由于其相對簡單和低硬件開銷（與并行接口相比），串行通信在電子行業(yè)中被廣泛使用。今天，最流行的串行通信標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)然是EIA/TIA-232-E規(guī)范。該標(biāo)準(zhǔn)由電子工業(yè)協(xié)會和電信工業(yè)協(xié)會（EIA/TIA）制定，通常簡稱為RS-232，其中RS代表“推薦標(biāo)準(zhǔn)”。 盡管近年來此RS前綴已被EIA / TIA取代以幫助識別標(biāo)準(zhǔn)的來源，但本文使用通用的RS-232表示法。

介紹

EIA/TIA-232-E標(biāo)準(zhǔn)的正式名稱是“采用串行二進制數(shù)據(jù)交換的數(shù)據(jù)終端設(shè)備和數(shù)據(jù)電路終端設(shè)備之間的接口”。雖然這個名字聽起來可能令人生畏，但該標(biāo)準(zhǔn)只涉及主機系統(tǒng)（數(shù)據(jù)終端設(shè)備或DTE）和外圍系統(tǒng)（數(shù)據(jù)電路終端設(shè)備或DCE）之間的串行數(shù)據(jù)通信。

EIA/TIA-232-E標(biāo)準(zhǔn)于1962年推出，此后已更新四次，以滿足串行通信應(yīng)用不斷變化的需求。標(biāo)準(zhǔn)名稱中的字母“E”表示這是標(biāo)準(zhǔn)的第五次修訂。

RS-232規(guī)格

RS-232是一個完整的標(biāo)準(zhǔn)。這意味著該標(biāo)準(zhǔn)通過指定以下內(nèi)容來確保主機和外圍系統(tǒng)之間的兼容性：

常見電壓和信號電平

常見引腳接線配置

主機和外圍系統(tǒng)之間的控制信息量極少。

與許多僅指定給定接口的電氣特性的標(biāo)準(zhǔn)不同，RS-232規(guī)定了電氣，功能和機械特性以滿足上述三個標(biāo)準(zhǔn)。下面將討論RS-232標(biāo)準(zhǔn)的這些方面。

電氣特性

RS-232標(biāo)準(zhǔn)的電氣特性部分規(guī)定了電壓電平、信號電平變化率和線路阻抗。

由于最初的RS-232標(biāo)準(zhǔn)是在1962年和TTL邏輯時代之前定義的，因此該標(biāo)準(zhǔn)不使用5V和接地邏輯電平也就不足為奇了。相反，驅(qū)動器輸出的高電平定義為+5V至+15V之間，驅(qū)動器輸出的低電平定義為-5V至-15V之間。接收器邏輯電平被定義為提供2V噪聲容限。因此，接收器的高電平定義為+3V至+15V，低電平定義為-3V至-15V。圖1顯示了RS-232標(biāo)準(zhǔn)定義的邏輯電平。需要注意的是，對于RS-232通信，低電平（-3V至-15V）被定義為邏輯1，歷史上稱為“標(biāo)記”。類似地，高電平（+3V至+15V）定義為邏輯0，稱為“間隔”。

圖1.RS-232 邏輯電平規(guī)范。

RS-232標(biāo)準(zhǔn)還限制了驅(qū)動器輸出端的最大壓擺率。包括此限制是為了幫助降低相鄰信號之間發(fā)生串?dāng)_的可能性。上升和下降時間越慢，串?dāng)_的機會就越少?？紤]到這一點，允許的最大壓擺率為30V/ms。此外，標(biāo)準(zhǔn)定義了最大數(shù)據(jù)速率 20kbps ，再次減少串?dāng)_的機會。

驅(qū)動器和接收器之間接口的阻抗也已定義。驅(qū)動器看到的負載額定值為3kΩ至7kΩ。在最初的RS-232標(biāo)準(zhǔn)中，驅(qū)動器和接收器之間的電纜長度規(guī)定為最大15米。修訂版“D”（EIA/TIA-232-D）更改了標(biāo)準(zhǔn)的這一部分。該標(biāo)準(zhǔn)沒有指定電纜的最大長度，而是指定最大容性負載為2500pF，這顯然是一個更合適的規(guī)格。最大電纜長度由電纜每單位長度的電容決定，該電容在電纜規(guī)格中提供。

