RS232、RS485、RS422、串口與握手基礎知識詳細介紹

　　一、RS232基礎知識

　　個人計算機上的通訊接口之一，由電子工業協會（ElectronicIndustriesAssociation，EIA）所制定的異步傳輸標準接口。通常RS-232接口以9個引腳（DB-9）或是25個引腳（DB-25）的型態出現，一般個人計算機上會有兩組RS-232接口，分別稱為COM1和COM2。

　　在多數情況下主要使用主通道，對于一般雙工通信，僅需幾條信號線就可實現，如一條發送線、一條接收線及一條地線。

　　RS-232-C標準規定的數據傳輸速率為50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200、38400波特。RS-232-C標準規定，驅動器允許有2500pF的電容負載，通信距離將受此電容限制，例如，采用150pF/m的通信電纜時，最大通信距離為15m；若每米電纜的電容量減小，通信距離可以增加。傳輸距離短的另一原因是RS-232屬單端信號傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，因此一般用于20m以內的通信。具體通訊距離還與通信速率有關，例如，在9600pbs時，普通雙絞屏蔽線時，距離可達30-35米。

　　rs232的特點：

　?。?）接口的信號電平值較高，易損壞接口電路的芯片，又因為與TTL電平不兼容故需使用電平轉換電路方能與TTL電路連接。

　?。?）傳輸速率較低，在異步傳輸時，波特率為20Kbps；因此在CPLD開發板中，綜合程序波特率只能采用19200，也是這個原因。

　?。?）接口使用一根信號線和一根信號返回線而構成共地的傳輸形式，這種共地傳輸容易產生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱。

　?。?）傳輸距離有限，最大傳輸距離標準值為50英尺，實際上也只能用在15米左右。

　　傳輸電纜：

　　RS-232-C標準規定的數據傳輸速率為每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特，驅動器允許有2500pF的電容負載，通信距離將受此電容限制。

　　例如，采用150pF/m的通信電纜時，最大通信距離為15m；若每米電纜的電容量減小，通信距離可以增加。傳輸距離短的另一原因是RS-232屬單端信號傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，因此一般用于20m以內的通信。

　　由RS-232C標準規定在碼元畸變小于4%的情況下，傳輸電纜長度應為50英尺，其實這個4%的碼元畸變是很保守的，在實際應用中，約有99%的用戶是按碼元畸變10-20%的范圍工作的，所以實際使用中最大距離會遠超過50英尺，美國DEC公司曾規定允許碼元畸變為10%而得出下面實驗結果。其中1號電纜為屏蔽電纜，型號為DECP.NO.9107723內有三對雙絞線，每對由22#AWG組成，其外覆以屏蔽網。2號電纜為不帶屏蔽的電纜。型號為DECP.NO.9105856-04是22#AWG的四芯電纜。

　　鏈路層：

　　在RS-232標準中，字符是以一系列位元來一個接一個的傳輸。最長用的編碼格式是異步起停asynchronousstart-stop格式，它使用一個起始位后面緊跟7或8個數據比特，這個可能是奇偶位，然后是兩個停止位。所以發送一個字符需要10比特，帶來的一個好的效果是使全部的傳輸速率，發送信號的速率以10分劃。

　　串行通信在軟件設置里需要做多項設置，最常見的設置包括波特率、奇偶校驗和停止位。波特率是指從一設備發到另一設備的波特率，即每秒鐘多少比特bitspersecond（bit/s）。典型的波特率是300、1200、2400、9600、19200等bit/s。一般通信兩端設備都要設為相同的波特率，但有些設備也可以設置為自動檢測波特率。

　　奇偶校驗Parity是用來驗證數據的正確性。奇偶校驗一般不用，如果使用，那么既可以做奇校驗也可以做偶校驗。奇偶校驗是通過修改每一發送字節（也可以限制發送的字節）來工作的。如果不作奇偶校驗，那么數據是不會被改變的。在偶校驗中，因為奇偶校驗位會被相應的置1或0（一般是最高位或最低位），所以數據會被改變以使得所有傳送的數位（含字符的各數位和校驗位）中“1”的個數為偶數；在奇校驗中，所有傳送的數位（含字符的各數位和校驗位）中“1”的個數為奇數。奇偶校驗可以用于接受方檢查傳輸是否發送生錯誤——如果某一字節中“1”的個數發生了錯誤，那么這個字節在傳輸中一定有錯誤發生。如果奇偶校驗是正確的，那么要么沒有發生錯誤要么發生了偶數個的錯誤。

