如何利用 UART 和线路驱动器来实现常用工业控制接口协议

对于工业检测和控制，通信总线面临诸多挑战。例如，数百甚至数千英尺的布线稀松平常，而恶劣的操作环境简直堪称工业环境的代名词。工业设备往往需要在宽温度范围内工作；无论电源线路还是信号线路均存在较高的电噪声；电磁干扰 （EMI）、静电放电 （ESD） 或短路等故障事件频发。

使用基于通用异步接收器/发射器 （UART） 的可靠串行接口即可解决这些问题。有些供应商也将 UART 称作异步通信元件 （ACE）。UART 可以是 Texas Instruments 的 TL16C752D 一类的独立器件，也可以如 Microchip Technology 的 PIC16F688T-I/SL 一样集成在微控制器中。

只要线路驱动器使用得当，UART 即可实现远距离通信：使用 RS-232 串行数据总线，可传输 15 m；使用 RS-485 或 RS-422 接口，则可传输 1000 m。这三种协议均在工厂自动化应用中用于控制远程设备和控制器，旨在最大限度地降低最恶劣环境中的 EMI 和 ESD 的影响。

RS-232

RS-232 串行通信标准现在也称为 EIA/TIA-232-F，是由美国电子工业协会/电信工业协会公布的一项标准。字母 F 表示为最新版本。该标准与国际电信联盟 （ITU） 的 V.24 和 V.28 标准具有等效性。最初，该接口作为个人电脑的串行总线，用于连接计算机（术语称作数据终端设备 （DTE））与调制解调器（称作数据通信设备 （DCE））。

EIA/TIA-232-F 定义了物理层的标准，包括信号电平和时序、控制信号、连接器及其接线，但没有定义字符编码、组帧等协议层的其他方面。典型的异步串行总线包括 UART 或 ACE、线路驱动器、连接器及电缆（图 1）。

UART/ACE 将计算机内部并行总线转换为串行数据流。此外，还提供输入和输出先进先出 （FIFO） 存储缓冲器、接口时钟（一般称为波特率发生器）、接口时序和握手信号。UART/ACE 的模拟输入和输出可以由线路驱动器提供缓冲。DTE 的输出称为发送信号 （TX），而输入称为接收信号 （RX）。接口电缆的最大长度以 15 米为限。电缆的长度决定了通过接口总线能够可靠传输的最大数据速率。

RS-232 接口通过全双工连接来接通两台设备，因而每台设备可以同时发送和接收。RS-232 串行数据包由 1 个起始位、5 至 8 个数据位、1/1.5/2 个停止位和 1 个奇偶校验位组成（图 2）。

RS-232 电缆至少需要三芯线：一根用于发送，一根用于接收，还有一根用于信号接地。接地线是两条信号线的回路。

RS-232 的许多特性与其最初在电信领域中的应用有关。该标准使用负逻辑，高电平称为空号，低电平称为传号。中性或空闲状态为高电平，因此可以远程验证互连。在发送端，逻辑 0（空号）的电平范围在 +5 至 +15 V 之间，逻辑 1（传号）的电平范围在 -5 至 -15 V 之间。在接收端，3 至 15 V 的电平表示 0，-3 至 -15 V 表示 1。

因为没有发送时钟信号，术语称这种传输为异步传输。RS-232 要求总线两端设置特定时钟或波特率。波特率衡量每秒传输的符号数量；对于 RS-232，波特率约等于时钟频率。常见的波特率有 300、600、1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600、115200、230400、460800 和 921600 波特。

时钟频率越高，电缆长度越受限。例如，在 9600 波特时，可以使用的最长电缆为 15 米。提高波特率，电缆最大长度就相应缩短。

RS-232 控制信号

RS-232 规定了若干控制信号。这些信号用于报告 DTE 和 DCE 设备的状态，并通过基于硬件的握手来确定数据传输速率（表 1）。

硬件握手通过请求发送 （RTS） 和允许发送 （CTS） 流控制信号来实现，以确保两台设备都已做准备好传输数据，并且接收设备已经收到数据。硬件握手通过以下操作实现：

数据终端设备将 RTS 线设置为逻辑 “1”，即“传号”状态

数据通信设备将 CTS 线设置为逻辑 “1”，即“传号”状态

数据终端设备将数据终端就绪 （DTR） 线设置为逻辑 “1”，即“传号”状态，并在整个数据传输期间保持该状态

传输结束时，数据终端设备将 DTR 和 RTS 线恢复为逻辑 “0”，即“空号”状态

数据通信设备将 CTS 线恢复为逻辑 “0”，即“空号”状态

RS-232 还能通过软件握手来控制数据流。在这种方式下，XON（ASCII DC1，十六进制数 11）和 XOFF（ASCII DC3，十六进制数 13）字符以数据流形式发送，数据传输类似同步传输。

