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第一章 串口基本概念
第三节 串行通信接口标准
主讲教师: 张 辉
办公地点：北科大机电楼1218A室
办公电话：010-62332730
联系电话：13671391346
Email: zhanghui56@
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RS-485标准标准
RS-422标准标准
RS-232C标准标准
三个标准的区别三个标准的区别
RS-422与与RS-485RS-485的安装的安装
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串口标准发展概况
串口标准发展概况
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串口标准发展概况
在数据通信、计算机网络以及分布式工业控制系统中，经常采
用串行通信来交换数据和信息。串行通信接口标准经过使用和
发展，目前已经有几种，如：
1. EIA RS-232-C
2. RS-422-A
3. EIA RS-423A
4. EIA RS-485
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串口标准发展概况
RS-232C
RS422
RS423
RS449
RS485
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串口标准发展概况
1969年，RS-232C作为串行通信接口的电气标准定义了：
1. 数据终端设备(Data Terminal Equipment，DTE)和数据通信设备
(Data Communications Equipment，DCE)间按位串行传输的接口
信息；
2. 合理安排了接口的电气信号和机械要求，在世界范围内得到了
广泛的应用。
优点：
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串口标准发展概况
1. 但它采用单端驱动非差分接收电路，因而存在着传输距离不太
远(最大传输距离15 m)和传送速率不太高(最大位速率为20 kb/s)
的问题。
2. 而远距离串行通信必须使用MODEM，增加了成本。
3. 在分布式控制系统和工业局部网络中，传输距离常介于近距离
(＜20 m)和远距离(＞2 km)之间的情况，这时RS-232C（25脚连
接器)不能采用，用MODEM又不经济，因而需要制定新的串行
通信接口标准。
缺点：
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串口标准发展概况
1977年，美国电子工业协会(electronic industry association，EIA)
制定了RS-449。它除了保留与RS-232C兼容的特点外，还在提
高传输速率，增加传输距离及改进电气特性等方面作了很大努
力，并增加了10个控制信号。与RS-449同时推出的还有RS-422
和RS-423，它们是RS-449的标准子集。
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串口标准发展概况
为改进RS-232通信距离短、速率低的缺点：
1. RS-422标准规定采用平衡驱动差分接收电路，将传输速率提高
到10 Mb/s，传输距离延长到4000英尺（速率低于100 kb/s时）
；
2. 并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器；
3. RS-422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范，被
命名为TIA/EIA-422-A标准。
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串口标准发展概况
1. RS-423标准规定采用单端驱动差分接收电路，其电气性能与
RS-232C几乎相同，两者均是全双工的 ；
2. 并设计成可连接RS-232C和RS-422。它一端可与RS-422连接，
另一端则可与RS-232C连接，提供了一种从旧技术到新技术过
渡的手段；
3. 同时又提高位速率(最大为300 kb/s)和传输距离(最大为600 m)。
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串口标准发展概况
1. EIA又于1983年在RS-422基础上制定了RS-485 标准，增加了多
点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上 ；
2. 同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共
模范围，后命名为TIA/EIA-485-A标准；
3. 因RS-485为半双工的，当用于多站互连时可节省信号线，便于
高速、远距离传送。
4. 许多智能仪器设备均配有RS-485总线接口，将它们联网也十分
方便。
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串口标准发展概况
串行通信由于接线少、成本低，在数据采集和控
制系统中得到了广泛的应用，产品也越来越丰
富多样。
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RS-232C标准
RS-232C标准