　　停止位是在每個字節傳輸之后發送的，它用來幫助接受信號方硬件重同步。

　　在串行通信軟件設置中D/P/S是常規的符號表示。8/N/1（非常普遍）表明8bit數據，沒有奇偶校驗，1bit停止位。數據位可以設置為7、8或者9，奇偶校驗位可以設置為無（N）、奇（O）或者偶（E），奇偶校驗位可以使用數據中的比特位，所以8/E/1就表示一共8位數據位，其中一位用來做奇偶校驗位。停止位可以是1、1.5或者2位的（1.5是用在波特率為60wpm的電傳打字機上的）。

　　二、RS485基礎知識

　　智能儀表是隨著80年代初單片機技術的成熟而發展起來的，現在世界儀表市場基本被智能儀表所壟斷。究其原因就是企業信息化的需要，企業在儀表選型時其中的一個必要條件就是要具有聯網通信接口。最初是數據模擬信號輸出簡單過程量，后來儀表接口是RS232接口，這種接口可以實現點對點的通信方式，但這種方式不能實現聯網功能。隨后出現的RS485解決了這個問題。

　　rs485特點：

　　1.RS-485的電氣特性：采用差分信號正邏輯，邏輯“1”以兩線間的電壓差為+（2~6）V表示；邏輯”0“以兩線間的電壓差為-（2~6）V表示。接口信號電平比RS-232-C降低了，就不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL電路連接。

　　2.RS-485的數據最高傳輸速率為10Mbps。

　　3.RS-485接口是采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強，即抗噪聲干擾性好。

　　4.RS-485最大的通信距離約為1219m，最大傳輸速率為10Mbps，傳輸速率與傳輸距離成反比，傳輸速率越低，傳輸距離越長，如果需傳輸比RS-485最大通信距離更長的距離，需要加485中繼器。RS-485總線一般最大支持32個節點，如果使用特制的485芯片，可以達到128個或者256個節點，最大的可以支持到400個節點。

　　電纜：

　　在低速、短距離、無干擾的場合可以采用普通的雙絞線，反之，在高速、長線傳輸時，則必須采用阻抗匹配（一般為120Ω）的RS485專用電纜（STP-120Ω（forRS485&CAN）onepair18AWG），而在干擾惡劣的環境下還應采用鎧裝型雙絞屏蔽電纜（ASTP-120Ω（forRS485&CAN）onepair18AWG）。在使用RS485接口時，對于特定的傳輸線路，從RS485接口到負載其數據信號傳輸所允許的最大電纜長度與信號傳輸的波特率成反比，這個長度數據主要是受信號失真及噪聲等所影響。理論上，通信速率在100Kbps及以下時，RS485的最長傳輸距離可達1200米，但在實際應用中傳輸的距離也因芯片及電纜的傳輸特性而所差異。在傳輸過程中可以采用增加中繼的方法對信號進行放大，最多可以加八個中繼，也就是說理論上RS485的最大傳輸距離可以達到10.8公里。如果真需要長距離傳輸，可以采用光纖為傳播介質，收發兩端各加一個光電轉換器，多模光纖的傳輸距離是5到10公里，而采用單模光纖可達50公里的傳播距離。

　　傳輸速率與傳輸距離：

　　RS-485的數據最高傳輸速率為10Mbps，最大的通信距離約為1219M，傳輸速率與傳輸距離成反比，在10Kb/S的傳輸速率下，才可以達到最大的通信距離。

　　但是由于RS-485常常要與PC機的RS-232口通信，所以實際上一般最高115.2Kbps。又由于太高的速率會使RS-485傳輸距離減小，所以往往為9600bps左右或以下。

　　三、RS422基礎知識

　　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。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點，最多可接10個節點。一個主設備（Master），其余為從設備（Slave），從設備之間不能通信，所以RS-422支持點對多的雙向通信。接收器輸入阻抗為4k，故發端最大負載能力是10×4k+100Ω（終接電阻）。

　　RS422特性：

　　RS-422四線接口由于采用單獨的發送和接收通道，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）。RS-422的最大傳輸距離為4000英尺（約1219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。

　　RS-422需要一終接電阻，要求其阻值約等于傳輸電纜的特性阻抗。在短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。終接電阻接在傳輸電纜的最遠端。

　　RS422有關電氣參數：

　　四、RS232、RS422和RS485的區別

　　RS-232是最常見的串口，是大部分兼容Windows的桌面計算機的一個標準組件。如今通過USB到RS-232轉換器使用RS-232更為常見。RS-232只允許每根線使用一個發送器和接收器。RS-232也使用全雙工雙數方式。NI某些RS-232板卡支持的波特率最高達1Mb/s，但大部分設備限于115.2kb/s及以下。

　　RS-422（EIARS-422-AStandard）是傳統Apple計算機的串口連接標準。該標準機制下的最高數據傳輸速度可達10Mb/s。RS-422使用兩根線發送每個信號，以增加最大波特率和線纜長度。RS-422還指定用于多點通訊應用，一個發送器連接到最多10個接收器的總線并發送數據。

