3.5 數據通信接口

數據通信設備（見圖3-13）由數據終端設備（Data Terminal Equipment，DTE）、數據鏈路端接設備（Data Circuit-terminating Equipment，DCE）和通信傳輸網絡三部分組成。數據終端設備（DTE）包括計算機，各種I/O設備，多路復用機和文字、聲音、圖像處理設備等。大多數DTE設備的數據傳輸能力是很有限的，直接把相隔很遠的兩個數字數據處理設備連接在一起是不能進行通信的，必須在數據處理設備和傳輸網絡之間加上一個中間設備，這個中間設備就是數據鏈路端接設備（DCE）。DCE的作用就是在DTE與傳輸線路之間提供信號變換和編解碼等功能，并負責建立、保持和釋放數據通信鏈路的連接。

圖3-13 數據通信系統

DCE主要包括調制解調器、信道服務單元（Channel ServiceUnit，CSU）和數據服務單元（Data Service Unit，DSU）。

DTE和DCE之間的連接必須包含數據傳輸線、信號傳輸線和控制線以及其他重要的功能。DTE與DCE的接口由許多條并行線組成，包括多種信號傳輸線和控制線。發送時DCE把DTE傳送來的數據，按順序逐個發往傳輸線路，接收時，剛好相反，從傳輸線路上接收下來的串行碼序列，通過DCE再交給DTE。很明顯，這里需要高度協調的工作。為減輕數據處理設備的負擔，必須對DTE和DCE的接口進行標準化。這種接口也稱為物理層協議。

DTE和DCE接口由開放式系統互聯模型（Open System Interconnection，OSI）的物理層規定，這是一個定義連接異種計算機的標準主體結構，現已成為廣大廠商共同遵循的標準?！伴_放”這個詞表示任何兩個遵守參考模型和有關標準的系統都可進行無障礙連接。

串行通信接口標準經過使用和發展，目前已經有多種標準接口。但都是在RS-232標準的基礎上經過改進而形成的。RS-232C標準是目前用來連接DTE和DCE設備最流行的標準接口，是數據通信中最重要的、而且是完全遵循數據通信標準的一種接口。目前在PC上的COM1、COM2接口，就是RS-232C接口。

3.5.1 RS-232C接口

RS-232C標準是美國EIA（電子工業聯合會）與BELL等公司一起開發的于1969年公布的通信協議。是PC和通信產品中應用最廣泛的一種串行接口，適合于數據傳輸速率在0～20kbit/s范圍內的數據通信。RS-232是為點對點（即只用于一對收、發設備）通信而設計的，其驅動器負載為3～7kΩ。所以RS-232適合本地設備之間的通信。

這個標準對串行通信接口的有關問題，如信號線功能、電氣特性都作了明確規定。由于通信設備廠商生產的通信設備都與RS-232C制式兼容，所以，RS-232C標準已成為微機通信接口中廣泛采用的一種標準。

RS（Recommended Standard）的涵義是“推薦標準”的英文縮寫，232為標識號，C表示修改次數。RS-232C總線標準設有25條信號線，包括一個主通道和一個輔助通道。

RS-232（包括RS-422和RS-485）標準只對接口的電氣特性做出規定，而不涉及接插件、電纜或協議，在此基礎上用戶可以建立自己的高層通信協議。例如：視頻服務器都帶有多個RS-422串行通信接口，每個接口均可通過RS-422通信線由外部計算機進行控制，實現記錄與播放。視頻服務器除提供各種控制硬件接口外，還提供協議接口，如RS-422接口除支持RS-422的Profile協議外，還支持Louth、Odetics、BVW等通過RS-422控制的協議。

在多數情況下RS-232C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。圖3-14是RS-232（9針）接口。

RS-232C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。

圖3-14 RS-232（9針）接口

RS-232C屬單端非平衡方式傳送信號，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，因此一般只用于20m以內的近距離數據終端的通信連接。

RS-232C標準最初是為遠程通信連接數據終端設備（DTE）與數據鏈路端接設備（DCE）制定的。因此這個標準的制定，并未考慮計算機系統的應用要求。但目前它又廣泛地用于計算機（更準確地說，是計算機接口）與終端或外設之間的近端連接標準。顯然，這個標準的有些規定和計算機系統是不一致的，甚至是相矛盾的。有了對這種背景的了解，我們對RS-232C標準與計算機不兼容的地方就不難理解了。

