RS-232, RS-422 и RS-485: в чем разница?

Для многих современных молодых людей термин «последовательная связь» может показаться устаревшим. Однако некоторые из наиболее распространённых стандартов, такие как RS-232 , RS-422 и RS-485, всё ещё широко используются в промышленной связи. Поэтому мы написали эту статью, чтобы помочь начинающим разобраться в этих стандартах и ​​выявить различия между ними с помощью подробного сравнения.

Итак, начнем.

Что такое RS-232?

Интерфейс RS-232 соответствует стандарту последовательной передачи данных, установленному Альянсом электронной промышленности (EIA). Первоначально он назывался EIA-RS-232 (часто сокращенно 232 или RS232). Он широко используется для подключения периферийных устройств с последовательным интерфейсом, кабелей, а также в механических, электрических, сигнальных и передающих процессах.

Стандарт RS-232 определяет скорости передачи данных 50, 75, 100, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600 и 19200 бит в секунду (бод).

Каковы характеристики RS-232?

RS-232 — один из основных последовательных интерфейсов связи. Поскольку стандарт интерфейса RS-232 появился раньше, он неизбежно имеет ряд недостатков, в основном следующие четыре:

#1: Высокий уровень сигнала интерфейса

Высокий уровень сигнала интерфейса может легко повредить микросхемы интерфейсной схемы. Напряжение на любой сигнальной линии интерфейса RS-232 использует отрицательную логику.

Логическая «1» находится в диапазоне от -3 до -15 В; логический «0» находится в диапазоне от +3 до +15 В с запасом по уровню помех 2 В. Приёмник должен распознавать сигналы выше +3 В как логический «0», а сигналы ниже -3 В как логическую «1». Уровень ТТЛ, напротив, использует +5 В для высокого логического уровня и 0 В для низкого логического уровня. Поскольку он несовместим с уровнями ТТЛ, для подключения к ним требуется схема преобразования уровня.

№2: Низкая скорость передачи данных

Скорость передачи данных низкая. При асинхронной передаче битовая скорость составляет 20 Кбит/с; следовательно, скорость передачи данных интегрированной программы на плате разработки 51 CPLD может достигать лишь 19200 бод, что также является причиной данного ограничения.

#3: Слабая помехоустойчивость

Интерфейс RS-232 использует одну сигнальную линию и одну обратную линию сигнала (общую землю), образуя схему передачи с общей землей. Такая схема передачи с общей землей подвержена синфазным помехам, что приводит к низкой помехоустойчивости.

#4: Короткое расстояние передачи

Дальность передачи ограничена. Максимальное расстояние составляет 50 футов (около 15 метров), но достигает всего около 15 метров.

Что такое RS-485?

Когда расстояние связи должно составлять от десятков метров до нескольких километров, широко используется последовательная шина RS-485. RS-485 использует сбалансированную передачу и дифференциальный приём, поэтому он способен подавлять синфазные помехи.

Помимо того, что приемопередатчик шины обладает высокой чувствительностью (способен обнаруживать напряжения до 200 мВ), он также может восстанавливать сигналы передачи на расстоянии более километра.

RS-485 работает в полудуплексном режиме, то есть в любой момент времени только одна точка может находиться в состоянии передачи. Поэтому цепь передачи должна управляться разрешающим сигналом.

Каковы характеристики RS-485?

RS-485 обеспечивает многоточечное соединение, что позволяет сэкономить множество сигнальных линий. RS-485 может быть использован для создания распределенной сети, позволяющей параллельно подключать до 32 драйверов и 32 приемников. Новый стандарт RS-485, устраняющий недостатки RS-232, обладает следующими характеристиками:

• Электрические характеристики : Логическая «1» представлена ​​разностью напряжений между двумя проводами от +2 до +6 В; логический «0» представлен разностью напряжений от -6 до -2 В. Уровень сигнала интерфейса ниже, чем у RS-232-C, что снижает вероятность повреждения микросхем интерфейсных схем. Этот уровень совместим с уровнями ТТЛ и может быть легко подключен к ТТЛ-схемам.

