串行通信接口按電氣標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議來分包括RS-232、RS-422、RS485、USB等。 RS-232、RS-422與RS-485標(biāo)準(zhǔn)只對(duì)接口的電氣特性做出規(guī)定，不涉及接插件、電纜或協(xié)議。USB是近年發(fā)展起來的新型接口標(biāo)準(zhǔn)，主要應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域。

（1）RS-232串行接口

目前RS-232是PC機(jī)與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口。RS-232被定義為一種在低速率串行通信中增加通信距離的單端標(biāo)準(zhǔn)。RS-232采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通信。典型的RS-232信號(hào)在正負(fù)電平之間擺動(dòng)，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送端驅(qū)動(dòng)器輸出正電平在+5～+15V，負(fù)電平在-5～-15V電平。當(dāng)無數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，線上為TTL電平，從開始傳送數(shù)據(jù)到結(jié)束，線上電平從TTL電平到RS-232電平再返回TTL電平。接收器典型的工作電平在+3～+12V與-3～-12V。RS-232是為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（即只用一對(duì)收、發(fā)設(shè)備）通信而設(shè)計(jì)的，其驅(qū)動(dòng)器負(fù)載為3～7kΩ。由于RS-232發(fā)送電平與接收電平的差僅為2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上雙絞線上的分布電容，其傳送距離最大為約30米，最高速率為20kb/s。所以RS-232適合本地設(shè)備之間的通信。可以通過測(cè)量DTE的Txd（或DCE的Rxd）和Gnd之間的電壓了解串口的狀態(tài)，在空載狀態(tài)下，它們之間應(yīng)有約-10V左右（-5~-15V）的電壓，否則該串口可能已損壞或驅(qū)動(dòng)能力弱。

①管腳定義

RS-232物理接口標(biāo)準(zhǔn)可分成25芯和9芯D型插座兩種，均有針、孔之分。其中TX（發(fā)送數(shù)據(jù)）、RX（接受數(shù)據(jù)）和GND（信號(hào)地）是三條最基本的引線，就可以實(shí)現(xiàn)簡單的全雙工通信。DTR（數(shù)據(jù)終端就緒）、DSR（數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好）、RTS（請(qǐng)求發(fā)送）和CTS（清除發(fā)送）是最常用的硬件聯(lián)絡(luò)信號(hào)。

圖1-1 RS232接口中DB9、DB25管腳信號(hào)定義

按照RS232標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速率一般不超過20kbps，傳輸距離一般不超過15M。實(shí)際使用時(shí)通信速率最高可達(dá)115200bps。

②RS232串行接口基本接線原則

設(shè)備之間的串行通信接線方法，取決于設(shè)備接口的定義。設(shè)備間采用RS232串行電纜連接時(shí)有兩類連接方式：

直通線：即相同信號(hào)（Rxd對(duì)Rxd、Txd對(duì)Txd）相連，用于DTE（數(shù)據(jù)終端設(shè)備）與DCE（數(shù)據(jù)通信設(shè)備）相連。如計(jì)算機(jī)(DTE)與MODEM(DCE)（或DTU）相連。

交叉線：即不同信號(hào)（Rxd對(duì)Txd、Txd對(duì)Rxd）相連，用于DTE與DTE相連。如計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)與采集器之間相連。

以上兩種連接方法可以認(rèn)為同種設(shè)備相連采用交叉線連接，不同種設(shè)備相連采用直通線連接。在少數(shù)情況下會(huì)出現(xiàn)兩臺(tái)具有DCE接口的設(shè)備需要串行通信的情況，此時(shí)也用交叉方式連接。當(dāng)一臺(tái)設(shè)備本身是DTE，但它的串行接口按DCE接口定義時(shí)，應(yīng)按DCE接線。如艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司生產(chǎn)的一體化采集器IDA采集模塊上的調(diào)測(cè)接口是按DCE接口定義的，當(dāng)計(jì)算機(jī)與IDA采集模塊的調(diào)測(cè)口連接時(shí)就要采用直通串行電纜。