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RS-232C标准
RS-232C标准的全称是EIA-RS-232C标准，其中EIA
代表美国电子工业协会，RS（recommended standard）
代表推荐标准，232是标识号，C代表RS232的最新一
次修改（1969），说明在此之前有RS-232A和RS-232B
两个标准。
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RS-232C标准
RS-232C标准的全名是“数据终端设备和数据通信设
备之间串行二进制数据交换接口技术标准”，它是目前
最常用的一种串行通信接口。1969年正式公布实施，在
1970年由美国电子工业协会联合贝尔系统、调制解调器
厂家及计算机终端生产厂家共同制定。该标准规定了串
行通信接口的连接电缆、机械特性、电气特性、信号功
能及传送过程。
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RS-232C标准
最初，该标准规定采用一个25个脚的DB25连接器，对连
接器的每个引脚的信号内容加以定义，还对各种信号的电
平加以规定，适合于数据传输速率在0～20000 b/s范围内
的通信；之后，IBM的PC机将RS-232 简化成了DB-9连接
器，从而成为事实标准；而工业控制的RS-232一般只使用
RxD、TxD和GND三条线。
25针 9针 3针
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RS-232C标准
RS-232C标准最初是为远程通信连接数据终端设备与数据通信设备而制定的。因
此这个标准的制定，并未考虑计算机系统的应用要求，但目前它又广泛地被借来
用于计算机（更准确的说，是计算机接口）与终端或外设之间的近端连接标准。
显然，这个标准的有些规定和计算机系统是不一致的，甚至是相矛盾的，因此，
有时RS-232C标准会出现计算机不兼容的问题。RS-232C标准中所提到的“发送
”和“接收”，都是站在DTE立场上，而不是站在DCE的立场来定义的。由于在
计算机系统中，往往是CPU和I/O设备之间传送信息，两者都是DTE，因此双方
都能发送和接收。
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RS-232C标准
电气特性
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RS-232C标准
1. EIA-RS-232C对电器特性、逻辑电平和各种信号功能都作了
规定。
在TxD和RxD上：
逻辑1(MARK)=-3V～-15V
逻辑0(SPACE)=+3～+15V
2. 在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上：
信号有效（接通，ON状态，正电压） = +3V～+15V；
信号无效（断开，OFF状态，负电压) = -3V～-15V。
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RS-232C标准
以上规定说明了RS-323C标准对逻辑电平的定义。
1. 对于数据（信息码），逻辑“1”（传号）的电平低于-3V，
逻辑“0”（空号）的电平高于+3V；
2. 对于控制信号，接通状态（ON），即信号有效的电平高于
+3V，断开状态(OFF)，即信号无效的电平低于-3V，也就是当传
输电平的绝对值大于3V时，电路可以有效地检查出来，介于-3
～+3V之间的电压无意义，低于-15V或高于+15V的电压也认为
无意义，因此，实际工作时，应保证电平在±(3～15)V之间。
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RS-232C标准
EIA-RS-232C是用正负电压来表示逻辑状态，与晶体管-晶体
管逻辑集成电路（TTL)以高低电平表示逻辑状态的规定正好相
反。因此，为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接，必
须在EIA-RS-232C与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。
实现这种变换的方法可用分立元件，也可用集成电路芯片。
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RS-232C标准
图1‑13 MC1488和MC1489芯片的内部结构和引脚示意图
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RS-232C标准
EIA-RS-232C是用正负电压来表示逻辑状态，与晶体管-晶体
管逻辑集成电路（TTL)以高低电平表示逻辑状态的规定正好相
反。因此，为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接，必
须在EIA-RS-232C与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。
实现这种变换的方法可用分立元件，也可用集成电路芯片。连
接器。
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RS-232C标准
连接器的机械特性
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RS-232C标准
由于RS-232C并未定义连接器的物理特性，因此，出现了DB-