• Максимальная скорость передачи данных : 10 Мбит/с

• Помехоустойчивость : Интерфейс RS-485 объединяет балансный драйвер и дифференциальный приемник, обеспечивая надежное подавление синфазных помех и хорошую помехоустойчивость.

• Максимальная дальность передачи : максимальная дальность передачи для интерфейса RS-485 составляет 4000 футов (около 1219 метров) и может достигать 3000 метров.

• Возможность многоабонентской связи : Интерфейс RS-232-C допускает подключение только одного приёмопередатчика к шине (возможность одноабонентской связи). В отличие от этого, интерфейс RS-485 допускает подключение до 128 приёмопередатчиков к шине (возможность многоабонентской связи). Использование одного интерфейса RS-485 позволяет быстро организовать сеть пользовательских устройств.

Что такое RS-422?

Полное название стандарта RS-422 — «Электрические характеристики цепей цифрового интерфейса с балансным напряжением». Он определяет характеристики схемы интерфейса. Этот стандарт включает в себя сигнальное заземление, что в сумме составляет 5 проводов.

Поскольку приемник использует высокое входное сопротивление, а передающий драйвер имеет более высокую управляющую способность, чем RS232, он позволяет подключать к одной линии передачи несколько принимающих узлов (до 10 узлов).

Имеется одно ведущее устройство (Master), а остальные — ведомые (Slave). Ведомые устройства не могут взаимодействовать друг с другом, поэтому RS-422 поддерживает двунаправленную связь «точка-многоточка». Входное сопротивление приёмника составляет 4 кОм, поэтому максимальная нагрузочная способность на стороне передатчика составляет 10×4 кОм + 100 Ом (согласующий резистор).

Каковы характеристики RS-422?

Поскольку четырёхпроводной интерфейс RS-422 использует отдельные каналы передачи и приёма, нет необходимости контролировать направление передачи данных. Необходимый обмен данными между устройствами может быть реализован программно (подтверждение связи XON/XOFF) или аппаратно (с использованием пары отдельных витых пар).

• Максимальная дальность передачи для RS-422 составляет 4000 футов (около 1219 метров), а максимальная скорость передачи — 10 Мбит/с.

• Длина сбалансированной витой пары обратно пропорциональна скорости передачи; максимальная дальность передачи возможна только при скоростях ниже 100 кбит/с. Наибольшая скорость передачи может быть достигнута только на очень коротких расстояниях. Как правило, максимальная скорость передачи, достигаемая на витой паре длиной 100 метров, составляет всего 1 Мбит/с.

• Для RS-422 требуется согласующий резистор, сопротивление которого должно быть приблизительно равно волновому сопротивлению кабеля передачи. Согласование не требуется при передаче на короткие расстояния (обычно менее 300 метров). Согласующий резистор подключается на дальнем конце кабеля передачи.

RS-422 и RS-485, в чем разница?

Схемы RS-422 и RS-485 работают по одному и тому же принципу. Обе схемы передают и принимают сигналы дифференциально и не требуют цифрового заземления. Дифференциальный режим работы — это фундаментальная причина достижения больших расстояний передачи данных с одинаковой скоростью.

В этом и заключается основное различие между RS-422/RS-485 и RS232. Поскольку RS232 имеет несимметричный вход и выход, для дуплексной работы требуется как минимум три линии (цифровая земля, линия передачи и линия приёма для асинхронной передачи), а также можно добавить дополнительные линии управления для таких функций, как синхронизация.

• RS-422 может работать в полнодуплексном режиме (одновременная передача и прием) с использованием двух пар витых проводов.

• RS-485 может работать только в полудуплексном режиме (не может одновременно отправлять и принимать данные), но для этого требуется только одна пара витых проводов.

• Как RS-422, так и RS-485 могут передавать данные на расстояние до 1200 метров со скоростью 19 кбит/с. Новые приёмопередатчики позволяют подключать устройства к линии.

Электрические характеристики RS-422 такие же, как у RS-485. Основное отличие:

• RS-422 имеет четыре сигнальные линии: две для передачи (Y, Z) и две для приёма (A, B). Поскольку приём и передача в RS-422 разделены, он может принимать и передавать данные одновременно (полный дуплекс).