一般地，RS232接口若為公頭，則該接口按DTE接口定義；若為母頭，則該接口按DCE接口定義。但注意也有反例，不能一概而論。(一些DTE設(shè)備上的串行接口按DCE接口定義而采用DB9或DB25母接口的原因主要是因?yàn)镈TE接口一般都采用公頭，當(dāng)人用手接觸時(shí)易接觸到針腳；采用母頭時(shí)因不易碰到針腳，可避免人體靜電對(duì)設(shè)備的影響。)

對(duì)于某些設(shè)備上的非標(biāo)準(zhǔn)RS232接口，需要根據(jù)設(shè)備的說明書確定針腳的定義。如果已知Txd、Rxd和Gnd三個(gè)針腳，但不清楚哪一個(gè)針腳是Txd，哪一個(gè)針腳是Rxd，可以通過用萬用表測(cè)量它們與Gnd之間的電壓來判別，如果有一個(gè)電壓為-10V左右，則萬用表紅表筆所接的是DTE的Txd或DCE的Rxd。

③RS232的三種接線方式

三線方式：即兩端設(shè)備的串口只連接收、發(fā)、地三根線。一般情況下，三線方式即可滿足要求，如監(jiān)控主機(jī)與采集器及大部分智能設(shè)備之間相連。

簡易接口方式：兩端設(shè)備的串口除了連接收、發(fā)、地三根線外，另外增加一對(duì)握手信號(hào)（一般是DSR和DTR）。具體需要哪對(duì)握手信號(hào)，需查閱設(shè)備接口說明。

完全口線方式：兩端設(shè)備的串口9線全接。

此外，有些設(shè)備雖然需要握手信號(hào)，當(dāng)并不需要真正的握手信號(hào)，可以采用自握手的方式。

(2)RS-422/485串行接口

①平衡傳輸

RS-422由RS-232發(fā)展而來。為改進(jìn)RS-232通信距離短、速度低的缺點(diǎn)，RS-422定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到10Mbit/s,并允許在一條平衡總線上連接最多10個(gè)接收器。RS-422是一種單機(jī)發(fā)送、多機(jī)接收的單向、平衡傳輸規(guī)范。

RS-422的數(shù)據(jù)信號(hào)采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸。它使用一對(duì)雙絞線，將其中一線定義為A，另一線定義為B，如圖1-2。

圖1-2 RS-232差分傳輸

通常情況下，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器A、B之間的正電平在+2～+6V，是一個(gè)邏輯狀態(tài)，負(fù)電平在-2～-6V，是另一個(gè)邏輯狀態(tài)。另有一個(gè)信號(hào)地C，在RS-485中還有一“使能”端， “使能”端是用于控制發(fā)送驅(qū)動(dòng)器與傳輸線的切斷與連接。當(dāng)“使能”端起作用時(shí)，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器處于高阻狀態(tài)，稱作“第三態(tài)”，即它是有別于邏輯“1”與“0”的第三態(tài)。

接收器也作與發(fā)送端相應(yīng)的規(guī)定，收、發(fā)端通過平衡雙絞線將AA與BB對(duì)應(yīng)相連，當(dāng)在收端AB之間有大于+200mV的電平時(shí)，輸出正邏輯電平，小于-200mV時(shí)，輸出負(fù)邏輯電平。接收器接收平衡線上的電平范圍通常在200mV至6V之間。

②RS-422

RS-422標(biāo)準(zhǔn)全稱是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”，它定義了接口電路的特性。圖1-3是典型的RS-422四線接口。

圖1-3 RS422標(biāo)準(zhǔn)通信

實(shí)際上還有一根信號(hào)地線，共5根線。由于接收器采用高輸入阻抗和發(fā)送驅(qū)動(dòng)器比RS232更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，故允許在相同傳輸線上連接多個(gè)接收節(jié)點(diǎn)，最多可接10個(gè)節(jié)點(diǎn)。即一個(gè)主設(shè)備（Master），其余為從設(shè)備（Salve），從設(shè)備之間不能通信，所以RS-422支持點(diǎn)對(duì)多的雙向通信。RS-422四線接口由于采用單獨(dú)的發(fā)送和接收通道，因此不必控制數(shù)據(jù)方向，各裝置之間任何必須的信號(hào)交換均可以按軟件方式（XON/XOFF握手）或硬件方式（一對(duì)單獨(dú)的雙絞線）實(shí)現(xiàn)。