25、DB-15和DB-9各种类型的连接器，其引脚的定义也各不相同，
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RS-232C标准
DB-25。
PC和XT机采用DB-25型连接器，DB-25连接器定义了25根信
号线，分为4组：
① 异步通信的9个电压信号（含信号地SG）2，3，4，5，6，
7，8，20，22；
② 20 mA电流环信号 9个（12，13，14，15，16，17，19，23
，24）；
③ 空6个（9，10，11，18，21，25）；
④ 保护地（PE）1个，作为设备接地端（1）。
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RS-232C标准
DB-25型连接器的外形及信号线分配如上图所示。注意，
20 mA电流环信号仅IBM PC和IBM PC/XT机提供，至AT机及以
后，已不支持。
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RS-232C标准
在AT机及以后，不支持20 mA电流环接口，使用DB-9连接器，作为提供多功能
I/O卡或主板上COM1和COM2两个串行接口的连接器。它只提供异步通信的9个信号。
DB-9型连接器的引脚分配与DB-25型引脚信号完全不同。因此，若与配接DB-25型连
接器的DCE设备连接，必须使用专门的电缆线。
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RS-232C标准
通常，一些设备与PC机的RS-232口相连时，由于不使用控制信号，因
此，只需三条接口线，即发送数据TxD、接收数据TxD和信号地GND。RS-
232 传输线采用屏蔽双绞线。
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RS-232C标准
RS-232C标准规定，若不使用MODEM，在码元畸变小于4%的情况下，
DTE和DCE之间最大传输距离为15 m（50英尺）。可见这个最大的距离是在
码元畸变小于4%的前提下给出的。为了保证码元畸变小于4%的要求，接口
标准在电气特性中规定，驱动器的负载电容应小于2500 pF，此时的通信速率
低于20 kb/s。其实，4%的码元畸变是很保守的，在实际应用中，约有99%的
用户是按码元畸变10~20%的范围工作的，因此，实际传输的最大距离会远超
过15 m。
最大直接传输距离
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RS-232C标准
美国DEC公司曾规定允许码元畸变为10%，采用两种电缆测得信号的
最大传输距离，实验结果如表1‑4所示。其中1#电缆为屏蔽电缆，内有三对双
绞线，每对由22#AWG组成，外层覆以屏蔽网；2#电缆为不带屏蔽的电缆，
内有22#AWG的四芯电缆。
表1‑4 不同波特率下信号的最大传输距离
波特率
/baud
1#电缆传输距离
/m
2#电缆传输距离
/m
110 1500 900
300 1500 900
1200 900 900
2400 300 150
4800 300 75
9600 75 75
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RS-232C标准
多年来，RS-232器件以及通信技术经过改
进，RS-232通信距离已经大大增加。采用RS-
232增强器后可以将普通的RS-232口的通信距离
直接延长到1000 m。
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RS-232C标准
RS-232C的接口信号
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RS-232C标准
RS-232C标准接口有25条线，4条数据线、
11条控制线、3条定时线、7条备用和未定义线，
常用的只有9根。
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RS-232C标准
1. 数据装置准备好（data set ready，DSR)——有效时（ON）状态，表明MODEM
处于可以使用的状态。
2. 数据终端准备好(data set ready，DTR)——有效时（ON）状态，表明数据终端
可以使用。
这两个信号有时连到电源上，一上电就立即有效。这两个设备状态信号有
效，只表示设备本身可用，并不说明通信链路可以开始进行通信了，能否开始进
行通信要由下面的控制信号决定。
(1) 联络控制信号线
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RS-232C标准
请求发送(request to send，RTS)——用来表示DTE请求DCE发送数据，即当终
端要发送数据时，使该信号有效（ON状态），向MODEM请求发送。它用来控制
MODEM是否要进入发送状态。
允许发送（clear to send，CTS）——用来表示DCE准备好接收DTE发来的数据，
是对请求发送信号RTS的响应信号。当MODEM已准备好接收终端传来的数据，
并向前发送时，使该信号有效，通知终端开始沿发送数据线TxD发送数据。
RTS/CTS请求应答联络信号用于半双工MODEM系统中发送方式和接收方式之
间的切换。在全双工系统中，因配置双向通道，故不需要RTS/CTS联络信号，使
其变高。
(1) 联络控制信号线
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RS-232C标准
