揭開工業(yè)系統(tǒng)串行通信協(xié)議的神秘面紗

系統(tǒng)或子系統(tǒng)之間的異步串行通信解決方案包括許多可能的接口實(shí)現(xiàn)——例如，RS-232、RS-485、RS-422、控制器局域網(wǎng) (CAN)、以太網(wǎng)、本地互連網(wǎng)絡(luò)、高速公路可尋址遠(yuǎn)程傳感器、IO-鏈接和無線協(xié)議，如 Zigbee 或 LoRa。在許多情況下，互操作性問題是選擇協(xié)議時(shí)的最大決定因素，特別是如果您設(shè)計(jì)的子系統(tǒng)必須與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)和安裝進(jìn)行通信，或者與上一代設(shè)計(jì)向后兼容。

但是對(duì)于沒有這些限制的較新的應(yīng)用程序，選擇正確的接口實(shí)現(xiàn)需要評(píng)估一系列因素之間的權(quán)衡，例如通信帶寬、距離、總線拓?fù)浜凸?jié)點(diǎn)數(shù)、總線訪問方法、解決方案成本以及與其他設(shè)備互操作的能力。系統(tǒng)。

本文旨在通過對(duì)一些常見標(biāo)準(zhǔn)的高級(jí)概述來幫助您做出更明智的接口選擇：RS-232、RS-422 和 RS-485 以及 CAN。這些標(biāo)準(zhǔn)因其穩(wěn)健性、易于實(shí)施和滿足常見應(yīng)用需求的能力而繼續(xù)在工業(yè)通信中得到廣泛采用，并且盡管引入了更新的通信技術(shù)，但它們的使用預(yù)計(jì)將持續(xù)一段時(shí)間。

RS-232

RS-232 最初于 1960 年由電子工業(yè)協(xié)會(huì) (EIA) 標(biāo)準(zhǔn)化，是仍在積極使用的最古老的數(shù)字通信技術(shù)之一。該標(biāo)準(zhǔn)的當(dāng)前版本是電信行業(yè)協(xié)會(huì) (TIA)-232-F，描述了一種單端信令方案，該方案本質(zhì)上是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的（如圖1所示），旨在在數(shù)據(jù)終端設(shè)備 (DTE) 之間運(yùn)行)，例如 PC 和數(shù)據(jù)電路終端設(shè)備 (DCE)，例如調(diào)制解調(diào)器。

圖 1：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接（圖片：德州儀器）

TIA-232-F 定義了幾種不同的物理信號(hào)：

從 DCE 到 DTE 的數(shù)據(jù)載波檢測(cè) (DCD)。

從 DCE 到 DTE 的數(shù)據(jù)集就緒 (DSR)。

從 DCE 接收數(shù)據(jù) (RD) 到 DTE。

從 DTE 到 DCE 的請(qǐng)求發(fā)送 (RTS)。

將數(shù)據(jù) (TD) 從 DTE 傳輸?shù)?DCE。

從 DCE 到 DTE 的清除發(fā)送 (CTS)。

從 DTE 到 DCE 的數(shù)據(jù)終端就緒 (DTR)。

從 DCE 到 DTE 的振鈴指示器 (RI)。

TD 和 RD（有時(shí)稱為 TxD 和 RxD）用于傳輸串行數(shù)據(jù)，而其他信號(hào)有助于管理系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)流。存在這種流控制是為了確保系統(tǒng)僅在能夠處理串行數(shù)據(jù)時(shí)才接收串行數(shù)據(jù)，以便在設(shè)備之間的運(yùn)行速度不匹配時(shí)不會(huì)發(fā)生緩沖區(qū)溢出。然而，在許多現(xiàn)代實(shí)現(xiàn)中，物理流量控制信號(hào)的數(shù)量通常會(huì)減少或完全省略，以支持基于軟件的流量控制。