表1總結(jié)了當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)中的電氣規(guī)格。

功能特點

由于RS-232是一個完整的標(biāo)準(zhǔn)，因此它不僅僅包括電氣特性規(guī)格。該標(biāo)準(zhǔn)還解決了接口的功能特性，上面列表中的#2。這實質(zhì)上意味著RS-232定義了接口中使用的不同信號的功能。這些信號分為四個不同的類別：公共、數(shù)據(jù)、控制和定時。見表2。該標(biāo)準(zhǔn)提供豐富的控制信號，并支持一級和二級通信通道。幸運的是，很少有應(yīng)用（如果有的話）需要所有這些定義的信號。例如，典型調(diào)制解調(diào)器僅使用八個信號。稍后將討論如何在實際應(yīng)用中使用RS-232標(biāo)準(zhǔn)的示例。此處包含已定義信號的完整列表作為參考。然而，回顧所有這些信號的功能超出了本文的范圍。

機械接口特性

RS-232涵蓋的第三個領(lǐng)域是機械接口。具體來說，RS-232指定25引腳連接器作為最小連接器尺寸，可以容納標(biāo)準(zhǔn)功能部分中定義的所有信號。此連接器的引腳分配如圖 2 所示。DCE 設(shè)備的連接器為連接器外殼的公頭和連接引腳的母頭。同樣，DTE 連接器是帶有公連接引腳的母外殼。雖然RS-232指定了25位連接器，但通常不使用此連接器。大多數(shù)應(yīng)用不需要所有定義的信號，因此 25 引腳連接器大于必要值。因此，通常使用其他連接器類型。也許最受歡迎的連接器是 9 位 DB9S 連接器，如圖 2 所示。例如，這種 9 位連接器為調(diào)制解調(diào)器應(yīng)用提供了發(fā)送和接收必要信號的方法。稍后將更詳細地討論這種類型的pf應(yīng)用程序。

圖2.RS-232 連接器引腳分配。

RS-232 IC設(shè)計的演變

穩(wěn)壓電荷泵

原來的MAX232驅(qū)動器/接收器及其相關(guān)器件只需將輸入電壓加倍并反相，即可為RS-232驅(qū)動器電路供電。這種設(shè)計使電壓比實際需要的要大得多;它浪費了電力。EIA-232電平定義為±5V至5kΩ。憑借新的低壓差輸出級，Maxim推出了帶有內(nèi)部電荷泵的RS-232收發(fā)器，可提供穩(wěn)定的±5.5V輸出。這種設(shè)計允許變送器輸出以最小的電源電流保持RS-232兼容電平。

低電壓操作

新型穩(wěn)壓電荷泵和低壓差發(fā)送器的輸出電壓降低，允許使用降低的電源電壓。Maxim最新的大多數(shù)RS-232收發(fā)器工作在低至+3.0V的電源電壓。

自動關(guān)機?

在延長電池壽命的永無止境的戰(zhàn)斗中，Maxim開創(chuàng)了一種稱為自動關(guān)機的技術(shù)。當(dāng)器件未檢測到有效的RS-232活動時，它將進入低功耗關(guān)斷模式。RS-232 有效輸出向系統(tǒng)處理器指示電纜另一端是否連接了活動的 RS-232 端口。MAX3212更進一步：包括一個轉(zhuǎn)換檢測電路，其鎖存輸出作為中斷，可在任何輸入線路發(fā)生狀態(tài)變化時喚醒系統(tǒng)。

自動關(guān)機增強版?

