RS232与RS485串行通信协议详解

引言

在串行通信领域，UART只是对信号的时序进行了定义，而未定义接口的电气特性。没有规定不同器件连接时连接器的标准。RS232和RS485是两种常用的通信协议。它们广泛应用于工业自动化、仪器仪表和计算机通信等领域。本文将详细介绍这两种协议的基本概念、工作原理、优缺点以及应用场景。欢迎评论区讨论。

RS232协议

RS232协议是一种用于串行通信的标准协议，最初由电子工业联盟（EIA）在1970年发布。它定义了数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）之间的通信方式，常用于计算机与外围设备（如调制解调器、打印机）之间的连接。

该标准规定采用一个标准的连接器，标准中对连接器的每个引脚的作用加以规定，还对信号的电平加以规定。

引脚说明

现在工业控制的RS-232接口一般只使用RXD、TXD、GND三条线。该标准规定逻辑"1"的电平为-5V到-15V，逻辑"0"的电平为+5V到+15V，通过选用该电气标准的目的，在于提高抗干扰能力，增大通信距离，其传送距离一般可达15m。

1. 数据载波检测(DCD) - 输入作用：指示是否检测到来自DCE的载波信号。重要性：在调制解调器通信中用于表示远程调制解调器已连接。
2. 接收数据(RxD) - 输入作用：DTE设备通过此线接收数据。重要性：这是主要的数据接收线，几乎所有RS232通信都会用到。
3. 发送数据(TxD) - 输出作用：DTE设备通过此线发送数据。重要性：与RxD一样，这是主要的数4据传输线，是RS232通信的核心。
4. 数据终端就绪(DTR) - 输出作用：表示DTE已准备好进行通信。重要性：用于向DCE表明DTE处于活动状态，常用于唤醒调制解调器。
5. 信号地(GND)作用：提供电气参考点。重要性：所有信号都相对于此地电位测量，是正确通信的基础。
6. 数据设备就绪(DSR) - 输入作用：表示DCE已准备好接受命令或数据。重要性：与DTR配对使用，用于握手过程。
7. 请求发送(RTS) - 输出作用：DTE请求DCE准备接收数据。重要性：用于流控制，特别是在半双工通信中。
8. 清除发送(CTS) - 输入作用：指示DCE已准备好接受数据。重要性：与RTS配对使用，用于硬件流控制。
9. 振铃指示(RI) - 输入作用：指示DCE检测到振铃信号。重要性：主要用于调制解调器通信，表示有来电。

电平转换

在讨论RS232通信时，一个经常被忽视但至关重要的话题是电平转换。虽然许多现代处理器都集成了UART（通用异步收发器）控制器，但它们输出的通常是TTL（晶体管-晶体管逻辑）电平信号，而不是RS232标准所要求的电平。所以一般还需要在处理器外部去添加电路对信号的电平进行转换。

• TTL电平：
  • 逻辑"0"：0V到0.8V
  • 逻辑"1"：2.4V到5V（对于5V TTL）
• RS232电平：
  • 逻辑"0"：+5V到+15V
  • 逻辑"1"：-5V到-15V

注意：RS232的电平范围和极性：逻辑"1"对应负电压，而逻辑"0"对应正电压。这与TTL正好相反。

常用的电平转换方法

1. 集成电路法：最常用的方法是使用专门的电平转换IC，如MAX232系列。（内置电荷泵，无需额外的电源、可靠性高）
   
2. 分立元件法：使用晶体管或运算放大器构建转换电路。具体实现步骤不过多说明。
3. 电压分压法（仅用于简单接收）：使用分压电路将RS232信号转换为TTL电平。

RS485协议

RS485(也称为EIA-485)是由电子工业联盟(EIA)开发的串行通信标准。它是RS422的扩展版本,专为创建低成本、长距离、多点通信网络而设计。是一种广泛应用于工业和商业领域的串行通信标准。它以其优秀的抗干扰能力、长距离传输能力和多点通信支持而闻名。

该标准允许连接多个收发器，即具有多站能力，这样可以利用单一的RS485接口方便地建立起一个设备网络。（主从机制，一个主机管理多个从机）

根据RS485标准规范，在不使用中继器的情况下，一个RS485网段最多可以支持32个节点设备

工作原理

RS485使用平衡差分信号传输数据。这意味着信息是通过两条线(通常标记为A和B)之间的电压差来传递的。两线间的电压差为-2V到-6V表示逻辑0；两线间的电压差为+2V到+6V表示逻辑1。

• 逻辑"1"(或标记状态):A线电压低于B线
• 逻辑"0"(或空闲状态):A线电压高于B线

这种差分信号传输方式大大提高了抗干扰能力，因为外部噪声通常会同时影响两条线路，而接收器只关注两线间的电压差。RS485的通信距离可以达到1200m；RS485接口信号的电平比RS232降低了，所以不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便地与TTL电路连接。

简单点就是两条信号线交错在一起，RS485采用两线制，这种接线方式为总线式拓扑结构，在同一总线上可以同时存在多个节点。

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因为采用两线制，数据的发送和接收都要使用这对差分信号线，发送和接收不能同时进行，所以只能采用半双工的方式工作，编程时也需要加以处理。为了防止信号反射和确保信号完整性,RS485总线的两端通常需要添加终端电阻(典型值为120Ω)。

电平转换

RS485使用差分信号传输数据，这与大多数微控制器使用的单端TTL/CMOS逻辑电平不同。因此，在RS485通信中，我们需要进行电平转换。将TTL信号转换成差分信号。如可以使用MAX485芯片用于转换，和RS232的转换芯片类似，这里不过多说明。

RS232和RS485区别

1. 通信方式不同：RS232是点对点通信，全双工（可同时发送和接收）；RS485支持多点通信（最多32个标准负载设备），半双工（通常情况下）或全双工（使用四线时）。
2. 信号类型：RS232单端信号，使用正负电压表示逻辑电平；RS485差分信号，使用两线间的电压差表示逻辑电平、
3. 抗干扰能力：RS232抗干扰能力较弱，易受电磁干扰影响；RS485强抗干扰能力，差分信号有效抵消共模噪声。
4. 网络拓扑：RS232仅支持点对点连接；RS485支持总线型网络拓扑。
5. 电压电平不同
6. 传输距离不同：RS232通常限制在15米以内；RS485可达1200米（取决于传输速率）

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