邏輯低或邏輯高狀態(tài)在線路上分別表示為正電壓或負(fù)電壓，其在發(fā)射器輸出端的幅度相對(duì)于地的變化范圍為 ±5 V 至 ±15 V（假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)接收器負(fù)載條件）。在許多現(xiàn)代實(shí)現(xiàn)中，具有集成電荷泵電路的收發(fā)器基于 5 V、3.3 V 或 1.8 V 等較低電壓邏輯電源產(chǎn)生這些較高電壓的雙極軌。接收器電路可以可靠地檢測(cè)高和低狀態(tài)，只要它們超過±3 V 幅度。示例發(fā)送和接收波形如圖2 所示。

圖 2：RS-232 發(fā)送和接收波形（圖片：德州儀器）

這些相對(duì)較高的電壓有助于通過合理的電纜連接擴(kuò)展接口，并提供一定程度的抗噪性。然而，較大的信號(hào)擺幅確實(shí)會(huì)導(dǎo)致通信速度相對(duì)較慢（低波特率），因?yàn)槌鲇陔姶鸥蓴_ (EMI) 的原因，必須限制發(fā)送器輸出的轉(zhuǎn)換或壓擺率。由于這一限制，TIA-232 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最大波特率僅為 20 kbits/s。然而，許多現(xiàn)代實(shí)現(xiàn)在這方面偏離了標(biāo)準(zhǔn)，并且可以使用能夠?qū)崿F(xiàn)更高速度（1 Mbits/s）的收發(fā)器。

與采用平衡差分信號(hào)的較新接口標(biāo)準(zhǔn)相比，可實(shí)現(xiàn)的電纜長(zhǎng)度是有限的。互連電容限制為 2500 pF，這通常意味著電纜長(zhǎng)度約為 15 到 20 米 (m)。

對(duì)于許多應(yīng)用而言，該標(biāo)準(zhǔn)的另一個(gè)缺點(diǎn)是它無法支持多點(diǎn)總線。只允許點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，因此互連節(jié)點(diǎn)的數(shù)量限制為兩個(gè)。

盡管存在這些缺點(diǎn)，但 RS-232 仍然很受歡迎，因?yàn)樗子趯?shí)施、在終端設(shè)備中無處不在，并且在現(xiàn)場(chǎng)安裝了數(shù)十年。

RS-422 和 RS-485

RS-422 (TIA/EIA-422) 和 RS-485 (TIA/EIA-485) 通過使用平衡差分信號(hào)而不是單端（接地參考）信號(hào)來支持更長(zhǎng)距離的更高速通信。換句話說，邏輯高或邏輯低狀態(tài)由信號(hào)對(duì)的互補(bǔ)同相和反相半部分之間的正電壓差或負(fù)電壓差表示。這些半部分通常被稱為發(fā)射器的 Y 和 Z，以及接收器的 A 和 B。（在兩個(gè)方向上使用單對(duì)數(shù)據(jù)的半雙工實(shí)現(xiàn)通常僅使用 A 和 B 命名。）接收波形的示例發(fā)送如圖 3 所示。

圖 3：RS-485 示例波形；通道 2 (VOD) 顯示 A 相對(duì)于 B 的電壓（圖片：德州儀器）

使用差分信號(hào)有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

使用兩條互補(bǔ)信號(hào)線有效地使傳輸?shù)男盘?hào)幅度加倍，從而使用由標(biāo)準(zhǔn)低壓軌（例如 5 V 或 3.3 V）供電的收發(fā)器實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的通信。

由于接收器感應(yīng)到兩條信號(hào)線之間的差異，因此通信更不受局部接地電位的微小差異（這會(huì)在接地參考信號(hào)上產(chǎn)生電壓偏移）和可能耦合到信號(hào)電纜上的電磁噪聲的影響（因?yàn)檫@種噪聲傾向于同等地影響差分對(duì)的兩半）。因此，該接口更適合在更長(zhǎng)的距離以及跨電源域和電噪聲環(huán)境中運(yùn)行。

電磁輻射較低，因?yàn)閬碜砸粭l信號(hào)線的噪聲貢獻(xiàn)被來自互補(bǔ)線的相等和相反的貢獻(xiàn)有效地抵消。這與較低的電壓擺幅相結(jié)合，通常可以在不超過應(yīng)用的 EMI 要求的情況下使用更高的信號(hào)速率。

