通信接口技术

2）压敏电阻
压敏电阻是一种限压型保护器件。利用压敏电阻
的非线性特性，当过电压出现在压敏电阻的两极间， 压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值， 从而实现对后级电路的保护。 压敏电阻的响应时间比空气放电管快，比TVS管
稍慢一些；压敏电阻的结电容一般在几百到几千pF的
数量级范围，一般不宜直接应用在高频信号线路的保 护电路中。 压敏电阻主要可用于直流电源、交流电源、低频 信号线路、带馈电的天馈线路。
RS-422、RS-485与RS-232一样，标准只对接口的电气特 性做出规定，而不涉及接插件、电缆或协议，在此基础上用 户可以建立自己的高层通信协议。因此在视频界的应用，许 多厂家都建立了一套高层通信协议。 1)RS-422与RS-485串行接口标准
(1)平衡传输
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。
（3）电气规定
RS-422 标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特 性”，它定义了接口电路的特性。图5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。图4是其DB9连接器 引脚定义。由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器比 RS232 更强的驱动能力，故允许在相同传输线上连接多个接收节点， 最多可接10个节点。 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。在矩距离 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。
4）正温度系数热敏电阻(PTC）
PTC是一种限流保护器件，它有一个动作温度值TS，
当其本体内温度低于 TS 时，其阻值维持基本恒定，这
（a）同步通信
（b）异步通信
5.1.3 串行通信协议
异步通信协议规定每个字符以位串行方式 传输，每个串行数据由起始位、数据位、奇偶 校验位和停止位组成。串行传输数据格式如下 图所示，具体定义如下：
在异步通信中，接收和发送双方必须保持 相同的传输速率。传输速率即波特率，它是以 每秒传输的二进制位数来度量的，单位为比特 /秒 (b/s)。规定的波特率有50、75、110、 150、300、600、1200、2400、4800、9600、 19200、38400等。
串行通信：一条信息的各位数据被逐位按顺序传送 的通讯方式称为串行通讯。 串行通讯的特点是：数据位传送，传按位顺序进行， 最少只需一根传输线即可完成， 成本低但送速度慢。串行通讯的距离可以从几米到 几千米。 根据信息的传送方向，串行通讯可以进一步分为 单工、半双工和全双工三种。
5.1.2 串行通信的基本方式
（2）RS-485、RS-422的电气特性 发送A、B之间：正电平在+2～+6V；
负电平在-2～+6V。
接收A、B之间：正逻辑电平大于+200mV；
负逻辑电平小于-200mV。
另 有 一 个 信 号 地 C ， 在 RS485 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。
3）瞬态抑制二极管（TVS）
TVS （ Transient Voltage Suppression ）是一种 限压保护器件，作用与压敏电阻很类似。也是利用器
件的非线性特性将过电压钳位到一个较低的电压值实
现对后级电路的保护。 TVS的响应时间是限压型浪涌保护器件中最快的。 用于电子电路的过电压保护时其响应速度都可满足要 求。
第五章 通信接口技术
通信接口是智能仪器的重要组成部分之 一。通信接口是智能仪器之间或者智能仪器 与计算机之间进行信息交换和传输的联络装 置。按通信方式分类，可分为并行通信和串 行通信两种。
串行总线有 RS322C、RS485、I2C总线、 USB及现场总线等。
5.1 串行通信接口
5.1.1 串行通信的概念
TVS 管的结电容根据制造工艺的不同，大体可分为两种类 型，高结电容型般在几百～几千pF的数量级，低结电容型
TVS的结电容一般在几 pF～几十pF 的数量级。一般分立式 TVS 的 结电容都较高，表贴式TVS管中两种类型都有。在高频信号线路 的保护中，应主要选用低结电容的TVS管。 TVS管的非线性特性比压敏电阻好，具有压敏电阻更理想的 残压输出。在很多需要精细保护的电子电路中，应用TVS管是比 较好的选择。TVS管的通流容量在限压型浪涌保护器中是最小的， 一般用于最末级的精细保护，因其通流量小，一般不用于交流 电源线路的保护，直流电源的防雷电路使用TVS管时，一般还需 要与压敏电阻等通流容量大的器件配合使用。
差动方式
1200(100kb/s) 10Mb/s 1 10 ±200mV 60kΩ >4kΩ 100Ω -0.25～+6
差动方式
1200(100kb/s) 10Mb/s 32 32 ±200mV 120kΩ >12kΩ 60 Ω -7～12
负载阻抗
对共用点电压范围/ V
2）RS-422与RS-485的网络安装注意要点 RS-422 可支持 10 个节点， RS-485 支持 32 个节点。 网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，不支持 环形或星形网络。在构建网络时，应注意: (1) 采用一条双绞线电缆作总线，将各个节点串 接起来，从总线到每个节点的引出线长度应尽量短， 以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。 (2) 应注意总线特性阻抗的连续性，在阻抗不连 续点就会发生信号的反射。下列几种情况易产生这 种不连续性：总线的不同区段采用了不同电缆，或 某一段总线上有过多收发器紧靠在一起安装，再者 是过长的分支线引出到总线。总之，应该提供一条 单一、连续的信号通道作为总线。
MAX481
5.3 RS485通信接口的防护方法
5.3.1防雷电路中的元器件 1）气体放电管