RS-232C標準中所提到的“發送”和“接收”，都是站在DTE數據終端的立場上，而不是站在DCE通信設備的立場來定義的。由于在計算機系統中，往往是CPU和I/O設備之間的信息傳送，兩者都是DTE，所以雙方都能發送和接收。

1.RS-232C的電氣特性

RS-232C采用負邏輯。即邏輯0相當于對信號地線有≥+3V的電壓；邏輯1相當于信號地線有≤-3V的電壓。邏輯0相當于數據的“0”（空號）或控制線的“接通”狀態；邏輯1相當于數據“1”（傳號）或控制線的“斷開”狀態。EIA-RS-232C標準對邏輯電平的定義和各種信號線功能都作了規定。

（1）在TxD（發送數據）和RxD（接收數據）的端口電平如下：

邏輯1（傳號）=-3～-15V，邏輯0（空號）=+3～+15V。

（2）在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制線上的電平如下：

信號有效（接通，ON狀態）=+3～+15V；

信號無效（斷開，OFF狀態）=-3～-15V。

以上規定說明了對于數據（信息碼）：邏輯“1”（傳號）的電平低于-3V，邏輯“0”（空號）的電平高于+3V；對于控制信號：接通狀態（ON）即信號有效的電平高于+3V，斷開狀態（OFF）即信號無效的電平低于-3V，也就是當傳輸電平的絕對值大于3V時，電路可以有效地檢查出來，介于-3～+3V之間的電壓無意義，低于-15V或高于+15V的電壓也認為無意義，因此，實際工作時，應保證電平在±（3～15）V之間。

2.連接器的機械特性

由于RS-232C并未定義連接器的物理特性，因此，出現了DB-25、DB-15（已淘汰）和DB-9三種類型的連接器，其引腳的定義也各不相同。

（1）DB-25連接器。PC和XT機采用DB-25型連接器。DB-25型連接器定義了25根信號線，分為4組：

①異步通信的9個電壓信號線（含信號地SG）：2，3，4，5，6，7，8，20，22；

②20mA電流環信號9個信號線：12，13，14，15，16，17，19，23，24；

③空6個信號線：9，10，11，18，21，25；

④保護地（PE）1個：（1腳），作為設備接地端。

注意，20mA電流環信號僅IBMPC和IBMPC/XT機提供，AT機及以后已不支持。

（2）DB-9連接器。在AT機及以后，不支持20mA電流環接口，使用DB-9型連接器，作為提供多功能I/O卡或主板上COM1和COM2兩個串行接口的連接器。它只提供異步通信的9個信號。DB-9型連接器的引腳分配與DB-25型引腳信號分配完全不同。因此，若與配接DB-25型連接器的DCE設備連接，必須使用專門的電纜線。

（3）連接電纜長度。在通信速率低于20kbit/s時，RS-232C直接連接的最大物理距離為15m（50ft，1ft=0.3048m）。當連接電纜長度更短時，數據傳輸速率可提高。

最大直接傳輸距離說明：RS-232C標準規定，若不使用Modem，在碼元畸變小于4%的情況下，DTE和DCE之間最大傳輸距離為15m（50ft）?？梢娺@個最大距離是在碼元畸變小于4%的前提下給出的。為了保證碼元畸變小于4%的要求，接口標準在電氣特性中規定，驅動器的負載電容應小于2500pF。

3.RS-232C接口信號的功能特性

RS-232C的功能特性定義了25芯標準連接器中的20根信號線，其中2條地線、4條數據線、11條控制線、3條定時信號線，剩下的5根線作備用或未定義。常用的只有10根，它們是

（1）聯絡控制信號線功能定義。

數據發送準備（Data Set Ready，DSR）：有效時（ON）狀態，表明Modem處于可以使用的狀態。

數據終端準備（Data Terminal Ready，DTR）：有效時（ON）狀態，表明數據終端可以使用。

這兩個信號有時連接上電源，就立即有效。但是設備狀態信號有效，只表示設備本身可用，并不說明通信鏈路可以開始進行通信了，能否開始進行通信要由下面的控制信號決定。

請求發送（Request To Send，RTS）：用來表示DTE請求DCE發送數據，即當終端準備要接收Modem傳來的數據時，使該信號有效（ON狀態），請求Modem發送數據。用來控制Modem是否要進入發送狀態。