假設(shè)最大總線負(fù)載（包括終端電路），RS-485 發(fā)送器將輸出至少 1.5 V 的差分電壓幅度，接收器將檢測(cè)至少 200 mV 的信號(hào)。（對(duì)于 RS-422，這些值分別為 2 V 和 200 mV。）對(duì)于以低數(shù)據(jù)速率運(yùn)行的應(yīng)用，傳輸距離可能超過 1 公里 (km)，主要受所用電纜的串聯(lián)電阻限制. 對(duì)于較短距離的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá) 50 Mbits/s 的信號(hào)速率，盡管受到收發(fā)器切換時(shí)間和電纜寄生引起的高頻損耗所引入的定時(shí)抖動(dòng)的限制。

除了增加的距離和信號(hào)速率，RS-422 和 RS-485 還可以支持多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。它們的使用通過將一系列點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接（主機(jī)和外圍設(shè)備之間）替換為可以連接多個(gè)系統(tǒng)的單個(gè)共享總線來簡(jiǎn)化工業(yè)安裝中的布線。

RS-422 指定支持單工多點(diǎn)布置，其中一個(gè)發(fā)射單元可以廣播到多達(dá) 10 個(gè)接收單元。RS-485 通過允許大量節(jié)點(diǎn)之間的雙向通信（半雙工或全雙工）進(jìn)一步擴(kuò)展了這一概念。在這種情況下，節(jié)點(diǎn)數(shù)受到每個(gè)接收器對(duì)共享總線貢獻(xiàn)的負(fù)載的限制，最多允許 32 個(gè)單元負(fù)載。單位負(fù)載定義為在施加電壓范圍內(nèi)接收器泄漏電流的參考單位。

對(duì)于現(xiàn)代實(shí)現(xiàn)，通過使用泄漏較低的收發(fā)器設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)非常高的節(jié)點(diǎn)數(shù)；例如，額定為八分之一單位負(fù)載的收發(fā)器可以支持 256 個(gè)節(jié)點(diǎn) (32 × 8) 的網(wǎng)絡(luò)。多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)例子如圖4所示。

圖 4：用于 RS-485 通信的多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)（圖片：德州儀器）

RS-485 支持廣泛的距離、數(shù)據(jù)速率和節(jié)點(diǎn)數(shù)以及出色的抗噪能力，這使得 RS-485 成為許多不同應(yīng)用中的理想選擇。它在工業(yè)環(huán)境（用于電機(jī)控制的編碼器接口或工廠自動(dòng)化應(yīng)用中的現(xiàn)場(chǎng)總線）、電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施（作為智能電能計(jì)量的接口）和樓宇自動(dòng)化應(yīng)用（恒溫器或智能照明控制）中很受歡迎。

能夠

汽車行業(yè)最初開發(fā) CAN 是為了方便將消息從微控制器廣播到共享網(wǎng)絡(luò)，這樣就可以使用簡(jiǎn)單的總線型布線，而不是單個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接的復(fù)雜（和沉重）線束。這種接口的好處不僅僅在于汽車應(yīng)用。如今，CAN 廣泛用于各種工業(yè)通信應(yīng)用，例如樓宇自動(dòng)化（供暖、通風(fēng)和空調(diào)；電梯）、工業(yè)運(yùn)輸和工廠自動(dòng)化。它是根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 11898 進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的，該組織不僅定義了物理層，還定義了數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。（這與迄今為止討論的標(biāo)準(zhǔn)相反，

與 RS-485 一樣，CAN 使用平衡差分信號(hào)來實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的傳輸距離、更低的 EMI 和更高的抗噪能力。然而，CAN 驅(qū)動(dòng)器不是同時(shí)驅(qū)動(dòng)高電平和低電平狀態(tài)，而是設(shè)計(jì)為具有這兩種輸出狀態(tài)，如圖5所示：

顯性，其中通過將一條線（稱為 CANH）拉高并將互補(bǔ)線（稱為 CANL）拉低，將差分輸出電壓驅(qū)動(dòng)到總線。產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)器差分輸出電壓必須至少為 1.5 V，并且接收器被設(shè)計(jì)為將任何大于 900 mV 的差分電壓視為主要電壓。該狀態(tài)用于表示邏輯低位值。