接收线信号检出(received line detection，RLSD)——用来表示DCE已接通通信
链路，告知DTE准备接收数据。当本地的MODEM收到由通信链路另一端（远地）
的MODEM送来的载波信号时，使RLSD信号有效，通知终端准备接收，并且由
MODEM将接收下来的载波信号解调成数字数据后，沿接收数据线RxD送到终端。
此线也叫做数据载波检出(data carrier dectection，DCD）线。
振铃指示(ringing，RI)——当MODEM收到交换台送来的振铃呼叫信号时，使
该信号有效（ON状态），通知终端，已被呼叫。
(1) 联络控制信号线
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RS-232C标准
发送数据(transmitted data，TxD)——终端通过TxD将串行数据发送到MODEM
，(DTE→DCE)。
接收数据(received data，RxD)——终端通过RxD线接收从MODEM发来的串行
数据，(DCE→DTE)。
(2) 数据发送与接收线
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RS-232C标准
有两根线SG（signal ground）、PG（protected ground）——信号地和保护
地信号线，无方向。
(3) 地线
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RS-422标准
RS-422标准
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RS-422标准
RS-422标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”，它定
义了接口电路的特性。由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器
比RS-232更强的驱动能力，所以允许在相同传输线上连接多个接
收节点，最多可接10个节点。即一个主设备（master），其余为从
设备（salve），从设备之间不能通信，所以RS-422支持点对多的
双向通信。
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RS-422标准
接收器输入阻抗为4k，故发送端最大负载能力是
10×4k+100Ω（终接电阻）。RS-422四线接口由于采用单独的发送
和接收通道，因此不必控制数据方向，各装置之间任何必须的信
号交换均可以按软件方式（XON/XOFF握手）或硬件方式（一对
单独的双绞线）实现。
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RS-422标准
RS-422的最大传输距离为4000英尺（约1219 m），最大传输
速率为10 Mbps。其平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100
kbps速率以下，才可能达到最大传输距离。只有在很短的距离下
才能获得最高速率传输。一般100 m长的双绞线上所能获得的最大
传输速率仅为1 Mbps。RS-422需要一终接电阻，要求其阻值约等
于传输电缆的特性阻抗。在短距离传输时可不需终接电阻，即一
般在300 m以下不需终接电阻。终接电阻接在传输电缆的最远端。
RS422转换器与RS422设备之间的4条导线最好是铜芯双绞线，如
远传可适当增加导线直径。
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RS-422标准
表1‑6 RS-422型转换器之间以及转换器与设备间互连信号定义列表
两只RS-422型转换器相连 RS-422型转换器与RS-422设备相连
RS-422转换器 RS-422转换器 RS-422转换器 RS-422设备
第1脚（TDA） 第4脚（RDA） 第1脚（TDA） R-
第2脚（TDB） 第3脚（RDB） 第2脚（TDB） R+
第3脚（RDB） 第2脚（TDB） 第3脚（RDB） T+
第4脚（RDA） 第1脚（TDA） 第4脚（RDA） T-
第5脚（GND） 第5脚（GND） 第5脚（GND） GND
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RS-485标准
RS-485标准
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RS-485标准
由于RS-485是从RS-422基础上发展而来的，所以RS-485许多
电气规定与RS-422相仿。如都采用平衡传输方式、都需要在传输
线上接终接电阻等。RS-485可以采用二线与四线方式，二线制可
实现真正的多点双向通信。而采用四线连接时，与RS-422一样只
能实现点对多的通信，即只能有一个主（Master）设备，其余为从
设备，但它比RS-422有改进，无论是二线还是四线连接方式，总
线都可以连接多达32个设备。
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RS-485标准
RS-485通信线由两根双绞的线组成，它是通过两根通信线之间的电
压差的方式来传递信号，因此称之为差分电压传输。差模干扰在两根信
号线之间传输，属于对称性干扰。消除差模干扰的方法是在电路中增加
一个偏值电阻，并采用双绞线。RS-485的电气特性规定，在发送端，逻
辑1以两线间的电压差为+(2~6)V表示；逻辑0以两线间的电压差为-