　　RS-485是RS-422的擴展集，對這些能力進行了擴展。RS-485解決了RS-422處理多點通訊的限制，通過同一數據線通信時最多允許32個設備。RS-485總線上的任意從設備都可以與任意其他32個從設備進行通信，無需經由主設備。由于RS-422是RS-485的子集，因而所有RS-422設備可能受RS-485控制。

　　RS-485和RS-422都支持多點通訊能力，但RS-485可允許最多32個設備，而RS-422的限制為10個。對于這兩種串行通訊協議，您都需要自己添加終端匹配電路。所有NIRS-485板卡都兼容RS-422標準。

　　下表對工作模式、驅動器和接收器總數、最大線纜長度和最大數據速率進行了比較。

　　標準RS-232RS-422RS-485

　　工作模式單端差分差分

　　單根線上的驅動器/接收器數1個驅動器

　　1個接收器1個驅動器

　　10個接收器32個驅動器*

　　32個接收器

　　最大纜線長度50ft（2500pF）4000ft4000ft

　　最大數據速率（最大線纜長度時）160kb/s（最高可達1Mb/s）10Mb/s10Mb/s

　　表3：RS-232、RS-422和RS-485規范

　　*同一時間只有一個驅動器活動

　　*同一時間只有一個驅動器活動

　　五、串口與握手基礎知識

　?。ㄒ唬┐诨A知識

　　串口是計算機上一種非常通用設備通信的協議（不要與通用串行總線UniversalSerialBus或者USB混淆）。大多數計算機包含兩個基于RS232的串口。串口同時也是儀器儀表設備通用的通信協議；很多GPIB兼容的設備也帶有RS-232口。同時，串口通信協議也可以用于獲取遠程采集設備的數據。

　　串口通信的概念非常簡單，串口按位（bit）發送和接收字節。盡管比按字節（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根線發送數據的同時用另一根線接收數據。它很簡單并且能夠實現遠距離通信。比如IEEE488定義并行通行狀態時，規定設備線總常不得超過20米，并且任意兩個設備間的長度不得超過2米；而對于串口而言，長度可達1200米。

　　典型地，串口用于ASCII碼字符的傳輸。通信使用3根線完成：（1）地線，（2）發送，（3）接收。由于串口通信是異步的，端口能夠在一根線上發送數據同時在另一根線上接收數據。其他線用于握手，但是不是必須的。串口通信最重要的參數是波特率、數據位、停止位和奇偶校驗。對于兩個進行通行的端口，這些參數必須匹配：

　　1、波特率

　　這是一個衡量通信速度的參數。它表示每秒鐘傳送的bit的個數。例如300波特表示每秒鐘發送300個bit。當我們提到時鐘周期時，我們就是指波特率例如如果協議需要4800波特率，那么時鐘是4800Hz。這意味著串口通信在數據線上的采樣率為4800Hz。通常電話線的波特率為14400，28800和36600。波特率可以遠遠大于這些值，但是波特率和距離成反比。高波特率常常用于放置的很近的儀器間的通信，典型的例子就是GPIB設備的通信。

　　2、數據位

　　這是衡量通信中實際數據位的參數。當計算機發送一個信息包，實際的數據不會是8位的，標準的值是5、7和8位。如何設置取決于你想傳送的信息。比如，標準的ASCII碼是0～127（7位）。擴展的ASCII碼是0～255（8位）。如果數據使用簡單的文本（標準ASCII碼），那么每個數據包使用7位數據。每個包是指一個字節，包括開始/停止位，數據位和奇偶校驗位。由于實際數據位取決于通信協議的選取，術語“包”指任何通信的情況。

　　3、停止位

　　用于表示單個包的最后一位。典型的值為1，1.5和2位。由于數據是在傳輸線上定時的，并且每一個設備有其自己的時鐘，很可能在通信中兩臺設備間出現了小小的不同步。因此停止位不僅僅是表示傳輸的結束，并且提供計算機校正時鐘同步的機會。適用于停止位的位數越多，不同時鐘同步的容忍程度越大，但是數據傳輸率同時也越慢。

　　4、奇偶校驗位

　　在串口通信中一種簡單的檢錯方式。有四種檢錯方式：偶、奇、高和低。當然沒有校驗位也是可以的。對于偶和奇校驗的情況，串口會設置校驗位（數據位后面的一位），用一個值確保傳輸的數據有偶個或者奇個邏輯高位。例如，如果數據是011，那么對于偶校驗，校驗位為0，保證邏輯高的位數是偶數個。如果是奇校驗，校驗位位1，這樣就有3個邏輯高位。高位和低位不真正的檢查數據，簡單置位邏輯高或者邏輯低校驗。這樣使得接收設備能夠知道一個位的狀態，有機會判斷是否有噪聲干擾了通信或者是否傳輸和接收數據是否不同步。

