RS-232串行通信基础知识

由于其相对简单和低硬件开销（与并行接口相比），串行通信在电子行业中被广泛使用。今天，最流行的串行通信标准当然是EIA/TIA-232-E规范。该标准由电子工业协会和电信工业协会（EIA/TIA）制定，通常简称为RS-232，其中RS代表“推荐标准”。 尽管近年来此RS前缀已被EIA / TIA取代以帮助识别标准的来源，但本文使用通用的RS-232表示法。

介绍

EIA/TIA-232-E标准的正式名称是“采用串行二进制数据交换的数据终端设备和数据电路终端设备之间的接口”。虽然这个名字听起来可能令人生畏，但该标准只涉及主机系统（数据终端设备或DTE）和外围系统（数据电路终端设备或DCE）之间的串行数据通信。

EIA/TIA-232-E标准于1962年推出，此后已更新四次，以满足串行通信应用不断变化的需求。标准名称中的字母“E”表示这是标准的第五次修订。

RS-232规格

RS-232是一个完整的标准。这意味着该标准通过指定以下内容来确保主机和外围系统之间的兼容性：

常见电压和信号电平

常见引脚接线配置

主机和外围系统之间的控制信息量极少。

与许多仅指定给定接口的电气特性的标准不同，RS-232规定了电气，功能和机械特性以满足上述三个标准。下面将讨论RS-232标准的这些方面。

电气特性

RS-232标准的电气特性部分规定了电压电平、信号电平变化率和线路阻抗。

由于最初的RS-232标准是在1962年和TTL逻辑时代之前定义的，因此该标准不使用5V和接地逻辑电平也就不足为奇了。相反，驱动器输出的高电平定义为+5V至+15V之间，驱动器输出的低电平定义为-5V至-15V之间。接收器逻辑电平被定义为提供2V噪声容限。因此，接收器的高电平定义为+3V至+15V，低电平定义为-3V至-15V。图1显示了RS-232标准定义的逻辑电平。需要注意的是，对于RS-232通信，低电平（-3V至-15V）被定义为逻辑1，历史上称为“标记”。类似地，高电平（+3V至+15V）定义为逻辑0，称为“间隔”。

图1.RS-232 逻辑电平规范。

RS-232标准还限制了驱动器输出端的最大压摆率。包括此限制是为了帮助降低相邻信号之间发生串扰的可能性。上升和下降时间越慢，串扰的机会就越少。考虑到这一点，允许的最大压摆率为30V/ms。此外，标准定义了最大数据速率 20kbps ，再次减少串扰的机会。

驱动器和接收器之间接口的阻抗也已定义。驱动器看到的负载额定值为3kΩ至7kΩ。在最初的RS-232标准中，驱动器和接收器之间的电缆长度规定为最大15米。修订版“D”（EIA/TIA-232-D）更改了标准的这一部分。该标准没有指定电缆的最大长度，而是指定最大容性负载为2500pF，这显然是一个更合适的规格。最大电缆长度由电缆每单位长度的电容决定，该电容在电缆规格中提供。

表1总结了当前标准中的电气规格。

功能特点

由于RS-232是一个完整的标准，因此它不仅仅包括电气特性规格。该标准还解决了接口的功能特性，上面列表中的#2。这实质上意味着RS-232定义了接口中使用的不同信号的功能。这些信号分为四个不同的类别：公共、数据、控制和定时。见表2。该标准提供丰富的控制信号，并支持一级和二级通信通道。幸运的是，很少有应用（如果有的话）需要所有这些定义的信号。例如，典型调制解调器仅使用八个信号。稍后将讨论如何在实际应用中使用RS-232标准的示例。此处包含已定义信号的完整列表作为参考。然而，回顾所有这些信号的功能超出了本文的范围。

机械接口特性

RS-232涵盖的第三个领域是机械接口。具体来说，RS-232指定25引脚连接器作为最小连接器尺寸，可以容纳标准功能部分中定义的所有信号。此连接器的引脚分配如图 2 所示。DCE 设备的连接器为连接器外壳的公头和连接引脚的母头。同样，DTE 连接器是带有公连接引脚的母外壳。虽然RS-232指定了25位连接器，但通常不使用此连接器。大多数应用不需要所有定义的信号，因此 25 引脚连接器大于必要值。因此，通常使用其他连接器类型。也许最受欢迎的连接器是 9 位 DB9S 连接器，如图 2 所示。例如，这种 9 位连接器为调制解调器应用提供了发送和接收必要信号的方法。稍后将更详细地讨论这种类型的pf应用程序。