隱性，其中總線輸出為高阻抗，CANH 和 CANL 都被弱偏置到中等電壓。在這種狀態(tài)下，驅(qū)動(dòng)器差分輸出電壓將接近 0 V，接收器能夠?qū)⑷魏蔚陀?500 mV 的差分電壓視為隱性電壓。此狀態(tài)用于表示邏輯高位值。

圖 5：顯示 CANH 和 CANL 信號(hào)的 CAN 波形（圖片：德州儀器）

每個(gè)狀態(tài)下有效輸出阻抗的差異意味著如果一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)正在發(fā)送一個(gè)顯性狀態(tài)，則認(rèn)為總線狀態(tài)是顯性的；只有當(dāng)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都處于隱性狀態(tài)時(shí)，總線狀態(tài)才能被認(rèn)為是隱性的。（這種類型的線與信號(hào)類似于許多其他協(xié)議中常見的開漏信號(hào)，例如 I 2 C。）

物理層的這種行為有幾個(gè)缺點(diǎn)：較低的有效信號(hào)擺幅和使信號(hào)的不對(duì)稱特性更容易受到位時(shí)序失真的影響，特別是在網(wǎng)絡(luò)上存在較高電容負(fù)載的情況下。然而，在不損壞數(shù)據(jù)的情況下，使協(xié)議能夠處理消息沖突（來自多個(gè)節(jié)點(diǎn)的同時(shí)傳輸）是關(guān)鍵。

事實(shí)上，該協(xié)議能夠在同時(shí)啟動(dòng)的傳輸之間自動(dòng)進(jìn)行仲裁，并允許總線訪問更高優(yōu)先級(jí)的消息（如消息頭中的標(biāo)識(shí)符字段所示）。因此，CAN 能夠充當(dāng)多發(fā)起者接口，其中節(jié)點(diǎn)可以在事件觸發(fā)的基礎(chǔ)上進(jìn)行通信，而不是由單個(gè)主機(jī)進(jìn)行排序。這使得 CAN 非常適合可能沒有集中式主機(jī)的應(yīng)用程序，或者受益于立即發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用程序。

仲裁協(xié)議確實(shí)限制了網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)之間允許的時(shí)間延遲；然而，總的往返傳播延遲必須適當(dāng)?shù)匦∮谝晃凰璧臅r(shí)間，以保持網(wǎng)絡(luò)上的同步。與 RS-485 相比，這使得 CAN 在電纜范圍和比特率方面更具限制性。

例如，一個(gè)常見的建議是將仲裁期間的比特率限制為 1 Mbits/s，并將電纜長(zhǎng)度限制為小于 40 m。較低的比特率可以支持更長(zhǎng)的距離；例如，工廠自動(dòng)化應(yīng)用經(jīng)常使用基于 CAN 的 DeviceNet 協(xié)議，該協(xié)議在某些情況下允許電纜距離長(zhǎng)達(dá) 500 m。CAN 協(xié)議有一個(gè)靈活的數(shù)據(jù)速率變體，通過在給定消息窗口仲裁后啟用更高速的通信（高達(dá) 5 Mbits/s）來擴(kuò)展數(shù)據(jù)吞吐量。

CAN 協(xié)議的另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是它能夠檢測(cè)和限制數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，例如連接問題或節(jié)點(diǎn)故障。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠檢測(cè)到發(fā)送和接收錯(cuò)誤，如果錯(cuò)誤源持續(xù)存在，將自動(dòng)停止顯性狀態(tài)傳輸。這可以防止單節(jié)點(diǎn)問題中斷全球通信。

由于物理層和數(shù)據(jù)協(xié)議的穩(wěn)健性，CAN 是需要在不受公共主機(jī)控制的情況下獨(dú)立運(yùn)行的任意數(shù)量源之間進(jìn)行可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用的首選解決方案。

結(jié)論

當(dāng)今使用了許多工業(yè)通信協(xié)議，每種協(xié)議都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。表 1總結(jié)了本文討論的標(biāo)準(zhǔn)。