串口通信：RS-232、RS-422、RS-485

一、串口概念

串行接口(Serial Interface) 简称串口，也称串行通信接口或串行通讯接口（通常指COM接口），是采用串行通信方式的扩展接口。
串行接口是指数据一位一位地顺序传送，其特点是通信线路简单，只要一对传输线就可以实现双向通信（可以直接利用电话线作为传输线），从而大大降低了成本，特别适用于远距离通信，但传送速度较慢。
通常，串口用于传输ASCII数据。 通信使用3根线完成：（1）地线；（2）发送线；（3）接收线。由于串口通信是异步的，端口能够在一根线上发送数据的同时在另一根线上接收数据。 这种方式称为全双工传输。 其他线用于握手，但不是必须的。 串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验位。 对于两个进行通信的端口，这些参数必须匹配：

1. 波特率是衡量通信速度的参数。它表示每秒钟传送的位数。
2. 数据位是衡量通信中实际数据位的参数。 每个包是指一个字节，包括开始/停止位、数据位和奇偶校验位。
3. 停止位用于表示单个包的最后一位。
4. 奇偶校验位是用于串口通信的一种简单的检错方式。有四种检错方式：偶、奇、高和低。当然没有校验位也是可以的。

二、RS-232

RS-232（ANSI/EIA-232标准）是IBM-PC及其兼容机上的串行连接标准。用途十分广泛，比如连接鼠标、打印机或者调制解调器，同时也可以接工业仪器仪表。用于驱动和连线的改进，实际应用中RS-232的传输长度或者速度常常超过标准的值。RS-232只限于PC串口和设备间点对点的通信。RS-232串口通信最远距离是50英尺。

RS-232特点

RS-232是现在主流的串行通信接口之一。由于RS232接口标准出现较早，难免有不足之处，主要有以下四点：

1. 接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片。RS232接口任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即：逻辑“1”为-3—-15V；逻辑“0”：+3—+15V，噪声容限为2V。即要求接收器能识别高于+3V的信号作为逻辑“0”，低于-3V的信号作为逻辑“1”，TTL电平为5V为逻辑正，0为逻辑负。与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。
2. 传输速率较低，在异步传输时，比特率为20Kbps；因此在51CPLD开发板中，综合程序波特率只能采用19200，也是这个原因。
3. 接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。
4. 传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺，实际上也只能用在15米左右。

三、RS-422

RS-422 (EIA RS-422-A Standard)是Apple Macintosh计算机的串口连接标准。RS-422使用差分信号，RS-232使用非平衡参考地的信号。差分传输使用两根线发送和接收信号，对比RS-232，它能更好的抗噪声和有更远的传输距离。在工业环境中更好的抗噪性和更远的传输距离是一个很大的优点。

RS-422特性

RS-422四线接口由于采用单独的发送和接收通道，因此不必控制数据方向，各装置之间任何必须的信号交换均可以按软件方式（XON/XOFF握手）或硬件方式（一对单独的双绞线）。
RS-422的最大传输距离为4000英尺（约1219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需要一终接电阻，要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。在短距离传输时可不需终接电阻，即一般在300米以下不需终接电阻。终接电阻接在传输电缆的最远端。

四、RS-485

RS-485（EIA-485标准）是RS-422的改进，因为它增加了设备的个数，从10个增加到32个，同时定义了在最大设备个数情况下的电气特性，以保证足够的信号电压。 有了多个设备的能力，你可以使用单个RS-485串口建立设备网络。 由于出色抗噪和多点通讯能力，在工业应用中建立连向PC机的分布式设备网络、其他数据收集控制器、HMI或者其他操作时，串行连接会选择RS-485。 RS-485是RS-422的扩展集，因此所有的RS-422设备可以被RS-485控制。RS-485可以用超过4000英尺的线进行串行通信。

RS-485特点

RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS-485可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。
针对RS-232-C的不足，新标准RS-485具有以下特点：

1. RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差+2V～+6V表示，逻辑“0”以两线间的电压差-6V～-2V表示。接口信号电平比RS-232-C降低了，就不容易损坏接口电路芯片，且该电平与TTL电平兼容，刻方便与TTL电路连接。
2. 数据最高传输速率为：10Mbps
3. RS-485接口采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力强，即抗噪声性能好。
4. RS-485接口的最大传输距离标准值4000英尺，实际上可达3000米。
5. RS-232-C接口在总线上只允许连接一个收发器，即单站能力；而RS-485接口在总线上只允许连接多达128个收发器，即具有多站能力，这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立设备网络。

五、引脚功能

DB9.png

（一）RS-232引脚功能

针脚	简写	意义
1	DCD	数据载波检测
2	RXD	串口数据输入
3	TXD	串口数据输出
4	DTR	数据终端就绪
5	GND	地线
6	DSR	数据发送就绪
7	RTS	发送请求
8	CTS	清除发送
9	RI	铃声指示

（二）RS-422和485引脚功能

针脚	简写	意义
1	TXD-	串口数据输出（差分）
2	TXD+	串口数据输出（差分）
3	RTS-	发送请求（差分）
4	RTS+	发送请求（差分）
5	GND	地线
6	RXD-	串口数据输入（差分）
7	RXD+	串口数据输入（差分）
8	CTS-	清除发送（差分）
9	CTS+	清除发送（差分）

六、RS-232/RS-422/RS-485三者间的区别

RS-232、RS-422和RS-485.png

标准	RS-232	RS-422	RS-485
工作模式	单端	差分	差分
单根线上的驱动器/接收器数	1个驱动器，1个接收器	1个驱动器，10个接收器	32个驱动器，32个接收器
最大缆线长度	50 ft (2500 pF)	4000 ft	4000 ft
最大数据速率（最大线缆长度时）	160 kb/s（最高可达1 Mb/s）	10 Mb/s	10 Mb/s

七、参考资料

RS-232、RS-422、RS-485串口通信基本概念
一文读懂RS-232与RS-422及RS-485三者之间的特性与区别
工程师详解串口：RS-232、RS-422、RS-485之间的区别