基于自動關(guān)斷功能的成功，具有Maxim自動關(guān)斷增強功能的器件可實現(xiàn)1μA電源電流。當(dāng)RS-232電纜斷開或所連接外設(shè)的發(fā)射器處于非活動狀態(tài)時，或者當(dāng)驅(qū)動發(fā)射器輸入的UART處于非活動狀態(tài)超過30秒時，這些器件會自動進入低功耗關(guān)斷模式。當(dāng)器件檢測到任何發(fā)射器或接收器輸入的有效轉(zhuǎn)換時，它們會再次打開。AutoShutdown Plus 無需更改現(xiàn)有 BIOS 或操作系統(tǒng)即可節(jié)省電量。

兆波特

超越EIA-232規(guī)范的是兆波特模式，它允許驅(qū)動器壓擺率增加，從而提供高達1Mbps的數(shù)據(jù)速率。兆波特模式對于高速外圍設(shè)備（如DSL或ISDN調(diào)制解調(diào)器）之間的短距離通信非常有用。

高靜電放電

一些IC設(shè)計用于提供高ESD保護。這些IC使用人體模型和IEC 15-801氣隙放電方法指定并實現(xiàn)±2kV ESD保護。Maxim的高ESD保護功能免除了對TransZorbs等昂貴外部保護器件的需求?，同時防止代價高昂的現(xiàn)場故障。

支持問題

電容器選擇

Maxim RS-232收發(fā)器的電荷泵依靠電容來轉(zhuǎn)換和存儲能量，因此選擇這些電容會影響電路的整體性能。盡管一些數(shù)據(jù)手冊在其典型應(yīng)用電路中標(biāo)明了極化電容器，但此信息僅針對希望使用極化電容器的客戶顯示。實際上，陶瓷電容器最適合大多數(shù)Maxim RS-232 IC。

選擇陶瓷電容器也很重要。Z5U和Y5V的電容器介電類型是不可接受的，因為它們具有令人難以置信的電壓和溫度系數(shù)。X5R 和 X7R 型提供必要的性能。

未使用的輸入

RS-232接收器輸入包含一個內(nèi)部5kΩ下拉電阻。如果此接收器輸入未使用，則可以將其保持浮動狀態(tài)而不會引起任何問題。CMOS發(fā)射器輸入是高阻抗的，必須被驅(qū)動到有效的邏輯電平才能使IC正常工作。如果發(fā)射器輸入未使用，請將其連接到V抄送或接地。

布局指南

出于布局目的，Maxim RS-232 IC應(yīng)像DC-DC轉(zhuǎn)換器一樣對待。必須分析電荷泵周期的充電和放電階段的交流電流。為了便于簡單有效地布局，Maxim可以方便地將所有關(guān)鍵引腳放置在靠近其外部元件的位置。

微型封裝的RS-232收發(fā)器

低功耗RS-232收發(fā)器采用節(jié)省空間的芯片級（UCSP）、TQFN和TSSOP封裝。MAX3243E采用32引腳（7mm x 7mm）薄型QFN封裝，比TSSOP方案節(jié)省20%的電路板空間。MAX3222E也提供20引腳（5mm x 5mm）TQFN封裝，可改善電路板空間，從而節(jié)省40%的電路板空間。其他收發(fā)器器件系列采用TQFN封裝，MAX3222E和MAX3232E具有兩個驅(qū)動器和兩個接收器，MAX3221E具有單驅(qū)動器和單接收器，具有自動關(guān)斷功能，可將電源電流降至1μA（見表3）。這些RS-232收發(fā)器是電池供電設(shè)備的理想選擇。

MAX3228E/MAX3229E系列采用30焊球（3mm x 2.5mm）UCSP封裝，可節(jié)省約70%的電路板空間，非常適合筆記本電腦、手機和手持設(shè)備等空間受限的應(yīng)用。低功耗RS-232收發(fā)器采用節(jié)省空間的UCSP，具有1μA的低關(guān)斷電源電流，是超低功耗系統(tǒng)應(yīng)用的理想選擇。

實用的RS-232實施

目前設(shè)計的大多數(shù)系統(tǒng)都不使用RS-232電壓電平運行。因此，電平轉(zhuǎn)換是實現(xiàn)RS-232通信所必需的。電平轉(zhuǎn)換由特殊的RS-232 IC執(zhí)行，該IC具有產(chǎn)生RS-232所需電壓電平的線路驅(qū)動器和可以接收RS-232電壓電平而不會損壞的線路接收器。這些線路驅(qū)動器和接收器通常也會反轉(zhuǎn)信號，因為用于RS-1通信的邏輯232由低電壓電平表示，而邏輯0由高邏輯電平表示。