图2.RS-232 连接器引脚分配。

RS-232 IC设计的演变

稳压电荷泵

原来的MAX232驱动器/接收器及其相关器件只需将输入电压加倍并反相，即可为RS-232驱动器电路供电。这种设计使电压比实际需要的要大得多;它浪费了电力。EIA-232电平定义为±5V至5kΩ。凭借新的低压差输出级，Maxim推出了带有内部电荷泵的RS-232收发器，可提供稳定的±5.5V输出。这种设计允许变送器输出以最小的电源电流保持RS-232兼容电平。

低电压操作

新型稳压电荷泵和低压差发送器的输出电压降低，允许使用降低的电源电压。Maxim最新的大多数RS-232收发器工作在低至+3.0V的电源电压。

自动关机™

在延长电池寿命的永无止境的战斗中，Maxim开创了一种称为自动关机的威廉希尔官方网站 。当器件未检测到有效的RS-232活动时，它将进入低功耗关断模式。RS-232 有效输出向系统处理器指示电缆另一端是否连接了活动的 RS-232 端口。MAX3212更进一步：包括一个转换检测电路，其锁存输出作为中断，可在任何输入线路发生状态变化时唤醒系统。

自动关机增强版™

基于自动关断功能的成功，具有Maxim自动关断增强功能的器件可实现1μA电源电流。当RS-232电缆断开或所连接外设的发射器处于非活动状态时，或者当驱动发射器输入的UART处于非活动状态超过30秒时，这些器件会自动进入低功耗关断模式。当器件检测到任何发射器或接收器输入的有效转换时，它们会再次打开。AutoShutdown Plus 无需更改现有 BIOS 或操作系统即可节省电量。

兆波特

超越EIA-232规范的是兆波特模式，它允许驱动器压摆率增加，从而提供高达1Mbps的数据速率。兆波特模式对于高速外围设备（如DSL或ISDN调制解调器）之间的短距离通信非常有用。

高静电放电

一些IC设计用于提供高ESD保护。这些IC使用人体模型和IEC 15-801气隙放电方法指定并实现±2kV ESD保护。Maxim的高ESD保护功能免除了对TransZorbs等昂贵外部保护器件的需求™，同时防止代价高昂的现场故障。

支持问题

电容器选择

Maxim RS-232收发器的电荷泵依靠电容来转换和存储能量，因此选择这些电容会影响电路的整体性能。尽管一些数据手册在其典型应用电路中标明了极化电容器，但此信息仅针对希望使用极化电容器的客户显示。实际上，陶瓷电容器最适合大多数Maxim RS-232 IC。

选择陶瓷电容器也很重要。Z5U和Y5V的电容器介电类型是不可接受的，因为它们具有令人难以置信的电压和温度系数。X5R 和 X7R 型提供必要的性能。

未使用的输入

RS-232接收器输入包含一个内部5kΩ下拉电阻。如果此接收器输入未使用，则可以将其保持浮动状态而不会引起任何问题。CMOS发射器输入是高阻抗的，必须被驱动到有效的逻辑电平才能使IC正常工作。如果发射器输入未使用，请将其连接到V抄送或接地。

布局指南

出于布局目的，Maxim RS-232 IC应像DC-DC转换器一样对待。必须分析电荷泵周期的充电和放电阶段的交流电流。为了便于简单有效地布局，Maxim可以方便地将所有关键引脚放置在靠近其外部元件的位置。

微型封装的RS-232收发器

低功耗RS-232收发器采用节省空间的芯片级（UCSP）、TQFN和TSSOP封装。MAX3243E采用32引脚（7mm x 7mm）薄型QFN封装，比TSSOP方案节省20%的电路板空间。MAX3222E也提供20引脚（5mm x 5mm）TQFN封装，可改善电路板空间，从而节省40%的电路板空间。其他收发器器件系列采用TQFN封装，MAX3222E和MAX3232E具有两个驱动器和两个接收器，MAX3221E具有单驱动器和单接收器，具有自动关断功能，可将电源电流降至1μA（见表3）。这些RS-232收发器是电池供电设备的理想选择。

MAX3228E/MAX3229E系列采用30焊球（3mm x 2.5mm）UCSP封装，可节省约70%的电路板空间，非常适合笔记本电脑、手机和手持设备等空间受限的应用。低功耗RS-232收发器采用节省空间的UCSP，具有1μA的低关断电源电流，是超低功耗系统应用的理想选择。

实用的RS-232实施

目前设计的大多数系统都不使用RS-232电压电平运行。因此，电平转换是实现RS-232通信所必需的。电平转换由特殊的RS-232 IC执行，该IC具有产生RS-232所需电压电平的线路驱动器和可以接收RS-232电压电平而不会损坏的线路接收器。这些线路驱动器和接收器通常也会反转信号，因为用于RS-1通信的逻辑232由低电压电平表示，而逻辑0由高逻辑电平表示。

