多媒体中控系统的串口连接技术

摘要】文章介绍了多媒体中控系统各种串行接口的标准和工作原理，并结合作者的工作实践，对不同串口之间的连接与 控制技术进行了归纳和总结，提供了一些值得借鉴的经验。

【关键词】RS-232 串行接口；RS-422 串行接口；RS-485 串行接口

【中图分类号】G431 【文献标识码】A 【论文编号】1009—8097（2009）01—0122—03

智能化控制系统中的中央控制主机实际上是一台综合处

理器，主要任务是处理信息、执行信令和转换格式，它以网 络和自身的 NET 总线与各个设备相联接，接受操控者发出的 控制信令，然后向各个延伸控制设备及被控设备发出控制指 令。主机主要通过 IR、RS232 /RS422/RS485、RELAY I/O、 专用 NET、Network 等模式与各种电气设备连接并进行控制。

RS232 /RS422/RS485 就是当前应用最广的串口连接与控 制技术，下面从其工作原理几及应用技术加以探讨。

一 RS-232 串行接口工作原理

RS-232 是为点对点（即只用一对收、发设备）通讯而设 计的，其驱动器负载为 3～7kΩ 采取不平衡传输方式，即所谓 单端通讯。 收、发端的数据信号是相对于信号地，如从 DTE 设备发出的数据在使用 DB25 连接器时是 2 脚相对 7 脚（信 号地）的电平，DB25 引脚定义参见图 1。

典型的 RS-232 信号在正负电平之间摆动，在发送数据时， 发送端驱动器输出正电平在+5～+15V，负电平在-5～-15V 电 平。当无数据传输时，线上电平从 TTL 电平到 RS-232 电平 再返回 TTL 电平。接收器典型的工作电平在+3～+12V 与-3～-12V。由于发送电平与接收电平的差仅为 2V 至 3V，所以其共 模抑制能力差，其传送距离最大为约 15 米，最高速率为 20kb/s， 适合本地设备之间的通信。其有关电气参数参见表 1。

目前较为常用的串口有 9针串口（DB9）和 25针串口（DB25），通信距离较近时（<12m），可以用电缆线直接连 接标准 RS232 端口（RS422，RS485 较远），若距离较远，需附加调制解调器（MODEM）。最为简单且常用的是三线制 接法，即地、接收数据和发送数据三脚相连。首先，串口传 输数据只要有接收数据针脚和发送针脚就能实现：

（1）同一个串口的接收脚和发送脚直接用线相连， 对 9针串口连接器和 25 针串口连接器，均是 2 与 3 直接相连。

（2）串口连接器相连原则见表 2。表 2 是对标准串行口而言的，还有许多非标准设备，如接收 GPS 数据或电子罗盘数 据，只要记住一个原则：接收数据针脚（或线）与发送数据针 脚（或线）相连，彼此交叉，信号地对应相接，就能万无一失。

二 RS-422 与 RS-485 串行接口工作原理

RS-422、RS-485 与 RS-232 不一样，数据信号采用差分 传输方式，也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一 线定义为 A，另一线定义为 B。 图 2 是典型的 RS-422 四线 接口。实际上还有一根信号地线，共 5 根线。

RS422 和 RRS485 电路原理基本相同，都是以差分方式发 送和接受，不需要数字地线。差分工作是同速率条件下传输 距离远的根本原因，这正是二者与 RS232 的根本区别，因为 RS232 是单端输入输出，双工工作时至少需要数字地线、发 送线和接受线三条线（异步传输），还可以加其它控制线完 成同步等功能。RS422 和 RRS485 通过两对双绞线可以全双工工作收发互不影响，而 RS485 只能半双工工作，发收不能同时进行，但它只需要一对双绞线。

通常情况下，发送驱动器 A、B 之间的正电平在+2～+6V， 是一个逻辑状态，负电平在-2～6V，是另一个逻辑状态。另 有一个信号地 C，在 RS-485 中还有一“使能”端，而在 RS-422 中这是可用可不用的。“使能”端是用于控制发送驱动器与传 输线的切断与连接。当“使能”端起作用时，发送驱动器处于 高阻状态，称作“第三态”，即它是有别于 RS-232 逻辑“1”与“0” 的第三态。

接收器也作与发送端相对的规定，收、发端通过平衡双绞 线将 AA 与 BB 对应相连，当在收端 AB 之间有大于+200mV 的电平时，输出正逻辑电平，小于-200mV 时，输出负逻辑电 平。接收器接收平衡线上的电平范围通常在 200mV 至 6V 之间。

RS-422 的最大传输距离为约 1200 米，最大传输速率为10Mb/s。其平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在 100kb/s 速率以下，才可能达到最大传输距离。只有在很短的距离下 才能获得最高速率传输。一般 100 米长的双绞线上所能获得 的最大传输速率仅为 1Mb/s。