圖3顯示了RS-232線路驅(qū)動器/接收器在典型調(diào)制解調(diào)器應(yīng)用中的功能。在本例中，串行通信所需的信號由通用異步接收器/發(fā)射器（UART）生成和接收。RS-232線路驅(qū)動器/接收器IC在CMOS/TTL和RS-232接口之間執(zhí)行必要的電平轉(zhuǎn)換。

圖3.典型的RS-232調(diào)制解調(diào)器應(yīng)用。

UART執(zhí)行異步串行通信所需的“開銷”任務(wù)。例如，異步通信通常要求主機系統(tǒng)啟動啟動和停止位，以向外圍系統(tǒng)指示通信何時開始和停止。奇偶校驗位也經(jīng)常用于確保發(fā)送的數(shù)據(jù)未被損壞。UART通常在傳輸數(shù)據(jù)時生成開始位、停止位和奇偶校驗位，并且可以在接收數(shù)據(jù)時檢測通信錯誤。UART還充當(dāng)字節(jié)寬（并行）和位寬（串行）通信之間的中介;它將一個字節(jié)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行比特流進行傳輸，并在接收時將串行比特流轉(zhuǎn)換為一個字節(jié)的數(shù)據(jù)。

現(xiàn)在，已經(jīng)提供了TTL/CMOS到RS-232接口的基本解釋，我們可以考慮一些實際的RS-232應(yīng)用。在上面的功能特性部分已經(jīng)指出，RS-232應(yīng)用很少精確地遵循RS-232標(biāo)準(zhǔn)。通常省略不必要的RS-232信號。許多應(yīng)用（如調(diào)制解調(diào)器）只需要九個信號（兩個數(shù)據(jù)信號、六個控制信號和地）。其他應(yīng)用只需要五個信號（兩個用于數(shù)據(jù)，兩個用于握手和接地），而其他應(yīng)用只需要沒有握手控制的數(shù)據(jù)信號。我們從考慮典型的調(diào)制解調(diào)器應(yīng)用開始對實際實現(xiàn)的調(diào)查。

調(diào)制解調(diào)器應(yīng)用中的 RS-232

調(diào)制解調(diào)器應(yīng)用是RS-232標(biāo)準(zhǔn)最受歡迎的用途之一。圖4所示為典型的調(diào)制解調(diào)器應(yīng)用。從圖中可以看出，PC 是 DTE，調(diào)制解調(diào)器是 DCE。每臺PC與其相關(guān)調(diào)制解調(diào)器之間的通信使用RS-232標(biāo)準(zhǔn)完成。兩個調(diào)制解調(diào)器之間的通信是通過電信完成的。應(yīng)該注意的是，盡管微控制器通常是RS-232應(yīng)用中的DTE，但這并不是由對標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格解釋強制要求的。

圖4.兩臺 PC 之間的調(diào)制解調(diào)器通信。

雖然一些設(shè)計人員選擇在此應(yīng)用中使用 25 引腳連接器，但這不是必需的，因為 DTE 和 DCE 之間只有 9 個接口信號（包括接地）?？紤]到這一點，許多設(shè)計人員使用 15 針或 2 針連接器。（上面的圖 9 顯示了 3 針連接器設(shè)計。調(diào)制解調(diào)器通信中使用的“基本九個”信號如上圖232所示;DTE 需要三個 RS-232 驅(qū)動器和五個接收器。這些信號的功能如下所述。請注意，對于以下信號描述，ON是指高RS-5電壓電平（+15V至+232V），OFF是指低RS-5電壓電平（-15V至-232V）。請記住，高RS-0電壓電平實際上表示邏輯232，而低RS-1電壓電平表示邏輯<>。

傳輸數(shù)據(jù) （TD）：兩個獨立數(shù)據(jù)信號之一，此信號由 DTE 生成并由 DCE 接收。

接收數(shù)據(jù) （RD）：兩個獨立數(shù)據(jù)信號中的第二個，此信號由 DCE 生成并由 DTE 接收。

發(fā)送請求 （RTS）：當(dāng)主機系統(tǒng) （DTE） 準(zhǔn)備好將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵鈬到y(tǒng) （DCE） 時，RTS 將打開。在單工和雙工系統(tǒng)中，此條件使 DCE 保持接收模式。在半雙工系統(tǒng)中，此條件使 DCE 保持在接收模式并禁用傳輸模式。OFF 條件使 DCE 保持處于傳輸模式。斷言 RTS 后，DCE 必須先斷言 CTS，然后才能開始通信。