图3显示了RS-232线路驱动器/接收器在典型调制解调器应用中的功能。在本例中，串行通信所需的信号由通用异步接收器/发射器（UART）生成和接收。RS-232线路驱动器/接收器IC在CMOS/TTL和RS-232接口之间执行必要的电平转换。

图3.典型的RS-232调制解调器应用。

UART执行异步串行通信所需的“开销”任务。例如，异步通信通常要求主机系统启动启动和停止位，以向外围系统指示通信何时开始和停止。奇偶校验位也经常用于确保发送的数据未被损坏。UART通常在传输数据时生成开始位、停止位和奇偶校验位，并且可以在接收数据时检测通信错误。UART还充当字节宽（并行）和位宽（串行）通信之间的中介;它将一个字节的数据转换为串行比特流进行传输，并在接收时将串行比特流转换为一个字节的数据。

现在，已经提供了TTL/CMOS到RS-232接口的基本解释，我们可以考虑一些实际的RS-232应用。在上面的功能特性部分已经指出，RS-232应用很少精确地遵循RS-232标准。通常省略不必要的RS-232信号。许多应用（如调制解调器）只需要九个信号（两个数据信号、六个控制信号和地）。其他应用只需要五个信号（两个用于数据，两个用于握手和接地），而其他应用只需要没有握手控制的数据信号。我们从考虑典型的调制解调器应用开始对实际实现的调查。

调制解调器应用中的 RS-232

调制解调器应用是RS-232标准最受欢迎的用途之一。图4所示为典型的调制解调器应用。从图中可以看出，PC 是 DTE，调制解调器是 DCE。每台PC与其相关调制解调器之间的通信使用RS-232标准完成。两个调制解调器之间的通信是通过电信完成的。应该注意的是，尽管微控制器通常是RS-232应用中的DTE，但这并不是由对标准的严格解释强制要求的。

图4.两台 PC 之间的调制解调器通信。

虽然一些设计人员选择在此应用中使用 25 引脚连接器，但这不是必需的，因为 DTE 和 DCE 之间只有 9 个接口信号（包括接地）。考虑到这一点，许多设计人员使用 15 针或 2 针连接器。（上面的图 9 显示了 3 针连接器设计。调制解调器通信中使用的“基本九个”信号如上图232所示;DTE 需要三个 RS-232 驱动器和五个接收器。这些信号的功能如下所述。请注意，对于以下信号描述，ON是指高RS-5电压电平（+15V至+232V），OFF是指低RS-5电压电平（-15V至-232V）。请记住，高RS-0电压电平实际上表示逻辑232，而低RS-1电压电平表示逻辑<>。

传输数据 （TD）：两个独立数据信号之一，此信号由 DTE 生成并由 DCE 接收。

接收数据 （RD）：两个独立数据信号中的第二个，此信号由 DCE 生成并由 DTE 接收。

发送请求 （RTS）：当主机系统 （DTE） 准备好将数据传输到外围系统 （DCE） 时，RTS 将打开。在单工和双工系统中，此条件使 DCE 保持接收模式。在半双工系统中，此条件使 DCE 保持在接收模式并禁用传输模式。OFF 条件使 DCE 保持处于传输模式。断言 RTS 后，DCE 必须先断言 CTS，然后才能开始通信。

清除发送 （CTS）：CTS 与 RTS 一起使用，以在 DTE 和 DCE 之间提供握手。DCE 看到断言的 RTS 后，会在准备好开始通信时打开 CTS。

数据集就绪 （DSR）：DCE 打开此信号，以指示它已连接到电信线路。

数据载波检测 （DCD）：当 DCE 从满足其合适信号标准的远程 DCE 接收信号时，此信号将打开。只要可以检测到合适的载波信号，该信号就会保持ON状态。

数据终端就绪 （DTR）：DTR 指示 DTE 的就绪情况。当 DTE 准备好从 DCE 发送或接收数据时，此信号由 DTE 打开。DTR 必须处于打开状态，DCE 才能断言 DSR。

振铃指示器 （RI）：断言时，RI 表示通信信道上正在接收振铃信号。

上述信号构成了调制解调器通信的基础。也许了解这些信号如何相互作用的最佳方法是检查调制解调器与PC接口的分步示例。以下步骤描述远程调制解调器调用本地调制解调器的事务。

