工業物聯網（IIoT）意味著需要連接更多的傳感器，包括傳感器和執行器。雖然無線鏈路似乎是連接的簡單解決方案，但它們受到安全問題，更高的初始成本以及工業環境中RF傳播的不確定性的影響。

相反，許多應用程序使用傳統方法可以提供更好的服務。但基于RS-232，RS-422，RS-423和RS-485協議的收發器大為改進。這些可以幫助設計人員優化系統可靠性，信號完整性和成本效益。然后，通過這些有線鏈路收集的匯總數據可以通過強大的有線或無線鏈路連接到后端網絡和互聯網。

然而，對這些建立的新要求并且成功的有線標準超出了他們的原始要求。更高的通道數和密度，以及更快的數據速率，使設計人員難以設計出滿足ESD（靜電放電），低電壓操作和容錯要求的新要求的令人滿意的解決方案。

什么是RS -232及其相關標準？

推薦標準232（RS-232）由電子工業協會（EIA）于1962年發布。其最初的作用是將計算機連接到機電電傳打字機（通常稱為“電傳”） “機器”，調制解調器和打印機，但很快就采用了許多其他接口應用程序。

RS-232是一個相對簡單的標準，僅限于單點的點對點串行鏈路發件人和收件人。它可用于單工，半雙工和全雙工鏈路，并且限制為19，200波特（不一定與比特/秒相同，但通常是這樣）。最廣泛使用的版本RS-232D指定使用±25伏特來發信號通知1和0。請注意，標準沒有指定數據本身的編碼。它只調出信號電平，轉換速率，啟動/停止幀以及連接的基本握手。

為滿足不斷增長的網絡需求，標準擴展到RS-422，RS-423 ，最后是RS-485，增加了多點功能，更高的速度和更長的距離（表1）。

規格RS-232 RS-423 RS-422 RS-485工作模式單端單 - 結束一條線路上的驅動器和接收器的差分差分總數（一個驅動器一次激活RS-485網絡）1驅動程序

1接收器1驅動程序

10接收器1驅動程序

10接收器32驅動器

32接收器最大電纜長度50英尺4000英尺4000英尺4000英尺最大數據速率（40英尺 - 4000英尺。用于RS-422/RS-485），波特/秒20 kb/s 100 kb/s 100 kb/s至10 Mb/s 100 kb/s至10 Mb/s最大驅動器輸出電壓±25 V±6 V -0.25 V至+6 V -7 V至+12 V驅動器輸出信號電平

（加載最小值）加載±5 V至±15 V±3.6 V±2.0 V±1.5 V驅動器輸出信號電平

（無負載最大值）空載±25 V±6 V±6 V±6 V驅動器負載阻抗（歐姆）3kΩ至7kΩ≥450Ω100Ω54Ω最大值。高Z狀態下的驅動器電流開啟N/A N/A N/A±100μA最大值。驅動器電流在高Z狀態下斷電±6 mA @±2 V±100μA±100μA±100μA壓擺率（最大值）30 V/μS可調節N/AN/A接收器輸入電壓范圍±15 V ±12 V -10 V至+10 V -7 V至+12 V接收器輸入靈敏度±3 V±200 mV±200 mV±200 mV接收器輸入電阻（歐姆），

（1個RS-485標準負載） ）3kΩ至7kΩ4kΩ（最小值）4kΩ（最小值）≥12kΩ

表1：各種RS-xxx標準的關鍵電氣規范和性能摘要是了解其特性的起點。完整標準規定了所有操作參數的測試條件和電路。 （數據來源：改編自RE Smith公司。）

各種RS標準的許多用戶選擇不完全遵循標準，而是使用經過修改的專有變體以提高速度，或獲得其他一些標準屬性。盡管標稱標簽相同，但這些變體可能與其他接口不完全兼容。另請注意，各種RS標準未指定或強制使用連接器類型。也就是說，最常推薦的連接器是帶有9，15或25個引腳的D形連接器（圖1）。

