RS-232，422，485应用详解

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前言

很多时候在硬件通讯交互的时候，经常的听到Rs232，Rs485，Rs422，USB，TCP等等的这些词，在此就串口（Rs-232，422，485）做相应的解释，以及实际使用中的注意事项。

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一、前世今生，相爱相杀

1.RS-232

• 出现时间: 1962年
• 目标: 解决早期计算机和外围设备之间的低速、短距离通信问题。

RS-232 解决的问题:

• 标准化的串行通信接口: 提供了一个标准的、低成本的接口协议，广泛用于计算机与调制解调器、打印机、终端设备之间的通信。
• 低速设备的通信需求: 设计用于较低速率（典型为 20 kbps 以下），满足早期设备如终端、打印机等的通信需求。
• 电气隔离: 采用不对称（单端）信号传输方式，通过不同的电压等级（通常为 ±12V）进行数据传输，具备一定的抗干扰能力。
• 易于理解和实现: RS-232 的硬件和软件实现简单，便于推广应用。

RS-232 的局限性：

• 距离限制: 最大传输距离约为 15 米。
• 低速率: 速率上限为 20 kbps（实用中可以达到 115 kbps）。
• 多设备通信受限: 只能在两个设备间（点对点）通信，无法进行多设备通信。
• 抗干扰能力差: 由于单端信号，抗干扰能力较弱。

2.RS-422

• 出现时间: 1978年
• 目标: 解决 RS-232 传输距离短、速率低以及抗干扰能力差的问题。

RS-422 解决的问题:

• 更长的传输距离: RS-422 采用差分信号传输，使得数据传输距离从 RS-232 的 15 米提升到 1200 米（在 100 kbps 下），适合更远距离的通信需求。
• 更高的传输速率: 最高传输速率可达 10 Mbps（在较短距离下），满足更高数据速率的应用需求。
• 多接收设备支持: 允许一个发送器对最多 10 个接收器通信，实现单主多从模式（但不能多主）。
• 全双工通信支持: 四线制 RS-422 可以实现全双工通信，分别使用两对差分线来发送和接收数据。

RS-422 的局限性:

• 单向通信限制: RS-422 是单主多从的通信模式，只能有一个驱动器（发送器），限制了多主设备通信的应用。
• 设备数量有限: 虽然支持多接收设备，但数量限制在 10 个接收器以内。

3.RS-485

• 出现时间: 1983年
• 目标: 解决 RS-422 无法实现多主通信、多设备和更复杂网络应用的局限。

RS-485 解决的问题:

• 多主通信能力: RS-485 允许多个驱动器和多个接收器共用一条总线（多主多从模式），适合复杂的多设备网络通信需求。
• **更多的设备连接:**支持最多 32 个驱动器和 32 个接收器，满足多设备联网的需求（通过扩展可以连接更多设备）。
• 灵活的通信模式: 可以实现半双工通信，也可以通过额外的线路实现全双工通信，适应更多应用场景。

RS-485 的局限性:

• 协议管理复杂: 多主模式需要对通信协议进行严格管理（如主从轮询、冲突避免等），实现难度较高。
• 多主通信的冲突风险: 由于多个主设备可能同时发送数据，需要更复杂的总线仲裁机制来避免总线冲突。
• 半双工默认模式: 默认采用半双工通信，需要软件或硬件管理数据方向。

二、物理层面定义与连接

1.RS-232

现在常用的连接器一般都为DB9的连接，下面针对DB9进行说明。

a.引脚定义

引脚编号	缩写	功能	方向
1	DCD	数据载波检测 (Data Carrier Detect)	输入
2	RXD	接收数据 (Receive Data)	输入
3	TXD	发送数据 (Transmit Data)	输出
4	DTR	数据终端准备 (Data Terminal Ready)	输出
5	GND	信号地 (Signal Ground)	-
6	DSR	数据设备准备 (Data Set Ready)	输入
7	RTS	请求发送 (Request to Send)	输出
8	CTS	清除发送 (Clear to Send)	输入
9	RI	振铃指示 (Ring Indicator)	输入

b.基本接线方式

对于最基本的通信，仅需连接以下引脚：

• 2 (RXD) 和 3 (TXD): 分别用于数据接收和发送，通常在两个设备之间交叉连接。
• 5 (GND): 连接两个设备的信号地。

设备 A          设备 B
----------------------------
TXD (3)  ----->  RXD (2)
RXD (2)  <-----  TXD (3)
GND (5)  <---->  GND (5)

