之間均能通信）。

連接在RS485總線上的設備也要求具有相同的通信協議，且地址不能相同。在不通信時，所有的設備處于接收狀態(tài)，當需要發(fā)送數據時，串口才翻轉為發(fā)送狀態(tài)，以避免沖突。

為了抑制干擾，RS485總線常在最后一臺設備之后接入一個120歐的電阻。

很多設備同時有RS485接口方式和RS422接口方式，常共用一個物理接口，見圖1-5。圖中，RS422的D+和D-與可以與RS485的T+和T-共用。

圖1-5 RS422引腳通信接法

 

(3)RS232/422/485串行通信接口性能比較

 

上述三種通信接口的比較見下表1-2。

                                    表1-2 RS232、RS422、RS-485接口性能比較

 

(4)USB接口

USB,全稱是Universal Serial Bus（通用串行總線），它是在1994年底由康柏、IBM、Microsoft等多家公司聯合制訂的，但是直到1999年，USB才真正被廣泛應用。自從1994年11月11日發(fā)表了USB V0.7以后，USB接口經歷了六年的發(fā)展，現在USB已經發(fā)展到了2.0版本。USB接口的特點是：

①數據傳輸速率高。USB標準接口傳輸速率為12Mbps，最新的USB2.0支持最高速率達480Mbps。同串行端口比，USB大約快1000倍；同并行端口比，USB端口大約快50%。

②數據傳輸可靠。USB總線控制協議要求在數據發(fā)送時含有3個描敘數據類型、發(fā)送方向和終止標志、USB設備地址的數據包。USB設備在發(fā)送數據時支持數據偵錯和糾錯功能，增強了數據傳輸的可靠性。

③同時掛接多個USB設備。USB可通過菊花鏈的形式同時掛接多個USB設備，理論上可達127個。

④USB接口能為設備供電。USB線纜中包含有兩根電源線及兩根數據線。耗電比較少的設備可以通過USB口直接取電。可通過USB口取電的設備又分低電量模式和高電量模式，前者最大可提供100毫安的電流，而后者則是500毫安。

⑤支持熱插拔。在開機情況下，可以安全地連接或斷開設備，達到真正的即插即用。

USB還具有一些新的特性，如：實時性（可以實現和一個設備之間有效的實時通信）、動態(tài)性（可以實現接口間的動態(tài)切換）、聯合性（不同的而又有相近的特性的接口可以聯合起來）、多能性（各個不同的接口可以使用不同的供電模式）。