　?。ǘ┪帐只A知識

　　RS-232通行方式允許簡單連接三線：Tx、Rx和地線。但是對于數據傳輸，雙方必須對數據定時采用使用相同的波特率。盡管這種方法對于大多數應用已經足夠，但是對于接收方過載的情況這種使用受到限制。這時需要串口的握手功能。在這一部分，我們討論三種最常用的RS-232握手形式：軟件握手、硬件握手和Xmodem。

　　1、軟件握手

　　我們討論的第一種握手是軟件握手。通常用在實際數據是控制字符的情況，類似于GPIB使用命令字符串的方式。必須的線仍然是三根：Tx、Rx和地線，因為控制字符在傳輸線上和普通字符沒有區別，函數SetXModem允許用戶使能或者禁止用戶使用兩個控制字符XON和OXFF。這些字符在通信中由接收方發送，使發送方暫停。

　　例如：假設發送方以高波特率發送數據。在傳輸中，接收方發現由于CPU忙于其他工作，輸入buffer已經滿了。為了暫時停止傳輸，接收方發送XOFF，典型的值是十進制19，即十六進制13，直到輸入buffer空了。一旦接收方準備好接收，它發送XON，典型的值是十進制17，即十六進制11，繼續通信。輸入buffer半滿時，LabWindows發送XOFF。此外，如果XOFF傳輸被打斷，LabWindows會在buffer達到75％和90％時發送XOFF。顯然，發送方必須遵循此守則以保證傳輸繼續。

　　2、硬件握手

　　第二種是使用硬件線握手。和Tx和Rx線一樣，RTS/CTS和DTR/DSR一起工作，一個作為輸出，另一個作為輸入。第一組線是RTS（RequesttoSend）和CTS（CleartoSend）。當接收方準備好接收數據，它置高RTS線表示它準備好了，如果發送方也就緒，它置高CTS，表示它即將發送數據。另一組線是DTR（DataTerminalReady）和DSR（DataSetReady）。這些現主要用于Modem通信。使得串口和Modem通信他們的狀態。例如：當Modem已經準備好接收來自PC的數據，它置高DTR線，表示和電話線的連接已經建立。讀取DSR線置高，PC機開始發送數據。一個簡單的規則是DTR/DSR用于表示系統通信就緒，而RTS/CTS用于單個數據包的傳輸。

　　在LabWindows，函數SetCTSMode使能或者禁止使用硬件握手。如果CTS模式使能，LabWindows使用如下規則：當PC發送數據：RS-232庫必須檢測CTS線高后才能發送數據。

　　當PC接收數據：

　　如果端口打開，且輸入隊列有空接收數據，庫函數置高RTS和DTR。

　　如果輸入隊列90％滿，庫函數置低RTS，但使DTR維持高電平。

　　如果端口隊列近乎空了，庫函數置高RTS，但使DRT維持高電平。

　　如果端口關閉，庫函數置低RTS和DTR。

　　3、XModem握手

　　最后討論的握手叫做XModem文件傳輸協議。這個協議在Modem通信中非常通用。盡管它通常使用在Modem通信中，XModem協議能夠直接在其他遵循這個協議的設備通信中使用。在LabWindows中，實際的XModem應用對用戶隱藏了。只要PC和其他設備使用XModem協議，在文件傳輸中就使用LabWindows的XModem函數。函數是XModemConfig，XModemSend和XModemReceive。

　　XModem使用介于如下參數的協議：start_of_data、end_of_data、neg_ack、wait_delay、start_delay、max_tries、packet_size。這些參數需要通信雙方認定，標準的XModem有一個標準的定義：然而，可以通過XModemConfig函數修改，以滿足具體需要。這些參數的使用方法由接收方發送的字符neg_ack確定。這通知發送方其準備接收數據。它開始嘗試發送，有一個超時參數start_delay；當超時的嘗試超過max_ties次數，或者收到接收方發送的start_of_data，發送方停止嘗試。如果從發送方收到start_of_data，接收方將讀取后繼信息數據包。包中含有包的數目、包數目的補碼作為錯誤校驗、packet_size字節大小的實際數據包，和進一步錯誤檢查的求和校驗值。在讀取數據后，接收方會調用wait_delay，然后想發送方發送響應。如果發送方沒有收到響應，它會重新發送數據包，直到收到響應或者超過重發次數的最大值max_tries。如果一直沒有收到響應，發送方通知用戶傳輸數據失敗。

　　由于數據必須以pack_size個字節按包發送，當最后一個數據包發送時，如果數據不夠放滿一個數據包，后面會填充ASCII碼NULL（0）字節。這導致接收的數據比原數據多。在XModem情況下一定不要使用XON/XOFF，因為XModem發送方發出包的數目很可能增加到XON/OFF控制字符的值，從而導致通信故障。