圖1：盡管RS-xxx標準沒有規定連接器類型，但建議使用多針D型連接器，并且經常（但不是唯一地）使用。所示為9針版本，但也使用15針和25針版本。 （圖片來源：維基百科）

隨著RS-xxx的普及和普及，設計人員需要更高的通道數和密度，以及更快的數據速率。他們還面臨著設計令人滿意的解決方案的挑戰，這些解決方案符合新的要求，包括故障安全（容錯）要求，瞬態ESD（靜電放電）保護和低電壓操作。 RS-xxx收發器有很多種選擇，除了基本的性能規格外，還有不同的功能組合。

故障安全與故障

近年來，RS-485標準在RS-xxx組中占據主導地位，因為它具有更高的速度，更低的電壓和多個發送器/接收器功能（圖2）。 RS-485標準規定，當差分輸入電壓≥+ 200 mV時，接收器應置為邏輯高電平輸出，當≤200mV時，接收器應處于邏輯低電平。在這兩個閾值電平之間，接收器輸出是未定義的并且可以隨機地呈現任一狀態。

圖2：RS-485已成為最常用的標準，因為它支持單總線上的多個源/接收器，低電壓操作，以及更高的數據速率。總線需要一個具有線路特征阻抗的終端電阻，以防止高速信號反射。 （圖像來源：德州儀器公司）

有三個因素可能導致有效輸入信號丟失和未定義狀態。線路中斷或收發器與公共總線無意斷開，差分線對彼此連接的低阻短路，或者當總線“空閑”時，意味著沒有收發器在主動模式。這最后一個條件不是傳統意義上的錯誤。相反，這是一個非常短期的情況，當所有線路驅動器暫時不活動以避免總線爭用時，因為控制從一個驅動器傳遞到另一個驅動器。

在出現諸如開路或類似硬故障的情況下短路時，必須確保浮動（斷開）連接不會被感應電壓（開路）損壞，或者過電流不會造成損壞（短路）。這些問題不再是RS-485收發器的主要問題，因為保護在其歷史上相對較早的時候被設計到收發器IC中。然而，總線空閑情況仍然存在，因為它是RS-485操作的固有特性。

總線空閑狀態的解決方案是將故障保護偏置電阻（RFS）添加到總線（圖3） ）。由于偏置電阻和線路終端電阻RT1和RT2之間的分壓（這些已經到位以終止具有其特征阻抗（通常為120Ω）的總線），這些可確保接收器輸出被強制進入定義狀態。

圖3：通過添加故障保護電阻RFS，設計確保接收器輸出在“總線空閑”模式下處于定義狀態。電阻值由收發器負載數量和電源容差的電路分析確定。 （來源：德州儀器）

顯而易見的問題是：RFS的適當價值是什么？答案是必須通過計算確定，具體取決于收發器的數量和電源的最小電壓。

新設計的替代方案是選擇RS-485收發器，例如Texas Instruments SN65HVD08DR。這包括故障保護偏置電阻，以提供接收器輸入閾值的內部偏置，用于開路，總線空閑或短路故障保護條件。這消除了計算問題和外部電阻。但是，在一些正在升級的傳統應用中，混合使用和不具備這些電阻的收發器需要進行一些仔細的建模和分析，以及使用沒有故障保護偏置的收發器，例如德州儀器SN75176BDR（圖4）。

圖4：雖然有些收發器包含完整的故障保護偏置電阻，但SN75176BDR卻沒有，因為有些應用需要允許用戶在外部調整大小并提供這些組件。 （來源：德州儀器）

保護至關重要

在工業環境中，由于電機啟動和其他類似事件引起的瞬態很常見。保護RS-485接口免受這些瞬變影響的標準方法是使用鉗位二極管阻止它們到達收發器IC（圖5）。使用這些二極管是有效的，但它們的電容可能會使未受保護的器件的接地噪聲容限降低幾伏。

圖5：苛刻的電氣許多工業環境的環境要求瞬態抑制。這可以通過外部二極管和瞬態電壓抑制器（TVS）提供，如SN75LBC176DR收發器左側所示。 （來源：德州儀器）