清除發送（Clear To Send，CTS）：用來表示DCE準備好接收DTE發來的數據，是與請求發送信號RTS相應的信號。

RTS/CTS請求應答聯絡信號：是用于半雙工Modem系統中發送方式和接收方式之間的切換。在全雙工系統中，因配置雙向通道，故不需要RTS/CTS聯絡信號。

接收線RxD信號檢出（Received Line Detection，RLSD）：用來表示DCE已接通通信鏈路，告知DTE準備接收數據。當本地Modem收到由通信鏈路另一端（遠地）的Modem送來的載波信號時，使RLSD信號有效，通知終端準備接收，并且由Modem將接收下來的載波信號解調成數字數據后，沿接收數據線RxD送到終端。此線也叫做數據載波檢出（Data Carrier Detection，DCD）線。

振鈴指示（Ring Indicator，RI）：當Modem收到交換臺送來的振鈴呼叫信號時，使該信號有效（ON狀態），通知終端，已被呼叫。

（2）數據發送與接收線。

發送數據（Transmit Data，TxD）：通過TxD終端將串行數據發送到Modem（DTE→DCE）。

接收數據（Received Data，RxD）：通過RxD終端，接收從Modem發來的串行數據（DCE→DTE）。

（3）地線。

GND（PE）、Sig.GND：保護地和信號地。

上述控制信號線何時有效，何時無效的順序表示了接口信號的傳送過程。例如，只有當DSR和DTR都處于有效（ON）狀態時，才能在DTE和DCE之間進行傳送操作。若DTE要發送數據，則預先將DTR線置成有效（ON）狀態，等CTS線上收到有效（ON）狀態的回答后，才能在TxD線上發送串行數據。這種順序的規定對半雙工的通信線路特別有用，因為半雙工的通信才能確定DCE已由接收方向改為發送方向，這時線路才能開始發送。表3-2是9針RS-232C信號接口定義。表3-3是25針RS-232C信號接口定義。

表3-2 9針RS-232C信號接口定義

表3-3 25針RS-232C信號接口定義

4.DB-25連接器的同步應用和異步應用連接

使用25根引腳的RS-232CDB-25插頭座。引腳分為上、下兩排，分別有13和12根引腳，其編號分別為1～13和14～25，從左到右。圖3-15是RS-232C異步通信應用引線。圖3-16是RS-232C同步通信應用的引線。

圖3-15 RS-232C異步通信應用引線

圖3-16 RS-232C同步通信應用引線

5.RS-232的缺點

（1）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。

（2）傳輸速率較低，在異步傳輸時，傳輸速率為20kbit/s；因此在CPLD開發板中，綜合程序速率只能采用19.2kbit/s。

（3）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信號干擾。

（4）傳輸距離有限，最大傳輸距離標準值為50ft，實際上也只能用在15m左右。

3.5.2 RS-422和RS-485接口

RS-422、RS-485由RS-232發展而來。為改進RS-232通信距離短、速率低的缺點，與RS-232不一樣，RS-422、RS-485數據信號采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸，是一種平衡通信接口，提高了抗干擾性能，增加了通信距離，并將傳輸速率提高到10Mbit/s。它們使用一對雙絞線，將其中一根線定義為A，另一根線定義為B。通常情況下，A、B兩個發送驅動器之間的正電平在+2～+6V，是一種邏輯狀態，負電平在-2～-6V，是另一種邏輯狀態，另有一個信號地C。

1.RS-422接口

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，所以，具有比RS-232更強的驅動能力，允許在傳輸線上最多可連接10個接收結點。即一個主設備（Master），其余為從屬設備（Salve），從屬設備之間不能通信，所以RS-422支持一點對多點的雙向通信。接收器輸入阻抗為4kΩ，發端最大負載能力是10×4kΩ+100Ω（終接電阻）。