UART 功能框图

Texas Instruments 的 TL16C752D 是一款双通道 UART，具有 64 字节的接收和发送 FIFO，数据速率高达 3 Mb/s（图 3）。

每 UART 通道都具有独立的波特率发生器，可由软件进行控制。数据总线接口将并行数据转换为串行数据，并同时馈入两个 UART 通道。每个通道都具有独立的控制线。TL16C752D 的工作电压范围为 1.8 V 至 5.5 V，工作温度范围为 -40°C 至 85°C。

基于微控制器的 UART

Microchip Technology 的 PIC16F688T-I/SL 等许多微控制器都包括串行数据接口，可用于与监视器、外部模数转换器 （ADC）、数模转换器 （DAC） 或其他微控制器进行通信（图 4）。

EUSART 有时也称为串行通信接口 （SCI），可以配置为全双工异步或半双工同步串行数据链路。PIC16F688T-I/SL 的 EUSART 包含了执行输入或输出串行数据传输所需的全部移位寄存器、时钟发生器和数据缓冲器，且与微控制器程序执行无关。此外，还具有一个双字符接收缓冲器和一个单字符发送缓冲器。全双工异步接口可用于与监视器等外设进行通信，这是该微控制器串行接口的主要应用。

线路驱动器

线路驱动器可作为发送和接收信号的缓冲器，从而增强 UART 的功能。由于线路驱动器可以在 RS-232 的所有电平规格下工作，因此十分有用。Texas Instruments 的 MAX232DR 双通道 RS-232/TIA/EIA-232-F 收发器是这类器件的一个范例（图 5）。

在需要较高电压的工业应用中，MAX232DR 线路驱动器/接收器具有明显优势，因为该器件能承受高达 ±30 V 的输入电压。该器件包括一个电容式电压发生器，采用 5 V 单电源供电，使用四个外部电容器，在输出端提供 -5 V 至 -7 V 和 +5 V 至 +7 V 的 RS-232 电平。

差分信号

RS-232 的发送和接收线使用单端连接。采用此类单端连接时，信号电压是以线-地电压来衡量。在工业环境中，RS-232 信号线会带入很多噪声，因此需要限制总线的长度。克服这一限制的经典方法是使用差分信号。

差分总线的每路信号由两条线组成，信号电压则是以两条信号线之间的电压差来衡量。对于两条信号线而言，噪声和串扰一般是相同的，因此差分测量几乎可以完全消除这些相同的干扰信号，从而显著降低了噪声和串扰的幅度。此外，差分电缆还带有屏蔽，可进一步降低噪声和干扰的带入。

使用差分信号线的常用数据总线标准有两种：RS-422 （TIA/EIA-422） 和 RS-485 （TIA/EIA-485），后者是最常见的工业串行总线。这些标准的传输线使用双绞线，连接设备最远可以相距 1200 m （4000 ft）。这两项标准的最大数据速率均达 10 Mb/s。上述三种串行总线的比较如下所示（表 2）。

RS-422 和 RS-485 的区别在于，RS-485 可以与多达 32 台收发器配合使用（若采用总线扩展器，可以连接更多收发器），而 RS-422 总线上最多只能连接 10 台接收器。全双工模式下的 RS-485 需要四芯线，而半双工模式下只需要两芯线；RS-422 也只需要两芯线（图 6）。

差分总线的每路发送或接收信号线均需使用两芯线，如图所示。全双工操作需要四芯线，而半双工只需要两芯线。由于 RS-422 和 RS-485 的传输速率较高，传输线的两端都必须端接。对于双绞线，端接电阻 RT 为 120 Ω。由于 TL16C752D 接口 IC 具有双通道 UART 配置，因此可以推断该器件具有 RS-485 模式。这也是许多 UART 和相关线路驱动器采用双通道配置的原因。

RS-422 发送器端的电平为 ±6 V，而 RS-485 为 -7 至 +12 V。在接收器端，两项标准的灵敏度均为 ±200 mV。

总结

无论距离远近，RS-232、RS-422 和 RS-485 三种串行接口均可为串行通信提供多种可靠选择。UART 为这三项标准夯实了基础，从而可以在设计中轻松增加串行通信，尤其是那些针对恶劣工业环境的设计。