RS-422的最大傳輸距離為4000英尺（約1200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(dá)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。

RS422接口的定義很復(fù)雜，一般只使用四個(gè)端子，其針腳定義分別為TXD+、TXD-、RXD+、RXD-，其中TXD+和TXD-為一對(duì)數(shù)據(jù)發(fā)送端子，RXD+和RXD-為一對(duì)數(shù)據(jù)接收端子，參見圖1-4。

圖1-4 RS 422引腳定義

RS422采用了平衡差分電路，差分電路可在受干擾的線路上拾取有效信號(hào)，由于差分接收器可以分辨0.2V以上的電位差，因此可大大減弱地線干擾和電磁干擾的影響，有利于抑制共模干擾，傳輸距離可達(dá)1200米。

另外和RS232不同的是，在一RS422總線上可以掛接多臺(tái)設(shè)備組網(wǎng)，總線上連接的設(shè)備RS422串行接口同名端相接，與上位機(jī)則收發(fā)交叉，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到多點(diǎn)的通信，RS232只能點(diǎn)到點(diǎn)通信，不能組成串行總線。

通過RS422總線與計(jì)算機(jī)某一串口通信時(shí)，要求各設(shè)備的的通信協(xié)議相同。為了在總線上區(qū)分各設(shè)備，各設(shè)備需要設(shè)置不同的地址。上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)所有的設(shè)備都能接收到，但只有地址符合上位機(jī)要求的設(shè)備響應(yīng)。

③RS-485

為擴(kuò)展應(yīng)用范圍，EIA在RS-422的基礎(chǔ)上制定了RS-485標(biāo)準(zhǔn)，增加了多點(diǎn)、雙向通信能力，通常在要求通信距離為幾十米至上千米時(shí)，廣泛采用RS-485收發(fā)器。

RS-485收發(fā)器采用平衡發(fā)送和差分接收，即在發(fā)送端，驅(qū)動(dòng)器將TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)輸出；在接收端，接收器將差分信號(hào)變成TTL電平，因此具有抑制共模干擾的能力，加上接收器具有高的靈敏度，能檢測(cè)低達(dá)200mV的電壓，故數(shù)據(jù)傳輸可達(dá)千米以外。

RS-485許多電氣規(guī)定與RS-422相仿。如都采用平衡傳輸方式、都需要在傳輸線上接終接電阻等。RS-485可以采用二線與四線方式，二線制可實(shí)現(xiàn)真正的多點(diǎn)雙向通信。而采用四線連接時(shí)，與RS-422一樣只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多的通信，即只能有一個(gè)主（Master）設(shè)備，其余為從設(shè)備，但它比RS-422有改進(jìn)，無論四線還是二線連接方式總線上可連接多達(dá)32個(gè)設(shè)備，SIPEX公司新推出的SP485R最多可支持400個(gè)節(jié)點(diǎn)。

RS-485與RS-422的共模輸出電壓是不同的。RS-485共模輸出電壓在-7V至+12V之間， RS-422在-7V至+7V之間，RS-485接收器最小輸入阻抗為12KΩ；RS-422是4kΩ；RS-485滿足所有RS-422的規(guī)范，所以RS-485的驅(qū)動(dòng)器可以用在RS-422網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。但RS-422的驅(qū)動(dòng)器并不完全適用于RS-485網(wǎng)絡(luò)。

RS-485與RS-422一樣，最大傳輸速率為10Mb/s。當(dāng)波特率為1200bps時(shí)，最大傳輸距離理論上可達(dá)15千米。平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能使用規(guī)定最長的電纜長度。