本地 PC 使用软件来监控 RI（环形指示）信号。

当远程调制解调器想要与本地调制解调器通信时，它会生成 RI 信号。此信号由本地调制解调器传输到本地 PC。

本地 PC 在准备好通信时通过断言 DTR（数据终端就绪）信号来响应 RI 信号。

识别断言的 DTR 信号后，调制解调器在连接到通信线路后通过断言 DSR（数据集就绪）进行响应。DSR 向 PC 指示调制解调器已准备好与 DTE 交换进一步的控制信号以开始通信。断言 DSR 后，PC 开始监视 DCD，以指示数据正在通过通信线路发送。

调制解调器在从远程调制解调器接收到满足适当信号标准的载波信号后，断言DCD（数据载波检测）。

此时可以开始数据传输。如果本地调制解调器具有全双工功能，则 CTS（清除发送）和 RTS（请求发送）信号将保持断言状态。如果调制解调器只有半双工功能，CTS 和 RTS 将提供控制数据流方向所需的握手。数据通过RD和TD信号传输。

数据传输完成后，PC 将禁用 DTR 信号。调制解调器随后抑制DSR和DCD信号。此时，PC 和调制解调器处于步骤 1 中所述的原始状态。

RS-232在最小握手应用中的应用

尽管由于所需的信号数量，上述调制解调器应用从RS-232标准简化而来，但它仍然比许多系统要求更复杂。对于许多应用，只需两条数据线和两条握手控制线即可建立和控制主机系统和外围系统之间的通信。例如，环境控制系统可能需要使用半双工通信方案与恒温器接口。有时控制系统从恒温器读取温度，有时将温度跳变点加载到恒温器。在这种类型的简单应用中，只需要五个信号（两个用于数据，两个用于握手控制和接地）。

图5显示了一个简单的半双工通信接口。可以看出，数据通过TD（传输数据）和RD（接收数据）引脚传输，RTS（准备发送）和CTS（清除发送）引脚提供握手控制。RTS由DTE驱动，用于控制数据的方向。断言时，DTE 将置于传输模式。当 RTS 被禁止时，DTE 将置于接收模式。由 DCE 生成的 CTS 控制数据流。断言时，数据可以流动。但是，当 CTS 被禁止时，数据传输就会中断。在重新声明 CTS 之前，数据传输将停止。

图5.半双工通信方案。

RS-232 应用限制

自RS-232标准推出以来的四十多年里，电子行业发生了巨大的变化。因此，RS-232标准存在一些限制。一个限制 - 标准已经定义了二十多个信号 - 已经得到解决。设计人员根本不使用所有信号或 25 引脚连接器。

标准中的其他限制不一定那么容易纠正。

生成 RS-232 电压电平

如电气特性部分所述，RS-232不使用TTL和CMOS设计中实现的传统0V和5V电平。对于逻辑5，驱动器必须提供+15V至+0V的电源，对于逻辑5，驱动器必须提供-15V至-1V的电源。这意味着需要额外的电源来驱动RS-232电压电平。通常，+12V和-12V电源用于驱动RS-232输出。对于对这些电源没有其他要求的系统来说，这是一个很大的不便。考虑到这一点，达拉斯半导体制造的RS-232产品具有片上电荷泵电路，可为RS-232通信产生必要的电压电平。第一个电荷泵基本上是标准+5V电源的两倍，以提供驱动逻辑0所需的电压电平。第二个电荷泵反相该电压，并提供驱动逻辑1所需的电压电平。这两个电荷泵允许RS-232接口产品采用+5V单电源供电。

最大数据速率

RS-232标准的另一个限制是最大数据速率。该标准定义了20kbps的最大数据速率，这对于当今的许多应用来说都是不必要的慢。达拉斯半导体制造的RS-232产品保证高达250kbps，通常可以通信高达350kbps。在此频率下提供通信速率的同时，器件仍保持最大30V/ms的最大压摆率，以降低相邻信号之间发生串扰的可能性。

最大电缆长度

正如我们所看到的，曾经包含在RS-232标准中的电缆长度规格已被2500pF的最大负载电容规格所取代。要确定允许的电缆总长度，必须确定总线路电容。图6显示了导体总线路电容的简单近似值。可以看出，总电容近似为信号导体和导体之间的互电容之和，以屏蔽电容（或非屏蔽电缆情况下的杂散电容）。

例如，假设用户决定在互连设备时使用非屏蔽电缆。电缆的互电容 （Cm） 在电缆的规格中为每英尺 20pF。假设接收器的输入电容为20pF，则用户将有2480pF用于互连电缆。根据图6中的公式，每英尺的总电容为30pF。将 2480pF 除以 30pF 显示最大电缆长度约为 80 英尺。如果需要更长的电缆长度，用户必须找到互电容较小的电缆。

图6.接口电缆电容型号，每单位长度。

审核编辑：郭婷