RS-422是差模傳輸，抗干擾能力強，最大傳輸距離為4000ft（約1219m），而RS-232最長傳輸距離為15m。

RS-422的最大傳輸速率為10Mbit/s。平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在100kbit/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100m長的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率僅為1Mbit/s。

RS-422四線接口有兩根發送（Y、Z）、兩根接收（A、B），由于采用單獨的發送和接收通道，所以不必控制數據方向，可以同時收和發（全雙工）。各裝置之間的任何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）實現。

RS-422接口需要有一終接電阻，要求其阻值等于傳輸電纜的特性阻抗（100Ω），終接電阻接在傳輸電纜的最遠端。在300m以下短距離傳輸時可不需終接電阻。計算機側RS-422串行通信接口的插口是25針公插；設備側RS-422串行接口插頭是25針母插。

RS-485和RS-422信息傳輸均采用差分傳輸（平衡傳輸）方式，有A，B兩個引腳。

發送端A、B間的電壓差為：+2～+6V，為邏輯“1”；-2～-6V，為邏輯“0”。

接收端A、B間的電壓差為：大于+200mV，為邏輯“1”；小于-200mV，為邏輯“0”。

定義邏輯“1”為B＞A的狀態。定義邏輯“0”為A＞B的狀態。AB之間的電壓差不小于200mV。

2.RS-485接口

RS-485是從RS-422基礎上發展而來的，因此RS-485的許多電氣規定與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，四線制可實現真正的多點雙向通信。

RS-485與RS-422的不同處在于其共模輸出電壓不同，RS-485是-7～+12V之間，而RS-422在-7～+7V之間；RS-485能滿足所有RS-422的規范，所以RS-485的驅動器可以用在RS-422網絡中。

RS-485在多點互連互通使用時非常方便，可以省掉許多信號線。RS-485可以聯網構成分布式系統，允許最多并聯32臺驅動器和32臺接收器。

RS-485網絡拓撲一般采用終端匹配的總線型結構，不支持環形或星形網絡。采用一條雙絞線電纜作總線，將各個結點串接起來，從總線到每個結點的引出線長度應盡量短。應注意總線特性阻抗的連續性，在阻抗不連續點會發生信號反射。下列幾種情況易產生這種不連續性：總線的不同區段采用了不同電纜，或某一段總線上有過多收發器緊靠在一起安裝，或者是過長的分支線引到總線。

RS-485與RS-422一樣，其最大傳輸距離約為1219m，最大傳輸速率為10Mbit/s。平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在100kbit/s速率以下，才可能使用規定最長的電纜長度。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100m長雙絞線最大傳輸速率僅為1Mbit/s。

RS-485采用平衡發送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發器具有高靈敏度，能檢測低至200mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復。在要求通信距離為幾十米到上千米時，廣泛采用RS-485串行總線標準。

二線方式的RS-485采用結點發送器和接收器共用一對雙絞線，結點要么在發送狀態，要么在接收狀態，所以是半雙工雙向通信工作方式，任何時候只能有一點處于發送狀態，因此，發送電路須由“使能”信號加以控制?！笆鼓堋倍耸怯糜诳刂瓢l送驅動器與傳輸線的切斷與連接。當“使能”端起作用時，發送驅動器處于高阻狀態，稱作“第三態”，即它是有別于邏輯“1”與“0”的第三態。

3.5.3 串口的擴展

一般一臺計算機有兩個串口，而對于一臺播控計算機需要控制的設備遠遠不止兩臺設備，需要同時控制視頻服務器、錄像機、切換臺、字幕機等各種設備。所以就需要對串口進行擴展，通?？梢允褂么跀U展卡對串口進行擴展，比如在播控系統中可使用MOXACI-134串口擴展卡。

MOXACI-134是專為工業環境通信應用設計的RS-422/485四串口卡。它支持4個獨立的RS-422/485串口，在一點對多點的通信應用中，最多可控制128個設備。為使RS-485的2線半雙工操作變得更加簡單，每片CI-134卡都具有數據流向自動控制（ADDC），不需軟件操作。因此，在Windows應用下不需額外的編碼就能控制RS-485半雙工協議。為達到工業環境對高可靠性產品的要求，可選擇光電隔離（2kV）和浪涌保護（25kVESD）功能。