气体放电管是一种开关型保护器件，工作原理是 气体放电。当两极间电压足够大时，极间间隙将放电
击穿，由原来的绝缘状态转化为导电状态，类似短路。
导电状态下两极间维持的电压很低，一般在20～50V， 因此可以起到保护后级电路的效果。
RS-232C、RS-422A、RS485性能比较
接 性 能 口 RS-232C RS-422A RS-485
操作方式
最大距离/m 最大速率 最大驱动器数目 最大接收器数目 接收灵敏度 驱动器输出阻抗 接收器负载阻抗
单端
15(24kb/s) 200kb/s 1 1 ±3V 300Ω 3～7kΩ 3～7kΩ ±25
图所示为实际应用中常 见的一些错误连接方式 （ a ， c ， e ）和正确的 连接方式（ b ， d ， f ）。 a ， c ， e 这三种网络连 接尽管不正确，在短距 离、低速率仍可能正常 工作，但随着通信距离 的延长或通信速率的提 高，其不良影响会越来 越严重，主要原因是信 号在各支路末端反射后 与原信号叠加，会造成 信号质量下降。
3）RS-422与RS-485传输线上匹配
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。那么在什么 情况下不用考虑匹配呢？ 配的一条经验性的原则：当信号的转换时间（上升或下降 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 RS485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，RS-422在总线电缆的远 端并接电阻， RS-485 则应在总线电缆的开始和末端都需并接 终接电阻。终接电阻一般在RS-422网络中取100Ω ，在RS-485 网络中取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。
在异步串行通信中，通信双方必须持相同 的传输波特率，并以每个字符数据的起始位来 进行同步，同时“数据格式”即起始位、数据 位、奇偶位和停止位的约定，在同一次传输过 程中也要保持一致，这样才能保证成功地进行 数据传输。
5.2 RS-232C串行通信接口
RS-232C对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能 都作了规定。 在TxD和RxD上：逻辑1(MARK) =-3V～-15V 逻辑0(SPACE)=+3～＋15V 在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上： 信号有效（接通，ON状态，正电压）= +3V～+15V 信号无效（断开，OFF状态，负电压)= -3V～-15V
气体放电管的通流量比压敏电阻和 TVS管要大，气
体放电管与TVS等保护器件合用时应使大部分的过电流
通过气体放电管泄放，因此气体放电管一般用于防护
电路的最前级，其后级的防护电路由压敏电阻或TVS管
组成。 气体放电管主要可应用在交流电源口相线、中线
的对地保护；直流RTN和保护地之间的保护；信号口线
对地的保护；天馈口馈线芯线对屏蔽层的保护。
RS23C连接器的机械特性
串口通信基本接线方法
9针串口（DB9） 针号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 功能说明 数据载波检测 接收数据 发送数据 数据终端准备 信号地 数据设备准备好 请求发送 清除发送 振铃指示 缩写 DCD RXD TXD DTR GND DSR RTS CTS RI 针号 8 3 2 20 7 6 4 5 22 25针串口 （DB25） 功能说明 数据载波检测 接收数据 发送数据 数据终端准备 信号地 数据准备好 请求发送 清除发送 振铃指示 缩写 DCD RXD TXD DTR GND DSR RTS CTS RI
实际应用
A
B
1
2
2
3
4
5
最简连接
简单连接
完全连接
电平转换芯片介绍
传输线驱动器MC1488和接收器MC1489
传输线驱动器MC1488内部逻辑图
接收器MC1489内部逻辑图
单电源供电的双 RS23收发器ICL232
5.3 RS-485/RS422
RS-422 由 RS-232 发展而来，它是为弥补 RS-232 之不足而 提出的。为改进 RS-232 通信距离短、速率低的缺点， RS-422 定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到 10Mb/s ，传输 距离延长到4000英尺（速率低于100kb/s时），并允许在一条 平衡总线上连接最多个接收器。 RS-422是一种单机发送、多 机接收的单向、平衡传输规范。 RS-485 标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个 发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力 和冲突保护特性，扩展了总线共模范围。 RS-485是RS-422的变形，RS-422A是全双工，两对平衡差 分信号线分别用于发送和接收，所以采用 RS422A 接口通信时 最少需要4根线。RS-485为半双工，只有一对平衡差分信号线， 不能同时发送和接收，最少只需二根连线。
另外一种比较省电的匹配方式是RC匹配，如左图。利用
一只电容C隔断直流成分可以节省大部分功率。但电容C的取
值是个难点，需要在功耗和匹配质量间进行折衷。 还有一种采用二极管的匹配方法，如右图。这种方案虽
未实现真正的“匹配”，但它利用二极管的钳位作用能迅速削
弱反射信号，达到改善信号质量的目的。节能效果显著。
RS-485 是从RS-422基础上发展而来的，所以RS-485许多 电气规定与 RS-422 相仿。如都采用平衡传输方式、都需要在 传输线上接终接电阻等。 RS-485 可以采用二线与四线方式， 二线制可实现真正的多点双向通信。而采用四线连接时，与 RS-422 一 样 只 能 实 现 点 对 多 的 通 信 ， 即 只 能 有 一 个 主 （Master）设备，其余为从设备，但它比RS-422有改进， 无 论四线还是二线连接方式总线上可多接到32个设备。