清除發(fā)送 （CTS）：CTS 與 RTS 一起使用，以在 DTE 和 DCE 之間提供握手。DCE 看到斷言的 RTS 后，會在準(zhǔn)備好開始通信時打開 CTS。

數(shù)據(jù)集就緒 （DSR）：DCE 打開此信號，以指示它已連接到電信線路。

數(shù)據(jù)載波檢測 （DCD）：當(dāng) DCE 從滿足其合適信號標(biāo)準(zhǔn)的遠程 DCE 接收信號時，此信號將打開。只要可以檢測到合適的載波信號，該信號就會保持ON狀態(tài)。

數(shù)據(jù)終端就緒 （DTR）：DTR 指示 DTE 的就緒情況。當(dāng) DTE 準(zhǔn)備好從 DCE 發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時，此信號由 DTE 打開。DTR 必須處于打開狀態(tài)，DCE 才能斷言 DSR。

振鈴指示器 （RI）：斷言時，RI 表示通信信道上正在接收振鈴信號。

上述信號構(gòu)成了調(diào)制解調(diào)器通信的基礎(chǔ)。也許了解這些信號如何相互作用的最佳方法是檢查調(diào)制解調(diào)器與PC接口的分步示例。以下步驟描述遠程調(diào)制解調(diào)器調(diào)用本地調(diào)制解調(diào)器的事務(wù)。

本地 PC 使用軟件來監(jiān)控 RI（環(huán)形指示）信號。

當(dāng)遠程調(diào)制解調(diào)器想要與本地調(diào)制解調(diào)器通信時，它會生成 RI 信號。此信號由本地調(diào)制解調(diào)器傳輸?shù)奖镜?PC。

本地 PC 在準(zhǔn)備好通信時通過斷言 DTR（數(shù)據(jù)終端就緒）信號來響應(yīng) RI 信號。

識別斷言的 DTR 信號后，調(diào)制解調(diào)器在連接到通信線路后通過斷言 DSR（數(shù)據(jù)集就緒）進行響應(yīng)。DSR 向 PC 指示調(diào)制解調(diào)器已準(zhǔn)備好與 DTE 交換進一步的控制信號以開始通信。斷言 DSR 后，PC 開始監(jiān)視 DCD，以指示數(shù)據(jù)正在通過通信線路發(fā)送。

調(diào)制解調(diào)器在從遠程調(diào)制解調(diào)器接收到滿足適當(dāng)信號標(biāo)準(zhǔn)的載波信號后，斷言DCD（數(shù)據(jù)載波檢測）。

此時可以開始數(shù)據(jù)傳輸。如果本地調(diào)制解調(diào)器具有全雙工功能，則 CTS（清除發(fā)送）和 RTS（請求發(fā)送）信號將保持斷言狀態(tài)。如果調(diào)制解調(diào)器只有半雙工功能，CTS 和 RTS 將提供控制數(shù)據(jù)流方向所需的握手。數(shù)據(jù)通過RD和TD信號傳輸。

數(shù)據(jù)傳輸完成后，PC 將禁用 DTR 信號。調(diào)制解調(diào)器隨后抑制DSR和DCD信號。此時，PC 和調(diào)制解調(diào)器處于步驟 1 中所述的原始狀態(tài)。

RS-232在最小握手應(yīng)用中的應(yīng)用

盡管由于所需的信號數(shù)量，上述調(diào)制解調(diào)器應(yīng)用從RS-232標(biāo)準(zhǔn)簡化而來，但它仍然比許多系統(tǒng)要求更復(fù)雜。對于許多應(yīng)用，只需兩條數(shù)據(jù)線和兩條握手控制線即可建立和控制主機系統(tǒng)和外圍系統(tǒng)之間的通信。例如，環(huán)境控制系統(tǒng)可能需要使用半雙工通信方案與恒溫器接口。有時控制系統(tǒng)從恒溫器讀取溫度，有時將溫度跳變點加載到恒溫器。在這種類型的簡單應(yīng)用中，只需要五個信號（兩個用于數(shù)據(jù)，兩個用于握手控制和接地）。