RS-422、RS-485 与 RS-232 有关电气参数见表 3。

三 RS-422 与 RS-485 传输线路匹配问题

对 RS-422 与 RS-485 总线网络一般要使用终接电阻进行匹 配。但在短距离与低速率下可以不用考虑终端匹配。从理论上 讲，在每个接收数据信号的中点进行采样时，只要反射信号在开始采样时衰减到足够低就可以不考虑匹配。但这在实际上难 以掌握，美国 MAXIM 公司有篇文章提到一条经验性的原则可 以用来判断在什么样的数据速率和电缆长度时需要进行匹配： 当信号的转换时间超过电信号沿总线单向传输所需时间的 3 倍 以上时就可以不加匹配。例如具有限斜率特性的 RS-485 接口MAX483 输出信号的上升或下降时间最小为 250ns，典型双绞 线上的信号传输速率约为 0.2m/ns（24AWG PVC 电缆），那么 只要数据速率在 250kb/s 以内、电缆长度不超过 16 米，采用 MAX483 作为 RS-485 接口时就可以不加终端匹配。

一般终端匹配采用终接电阻方法，终接电阻一般在 RS-422 网络中取 100Ω，在 RS-485 网络中取 120Ω。相当于电 缆特性阻抗的电阻，因为大多数双绞线电缆特性阻抗大约在100～120Ω。这种匹配方法简单有效，但有一个缺点，匹配电 阻要消耗较大功率，对于功耗限制比较严格的系统不太适合。

四 RS-422 与 RS-485 的接地问题

电子系统接地是很重要的，但常常被忽视。接地处理不 当往往会导致电子系统不能稳定工作甚至危及系统安全。很 多情况下，连接 RS-422、RS-485 通信链路时只是简单地用一 对双绞线将各个接口的“A”、“B”端连接起来，而忽略了信号 地的连接，这种连接方法在许多场合是能正常工作的，但却 埋下了很大的隐患，这有下面二个原因：

1共模干扰问题

RS-422 与 RS-485 接口均采用差分方式传输信号方式，并 不需要相对于某个参照点来检测信号，系统只需检测两线之 间的电位差就可以了。但人们往往忽视了收发器有一定的共 模电压范围，如 RS-422 共模电压范围为-7～+7V，而 RS-485 收发器共模电压范围为-7～+12V，只有满足上述条件，整个 网络才能正常工作。当网络线路中共模电压超出此范围时就 会影响通信的稳定可靠，甚至损坏接口。

2 EMI 问题

发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路，如没有一个低阻的返回通道（信号地），就会以辐射的形式 返回源端，整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。

在实际应用中，可以采取以下三种措施加以防范：

（1） 如果干扰源内阻不是非常小，可以在接地线上加 限流电阻以限制干扰电流。接地电阻的增加可能会使共模电 压升高，但只要控制在适当的范围内就不会影响正常通信。

（2） 采用浮地技术，隔断接地环路。当共模干扰内阻 很小时上述方法不能奏效时，可以考虑将引入干扰的节点浮置起来（也就是系统的电路地与机壳或大地隔离），这样就隔断了接地环路，不会形成很大的环路电流。

（3） 采用隔离接口。有些情况下，出于安全或其它方 面的考虑，电路地必须与机壳或大地相连，不能悬浮，这时 可以采用隔离接口来隔断接地回路，但是仍然应该有一条地 线将隔离侧的公共端与其它接口的工作地相连。

五 RS-422 与 RS-485 的瞬态保护

由于传输线对高频信号而言就是相当于电感。因此，在实 际应用环境中存在高频瞬态干扰的可能。高频瞬态干扰时，接 地线实际等同于开路。瞬态干扰虽然持续时间短暂，但可能会 有成百上千伏的电压。所以，在切换大功率感性负载如电机、 变压器、继电器等或闪电过程中都会产生幅度很高的瞬态干 扰，如果不加以适当防护就会损坏 RS-422 或 RS-485 通信接口。 对于这种瞬态干扰可以采用隔离或旁路的方法加以防护。

1隔离保护方法 这种方案实际上将瞬态高压转移到隔离接口中的电隔离层上，由于隔离层的高绝缘电阻，不会产生损害性的浪涌电 流，起到保护接口的作用。这种方案的优点是可以承受高电 压、持续时间较长的瞬态干扰，实现起来也比较容易，缺点 是成本较高。

2旁路保护方法

利用瞬态抑制元件（如 TVS、MOV、气体放电管等）将 危害性的瞬态能量旁路到大地，优点是成本较低，缺点是保 护能力有限，只能保护一定能量以内的瞬态干扰，持续时间 不能很长，而且需要有一条良好的连接大地的通道，实现起 来比较困难。

实际应用中是将上述两种方案结合起来灵活加以运用。 在这种方法中，隔离接口对大幅度瞬态干扰进行隔离，旁路 元件则保护隔离接口不被过高的瞬态电压击穿。

参考文献

[1] 求是科技,李现勇. Visual C++串口通信技术与工程实践[M].北京:人民邮电出版社,2004.

[2]钟晓流,吴庚生等.多媒体视听技术与应用环境 [M].北京: 清华大学出版社,2007.