• RS-485 имеет две сигнальные линии: передача и прием являются общими.

Что такое RS-423?

RS-423, или RS/EIA/TIA-423, — это стандарт последовательной связи, превосходящий RS-232 по характеристикам. Он определяет несимметричный (несимметричный) интерфейс, аналогичный RS-232, с однонаправленным передающим драйвером, позволяющим подключать до 10 приёмников. Обычно он реализуется с использованием интегральных схем для последовательного обмена двоичными сигналами между DTE и DCE.

• RS-422 поддерживает многоточечные соединения, тогда как RS-423 поддерживает только соединения типа «точка-точка».

• RS-422 предназначен для прямого подключения интеллектуальных устройств.

• RS-423 предназначен для расширения возможностей RS-232 и выступает в качестве посредника между RS-422 и RS-232.

И RS-423, и RS-232 имеют один и тот же недостаток — использование устройств с общим заземлением, что может ухудшить качество связи и потенциально привести к сбоям связи, первопричину которых часто трудно определить.

В этом отношении RS-422, RS-485 и Ethernet на основе витой пары превосходят их. RS-423 не получил широкого распространения в промышленности из-за своих недостатков.

В чем разница между RS-232, RS-422 и RS-485?

• RS232 — полнодуплексный, RS485 — полудуплексный, а RS422 — полнодуплексный.

• RS485 и RS232 — это только физические протоколы связи (стандарты интерфейсов); RS485 — это дифференциальный режим передачи, RS232 — режим односторонней передачи, но программное обеспечение связи существенно не отличается.

• ПК уже оснащены портом RS232 и могут использоваться напрямую. Если требуется связь по RS485, просто подключите преобразователь RS232 в RS485 к порту RS232; модификация программного обеспечения не требуется.

Интерфейсы RS232/RS422/RS485 выглядят по-разному?

• Обычно это интерфейсы DB9; существуют также и другие типы, или вам может потребоваться проверить внутреннюю проводку, чтобы узнать, является ли она RS232, RS422 или RS485.

• RS232 — это стандартный интерфейс, миниатюрный 9-контактный D-разъём (DB9). Определения сигналов интерфейса для подключённых устройств унифицированы. Они приведены ниже:
  (Примечание: в исходном тексте, вероятно, предполагалась схема распиновки, которая не была включена в документ, поэтому конкретные определения выводов в переводе опущены.)

Поскольку ПК обычно по умолчанию имеют только интерфейс RS232, существует два способа получить схему RS485 для главного компьютера:

1. Используйте схему преобразования RS232/RS485 для преобразования сигнала RS232 с последовательного порта ПК в сигнал RS485. В сложных промышленных условиях рекомендуется использовать изолированные устройства с защитой от перенапряжения.

2. Используйте карту многопоследовательного порта PCI, с помощью которой можно напрямую выбрать карту расширения, которая выводит сигналы RS485.

Компьютер подключается к нескольким устройствам 485 (контроллерам доступа) через преобразователь RS232-RS485 и опрашивает устройства на шине.

Маркировка проводов — 485+ и 485-, что соответствует соединениям 485+ и 485- на устройстве (контроллере).

• Расстояние связи

  Теоретически максимальное расстояние между самым удалённым устройством (контроллером) и компьютером составляет 1200 метров. Мы рекомендуем клиентам не превышать 800 метров, а оптимально — 300 метров.
  Если расстояние слишком велико, можно приобрести ретранслятор (удлинитель) 485 (приобретайте у производителя профессиональных преобразователей; ретранслятор устанавливается в середине или в начале шины — см. руководство производителя). Теоретически ретранслятор может увеличить расстояние до 3000 метров.

• Грузоподъемность

  Сколько устройств (контроллеров) может поддерживать одна шина 485? Это зависит от выбранного коммуникационного чипа контроллера и коммуникационного чипа преобразователя 485.
  Обычно используются 32, 64, 128 и 256 устройств. Это теоретическое число. На практике, в зависимости от условий эксплуатации, дальности связи и других факторов, фактическое количество устройств может быть меньше этого значения. Контроллеры и преобразователи компании Weigeng рассчитаны на 256 устройств, но мы рекомендуем клиентам ограничивать каждую шину 80 устройствами или меньше.
  Используйте коммуникационную шину 485 (необходимо использовать витую пару или одну пару из сетевого кабеля). При использовании обычного провода (не витой пары) будут значительные помехи, связь будет нестабильной и может даже полностью оборваться.
  Каждое устройство контроллера должно быть подключено последовательно; звездообразные соединения или ответвления не допускаются. При наличии звездообразных соединений или ответвлений помехи будут очень высокими, качество связи будет низким, а передача данных может быть нарушена.