(2~6)V表示；在传输过程中，由于电缆存在电阻，当距离增加时，电压
在线缆上的压降增大，因此，在接收端，规定A线比B线高200 mV以上
即认为是逻辑1，A线比B线低200 mV以上即认为是逻辑0，这样，传输
信号的稳定性大大增强
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RS-485标准
RS-485的最高传输速率为10 Mbps，但是，由于RS-485常常要与PC
机的RS-232口通信，所以实际上一般最高只有 kbps，又由于太高
的速率会使RS-485传输距离减小，所以往往以9600 bps或更低速率传输。
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RS-485标准
在使用RS485 接口时，对于特定的传输线路，从发生器到负载，其数据信
号传输所允许的最大电缆长度是数据信号速率的函数，这个长度数据主要是受
信号失真及噪声等影响所限制。最大电缆长度与信号速率的关系曲线是使用
24AWG铜芯双绞电话电缆（线径为），线间旁路电容为 pf/m，终端
负载电阻为100 欧时所得出。当数据信号速率降低到90 kbps以下时，假定最大
允许的信号损失为6 dbv，则电缆长度被限制在1200 m，实际上可达3000 m。平
衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100 kbps速率以下，才可能使用规定最
长的电缆长度，只有在很短的距离下才能获得最高速率传输，一般100 m长双绞
线最大传输速率仅为1Mbps。
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RS-485标准
当使用不同线径的电缆时，计算得到的最大电缆长度是不相同的。例如：
当数据信号速率为600 kbps时，采用24AWG电缆，最大电缆长度是200 m，若采
用19AWG电缆（线径为），则电缆长度将可以大于200 m；若采用28
AWG电缆（线径为 mm），则电缆长度只能小于200 m。RS-485的远距离通
信建议采用屏蔽电缆，并且将屏蔽层作为地线。
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RS-485标准
RS-485 接口采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗噪声干扰性好；而且，
总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200 mV的电压，故传输信号能在千米以
外得到恢复；此外，RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器，即RS-
485具有多机通信能力，这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备
网络，因此，长距离传输和多站能力等优点使其成为首选的串行接口。RS-485
采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须
由使能信号加以控制。RS-485一般只需二根信号线，均采用屏蔽双绞线传输，
用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。
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RS-485标准
表1‑7 RS-485型转换器之间以及转换器与设备间互连信号定义列表
两只RS-485型转换器相连 RS-485型转换器RS-485设备相连
RS-485转换器 RS-485转换器 RS-485转换器 RS-485设备
第1脚 第1脚 第1脚（TDA） T-/R-或485-
第2脚 第2脚 第2脚（TDB） T+/R+或485+
第5脚 第5脚 第5脚（GND） GND
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RS-422与RS-485的安装
RS-422与RS-485的安装
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RS-485标准
RS-422可支持10个节点，RS-485支持32个节点，因此多节点构成网络。网
络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，不支持环形或星形网络。在构建网络
时，应注意如下几点：
1）采用一条双绞线电缆作总线，将各个节点串接起来，从总线到每个节点的引
出线长度应尽量短，以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。
2）应注意总线特性阻抗的连续性，在阻抗不连续点就会发生信号的反射。下列
几种情况易产生这种不连续性：
•总线的不同区段采用了不同电缆；
•或某一段总线上有过多收发器紧靠在一起安装；
•再者是过长的分支线引出到总线。
总之，应该提供一条单一、连续的信号通道作为总线。
(1) 网络安装
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RS-485标准
对RS-422与RS-485总线网络一般要使用终接电阻进行匹配。但在短距离与
低速率下可以不用考虑终端匹配。那么在什么情况下不用考虑匹配呢？理论上，
在每个接收数据信号的中点进行采样时，只要反射信号在开始采样时衰减到足
够低就可以不考虑匹配。但这在实际上难以掌握，经验性的原则是：当信号的