RS-485需要2個(gè)終接電阻，接在傳輸總線的兩端，其阻值要求等于傳輸電纜的特性阻抗。在矩距離傳輸時(shí)可不需終接電阻，即一般在300米以下不需終接電阻。

RS485是RS422的子集，只需要DATA+（D+）、DATA-（D-）兩根線。RS485與RS422的不同之處在于RS422為全雙工結(jié)構(gòu)，即可以在接收數(shù)據(jù)的同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，而RS485為半雙工結(jié)構(gòu)，在同一時(shí)刻只能接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。

RS485總線上也可以掛接多臺(tái)設(shè)備，用于組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到多點(diǎn)及多點(diǎn)到多點(diǎn)的通信（多點(diǎn)到多點(diǎn)是指總線上所接的所有設(shè)備及上位機(jī)任意兩臺(tái)之間均能通信）。

連接在RS485總線上的設(shè)備也要求具有相同的通信協(xié)議，且地址不能相同。在不通信時(shí)，所有的設(shè)備處于接收狀態(tài)，當(dāng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，串口才翻轉(zhuǎn)為發(fā)送狀態(tài)，以避免沖突。

為了抑制干擾，RS485總線常在最后一臺(tái)設(shè)備之后接入一個(gè)120歐的電阻。

很多設(shè)備同時(shí)有RS485接口方式和RS422接口方式，常共用一個(gè)物理接口，見圖1-5。圖中，RS422的D+和D-與可以與RS485的T+和T-共用。

圖1-5 RS422引腳通信接法

(3)RS232/422/485串行通信接口性能比較

上述三種通信接口的比較見下表1-2。

                                    表1-2 RS232、RS422、RS-485接口性能比較

(4)USB接口

USB,全稱是Universal Serial Bus（通用串行總線），它是在1994年底由康柏、IBM、Microsoft等多家公司聯(lián)合制訂的，但是直到1999年，USB才真正被廣泛應(yīng)用。自從1994年11月11日發(fā)表了USB V0.7以后，USB接口經(jīng)歷了六年的發(fā)展，現(xiàn)在USB已經(jīng)發(fā)展到了2.0版本。USB接口的特點(diǎn)是：

①數(shù)據(jù)傳輸速率高。USB標(biāo)準(zhǔn)接口傳輸速率為12Mbps，最新的USB2.0支持最高速率達(dá)480Mbps。同串行端口比，USB大約快1000倍；同并行端口比，USB端口大約快50%。

②數(shù)據(jù)傳輸可靠。USB總線控制協(xié)議要求在數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)含有3個(gè)描敘數(shù)據(jù)類型、發(fā)送方向和終止標(biāo)志、USB設(shè)備地址的數(shù)據(jù)包。USB設(shè)備在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)支持?jǐn)?shù)據(jù)偵錯(cuò)和糾錯(cuò)功能，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/span>

③同時(shí)掛接多個(gè)USB設(shè)備。USB可通過菊花鏈的形式同時(shí)掛接多個(gè)USB設(shè)備，理論上可達(dá)127個(gè)。

④USB接口能為設(shè)備供電。USB線纜中包含有兩根電源線及兩根數(shù)據(jù)線。耗電比較少的設(shè)備可以通過USB口直接取電。可通過USB口取電的設(shè)備又分低電量模式和高電量模式，前者最大可提供100毫安的電流，而后者則是500毫安。

⑤支持熱插拔。在開機(jī)情況下，可以安全地連接或斷開設(shè)備，達(dá)到真正的即插即用。

USB還具有一些新的特性，如：實(shí)時(shí)性（可以實(shí)現(xiàn)和一個(gè)設(shè)備之間有效的實(shí)時(shí)通信）、動(dòng)態(tài)性（可以實(shí)現(xiàn)接口間的動(dòng)態(tài)切換）、聯(lián)合性（不同的而又有相近的特性的接口可以聯(lián)合起來）、多能性（各個(gè)不同的接口可以使用不同的供電模式）。