然而，對于成本和空間壓力下的設計人員而言，鉗位二極管會增加設計BOM并需要電路板空間，同時還可能影響整體性能規格。德州儀器（TI）的SN75LBC184DR RS-485收發器通過包含可消除性能缺陷的二極管來幫助避免這些問題（圖6）。這些二極管和其他設計內含物可以防止脈沖，峰值功率高達400 W，符合IEC 61000-4-5標準，加上保護至±15 kV至IEC-61000-4-2氣隙，±8 kV接觸IEC -61000-4-2，和人體模型（HBM）要求的±15 kV。

圖6：供應商越來越多地采用瞬態抑制在收發器IC內，例如SN75LBC184DR。此實現不僅可以修整BOM，還可以使供應商滿足許多嚴格的瞬態相關標準。 （圖像來源：德州儀器公司）

在浪涌要求較高的情況下，總線可能需要通過快速動作瞬態電壓抑制（TVS）設備提供額外保護。如果閃電是一個問題，這種保護可能擴展到包括氣體放電管（GDT）。 GDT施加非常小的負載，具有非常快的反應時間，并且可以處理數千伏特?，F代GDT采用微型SMT封裝，占用的空間比其他無源器件少。

RS-485芯片供應商推出了故障和瞬態保護，以減少惡劣應用中的設備故障。瞬態保護適用于短期事件，可被視為故障保護的不太嚴格的子集。請注意，不同的供應商提供符合標準要求的最低保護的部件，然后添加各種類型和級別的保護以滿足其目標市場的需求。因此，在查看RS-xxx部件時，請務必不僅要判斷基本功能，還要判斷它提供的保護的具體情況。

低壓設計的電壓轉換

隨著電路越來越多地使用3.3和5V等較低電壓，內部電壓軌與RS標準要求之間可能存在10 V范圍內的電壓要求，以實現接口兼容性。設計人員可以選擇為接口使用單獨的更高電壓電源，同時在系統的其余部分使用較低的電壓軌，或者使用具有內部電壓升壓的IC。

第一個選項增加了IC和一些與BOM相關的無源器件，但其優點是它允許從各種接口IC和供應商中進行選擇。系統中也可能存在可用的更高電壓軌，該軌可能能夠提供所需的電壓和電流以支持接口。

第二種選擇意味著選擇帶有接口IC的接口IC。內部電荷泵，可以在低電壓下工作，并產生所需的雙極性較大電壓。例如，多協議Exar XR34350 RS-232/485/422串行收發器在單個+3.3或+5.0 V電源內部工作，但可以通過增加四個小值外部電容器（C1-C4）來產生±10 V輸出（圖7）。

圖7：Exar XR34350 RS-232/485/422串行收發器是一種多協議設備，其數量和組合收發器通道取決于所選的特定協議。它有一個內部電荷泵，因此它可以從較低電壓的單極軌提供高達±10 V的電壓。 （來源：Exar Corp。）

XR34350的設計人員還強調了對工業應用的保護，所有發送器輸出和接收器輸入都具有±15 kV的強大ESD保護，符合IEC-61000-4-2標準氣隙，符合IEC-61000-4-2的±8 kV接觸，以及±15 kV至HBM的要求。 XR34350不僅滿足，而且實際上超過了其中一些標準。此外，它還包括一個高級故障保護終止方案，當輸入打開，短路或終止但未被驅動時，它會自動將輸出默認為邏輯高電平。這是在沒有外部偏置電阻的情況下完成的。

結論

雖然對無線IIoT連接很感興趣，但有線RS-xxx接口標準仍然是連接傳感器的經過驗證的可靠解決方案到工業環境中的公共汽車或網絡。它們提供許多非工業有線和無線連接無法提供的屬性，并且已經適應了許多情況。因此，設計人員可以從各種部件中進行選擇，具有各種配置，特性，功能和特性，以適應應用。