转换时间（上升或下降时间）超过电信号沿总线单向传输所需时间的3倍以上时
就可以不加匹配。例如，RS-485接口MAX483输出信号的上升或下降时间最小
为250 ns，典型双绞线上的信号传输速率约为 m/ns（24AWG PVC电缆），
那么只要数据速率在250 kb/s以内、电缆长度不超过16 m，采用MAX483作为RS
-485接口时就可以不加终端匹配。
(2) 线路匹配
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RS-485标准
一般终端匹配采用终接电阻方法，RS-422在总线电缆的远端并接电阻，RS
-485则应在总线电缆的开始和末端都需并接终接电阻。终接电阻一般在RS-422
网络中取100Ω，在RS-485网络中取120Ω。相当于电缆特性阻抗的电阻，因为大
多数双绞线电缆特性阻抗大约在100～120Ω。这种匹配方法简单有效，但有一
个缺点，匹配电阻要消耗较大功率，对于功耗限制比较严格的系统不太适合。
(2) 线路匹配
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RS-485标准
电子系统接地是很重要的，但常常被忽视。接地处理不当往往会导致电子
系统不能稳定工作甚至危及系统安全。RS-422与RS-485传输网络的接地同样也
是很重要的，因为接地系统不合理会影响整个网络的稳定性，尤其是在工作环
境比较恶劣和传输距离较远的情况下，对于接地的要求更为严格。否则接口损
坏率较高。很多情况下，连接RS-422、RS-485通信链路时只是简单地用一对双
绞线将各个接口的“A”、“B”端连接起来。而忽略了信号地的连接，这种连
接方法在许多场合是能正常工作的，但却埋下了很大的隐患。正如前文已述，
RS-422与RS-485接口均采用差分方式传输信号方式，并不需要相对于某个参照
点来检测信号，系统只需检测两线之间的电位差就可以了。
(3) 接地问题
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RS-485标准
但人们往往忽视了收发器有一定的共模电压范围，如RS-422共模电压范围
为-7～+7V，而RS-485收发器共模电压范围为-7～+12V，只有满足上述条件，
整个网络才能正常工作。当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的
稳定可靠，甚至损坏接口。例如：当发送驱动器A向接收器B发送数据时，发送
驱动器A的输出共模电压为VOS，由于两个系统具有各自独立的接地系统，存
在着地电位差VGPD。那么，接收器输入端的共模电压VCM就会达到
VCM=VOS+VGPD。RS-422与RS-485标准均规定VOS≤3V，但VGPD可能会有
很大幅度（十几伏甚至数十伏），并可能伴有强干扰信号，致使接收器共模输
入VCM超出正常范围，并在传输线路上产生干扰电流，轻则影响正常通信，重
则损坏通信接口电路。
(3) 接地问题
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三个标准的区别
三个标准的区别
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三个标准的区别
表1‑5 RS-232、RS-422与RS-485接口标准间的比较
规定 RS-232 RS-422 RS-485
工作方式 单端（非平衡） 差分（平衡） 差分（平衡）
节点数 1收、1发 1发10收 1发32收
最大传输电缆长度 15 m 1200 m（100 kb/s） 1200 m（100 kb/s）
最大传输速率 20 kb/s 10 Mb/s，1 Mb/s@100m 10 Mb/s，1 Mb/s@100m
连接方式 一点对一点 一点对多点（4线） 一点对多点（4线），多
点对多点（两线）
电气特性 逻辑0 +3~+15V 以两线间的电压差为-2~-
6V
以两线间的电压差为-2~-
6V
逻辑1 -3~-15V 以两线间的电压差为
+2~+6V
以两线间的电压差为
+2~+6V
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三个标准的区别
RS-422、RS-485与RS-232不一样，其区别如上表所示。
1. 数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其
中一线定义为A，另一线定义为B；
2. 通常情况下，发送驱动器A、B之间的正电平在+2~+6V，是一个逻辑状态，
负电平在-2~-6V，是另一个逻辑状态；
3. 另有一个信号地C；
4. 在RS-485中还有一“使能”端，而在RS-422中这是可用可不用的。“使能
”端是用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。当“使能”端起作用
时，发送驱动器处于高阻状态，称作“第三态”，即它是有别于逻辑“1”
与“0”的第三态。
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三个标准的区别
接收器也作与发送端相对的规定，收、发端通过平衡双绞线
将AA与BB对应相连。
1. 在发送端，逻辑1表示AB两线间的电压差为+（2~6）V；逻辑0
表示两线间的电压差为-（2~6）V。
2. 在接收端，当在AB两线间有大于+200 mV的电平时，输出正逻
辑电平，小于-200 mV时，输出负逻辑电平。接收器接收平衡
线上的电平范围通常在200 mV至6 V之间。
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