Контроллерная локальная сеть (CAN)

CAN — это протокол связи в автомобильных сетях, разработанный компанией Bosch в 1980-х годах и широко используемый в автомобильной и промышленной сфере управления. Основные характеристики этого протокола:

• Электрические характеристики : CAN также использует дифференциальные сигналы. Разность напряжений около 2 В между двумя проводами (CAN_H и CAN_L) соответствует логическому «рецессивному» (логической «1») состоянию, тогда как логическое «доминантное» (логическому «0») состояние характеризуется разностью напряжений, близкой к 0 В.

• Режим связи : поддерживает многоточечную связь с многомастерной структурой, использует механизм арбитража для разрешения конфликтов шины и поддерживает как высокоскоростной (CAN High Speed), так и низкоскоростной (CAN Low Speed) режимы.

• Дальность передачи : При правильных условиях подключения дальность передачи шины CAN может достигать 10 км (высокоскоростная CAN) или нескольких километров (низкоскоростная CAN).

• Применение : в основном используется в электронных системах транспортных средств и системах управления промышленной автоматикой.

Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ)

ТТЛ — это тип стандарта логического уровня, обычно используемый для связи внутри интегральных схем или между ними на коротких расстояниях, но не являющийся стандартом связи. Основные характеристики этого стандарта включают:

• Электрические характеристики : Сигналы уровня ТТЛ обычно определяются как логическая «1», равная примерно +5 В (типичное значение), и логический «0», близкий к 0 В. Амплитуда сигнала относительно мала.

• Режим связи : уровни TTL в основном используются для интерфейсов на уровне микросхемы, таких как интерфейсы передачи сигналов UART, SPI, I²C.

• Дальность передачи : Поскольку сигналы уровня TTL быстро затухают, они не подходят для передачи на большие расстояния и обычно ограничены расстоянием от нескольких сантиметров до нескольких метров.

• Применение : Уровни ТТЛ широко используются для внутренней связи во встраиваемых системах и между интегральными схемами на материнских платах компьютеров.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Что такое UART?

UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) — это технология последовательного порта, используемая для реализации последовательной передачи данных. UART — это схема, отвечающая за преобразование параллельных данных в последовательные для связи и обратное преобразование последовательных данных в параллельные для использования принимающей стороной.

Как устранить синфазные помехи в RS-485?

Синфазные помехи обычно устраняются следующими методами:

• Используйте экранированную витую пару и обеспечьте хорошее заземление.

• Рассмотрите возможность использования оцинкованных труб для экранирования в зонах с сильными электрическими полями.

• Прокладывайте проводку вдали от высоковольтных линий и никогда не связывайте высоковольтные линии электропередач и сигнальные линии вместе.

• Не используйте тот же источник питания, что и для устройств с электроуправлением.

• (Используйте линейный стабилизированный источник питания или высококачественный импульсный источник питания (пульсации менее 50 мВ)).

Заключение

RS232, RS422, RS423 и RS485 — это, по сути, протоколы физического уровня. Все они представляют собой последовательные протоколы связи и являются повсеместно распространёнными интерфейсами устройств. Последовательные интерфейсы широко используются в электронике и встраиваемых системах, часто для удалённого сбора данных с устройств или удалённого управления.

Они изменяют способ передачи сигналов, будь то на ПК, микроконтроллер или с использованием протокола последовательной связи или уровня ТТЛ для последовательной связи. Для преобразования сигналов в сигналы RS232, RS422, RS423 или RS485 требуется микросхема преобразования данных.

Узнайте больше об  оптических модулях TTL 1x9,  подходящих для промышленного Ethernet RS232, RS422 и RS485.