2.RS-422

通常的在应用中，电脑通过自带串口（DB9）或usb转串口（DB9）进行232连接，所以需要有一个232转422的模块进行转接，常常转接后的信号会入下所示：

a.引脚定义

信号名称	缩写	功能
发送数据 +	TX+	发送数据的正极信号（发送 A）
发送数据 -	TX-	发送数据的负极信号（发送 B）
接收数据 +	RX+	接收数据的正极信号（接收 A）
接收数据 -	RX-	接收数据的负极信号（接收 B）
信号地	GND	公共地（信号地）

b.基本接线方式

通常在 RS-422 总线信号的两端加装120Ω终端电阻。终端电阻对于长距离通信或高速通信非常重要。

1. 全双工四线制接线
   在全双工模式下，RS-422 使用四根信号线来同时传输和接收数据：

设备 A（主机）               设备 B（从机）
-------------------------------------------
TX+ (发送数据+)  -------->  RX+ (接收数据+)
TX- (发送数据-)  -------->  RX- (接收数据-)
RX+ (接收数据+)  <--------  TX+ (发送数据+)
RX- (接收数据-)  <--------  TX- (发送数据-)
GND (信号地)     ---------  GND (信号地)

2. 单主多从接线
   RS-422 允许一个主设备向多个从设备发送数据。在这种情况下，主设备的发送端接到多个从设备的接收端：

主机 TX+ (发送数据+)  -----> 从机1 RX+ (接收数据+)-----> 从机2 RX+ (接收数据+)-----> 从机3 RX+ (接收数据+)主机 TX- (发送数据-)  -----> 从机1 RX- (接收数据-)-----> 从机2 RX- (接收数据-)-----> 从机3 RX- (接收数据-)主机 RX+ (接收数据+)  <----- 从机1 TX+ (发送数据+)<----- 从机2 TX+ (发送数据+)<----- 从机3 TX+ (发送数据+)主机 RX- (接收数据-)  <----- 从机1 TX- (发送数据-)<----- 从机2 TX- (发送数据-)<----- 从机3 TX- (发送数据-)GND (信号地)    ----------  GND (信号地)（所有设备共用）

3.RS-485

与422相类似的，485也需要通过转接器进行差分信号变换，定义如下：

a.引脚定义

RS-485 有两种常见的接线方式：两线制（半双工）和 四线制（全双工）。不同接线方式适用于不同的通信模式。

两线制（半双工）

缩写	功能
A 线（D+ 或者 TX+/RX+）	差分信号+
B 线（D- 或者 TX-/RX-）	差分信号-
GND	公共地（信号地）

四线制（全双工）

缩写	功能
A 线（TX+ 或者 T+/T-）	发送 A 线
B 线（TX- 或者 T-/T+）	发送 B 线
A 线（RX+ 或者 R+/R-）	接收 A 线
B 线（RX- 或者 R-/R+）	接收 B 线
GND	公共地（信号地）

b.基本接线方式

通常在 RS-485 总线信号的两端也要加装120Ω终端电阻。终端电阻对于长距离通信或高速通信非常重要。

1.两线制（半双工）

主设备 (Master)            从设备 1 (Slave)            从设备 2 (Slave)  .......
---------------------------------------------------------------------------
A (D+)  ------------------+--------------------------+---------------------
B (D-)  ------------------|-------+------------------|-------+-------------
GND    -------------------|-------|-----+------------|-------|-----+-------|       |     |            |       |     |A (D+)  B (D-)  GND        A (D+)  B (D-)  GND

2.四线制（全双工）

主设备 (Master)            从设备 1 (Slave)             .......
-----------------------------------------------------------------------------
A (TX+)  -----------------------------------+--------------------------------
B (TX-)  -----------------------------------|---------+----------------------
A (RX+)  ------------------+----------------|---------|----------------------
B (RX-)  ------------------|--------+-------|---------|----------------------
GND     -------------------|--------|-------|---------|------+---------------|        |       |         |      |A (TX+)  B (TX-)  A (RX+)  B (RX-)  GND

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总结

定义以及线束连接都比较简单，但很多时候转换器转接的信号存在弯弯绕绕的关系，在都梳理每一种连接方式，方便接口排查。