圖5顯示了一個簡單的半雙工通信接口。可以看出，數(shù)據(jù)通過TD（傳輸數(shù)據(jù)）和RD（接收數(shù)據(jù)）引腳傳輸，RTS（準(zhǔn)備發(fā)送）和CTS（清除發(fā)送）引腳提供握手控制。RTS由DTE驅(qū)動，用于控制數(shù)據(jù)的方向。斷言時，DTE 將置于傳輸模式。當(dāng) RTS 被禁止時，DTE 將置于接收模式。由 DCE 生成的 CTS 控制數(shù)據(jù)流。斷言時，數(shù)據(jù)可以流動。但是，當(dāng) CTS 被禁止時，數(shù)據(jù)傳輸就會中斷。在重新聲明 CTS 之前，數(shù)據(jù)傳輸將停止。

圖5.半雙工通信方案。

RS-232 應(yīng)用限制

自RS-232標(biāo)準(zhǔn)推出以來的四十多年里，電子行業(yè)發(fā)生了巨大的變化。因此，RS-232標(biāo)準(zhǔn)存在一些限制。一個限制 - 標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)定義了二十多個信號 - 已經(jīng)得到解決。設(shè)計人員根本不使用所有信號或 25 引腳連接器。

標(biāo)準(zhǔn)中的其他限制不一定那么容易糾正。

生成 RS-232 電壓電平

如電氣特性部分所述，RS-232不使用TTL和CMOS設(shè)計中實現(xiàn)的傳統(tǒng)0V和5V電平。對于邏輯5，驅(qū)動器必須提供+15V至+0V的電源，對于邏輯5，驅(qū)動器必須提供-15V至-1V的電源。這意味著需要額外的電源來驅(qū)動RS-232電壓電平。通常，+12V和-12V電源用于驅(qū)動RS-232輸出。對于對這些電源沒有其他要求的系統(tǒng)來說，這是一個很大的不便?？紤]到這一點，達拉斯半導(dǎo)體制造的RS-232產(chǎn)品具有片上電荷泵電路，可為RS-232通信產(chǎn)生必要的電壓電平。第一個電荷泵基本上是標(biāo)準(zhǔn)+5V電源的兩倍，以提供驅(qū)動邏輯0所需的電壓電平。第二個電荷泵反相該電壓，并提供驅(qū)動邏輯1所需的電壓電平。這兩個電荷泵允許RS-232接口產(chǎn)品采用+5V單電源供電。

最大數(shù)據(jù)速率

RS-232標(biāo)準(zhǔn)的另一個限制是最大數(shù)據(jù)速率。該標(biāo)準(zhǔn)定義了20kbps的最大數(shù)據(jù)速率，這對于當(dāng)今的許多應(yīng)用來說都是不必要的慢。達拉斯半導(dǎo)體制造的RS-232產(chǎn)品保證高達250kbps，通?？梢酝ㄐ鸥哌_350kbps。在此頻率下提供通信速率的同時，器件仍保持最大30V/ms的最大壓擺率，以降低相鄰信號之間發(fā)生串?dāng)_的可能性。

最大電纜長度

正如我們所看到的，曾經(jīng)包含在RS-232標(biāo)準(zhǔn)中的電纜長度規(guī)格已被2500pF的最大負載電容規(guī)格所取代。要確定允許的電纜總長度，必須確定總線路電容。圖6顯示了導(dǎo)體總線路電容的簡單近似值?？梢钥闯?，總電容近似為信號導(dǎo)體和導(dǎo)體之間的互電容之和，以屏蔽電容（或非屏蔽電纜情況下的雜散電容）。

例如，假設(shè)用戶決定在互連設(shè)備時使用非屏蔽電纜。電纜的互電容 （Cm） 在電纜的規(guī)格中為每英尺 20pF。假設(shè)接收器的輸入電容為20pF，則用戶將有2480pF用于互連電纜。根據(jù)圖6中的公式，每英尺的總電容為30pF。將 2480pF 除以 30pF 顯示最大電纜長度約為 80 英尺。如果需要更長的電纜長度，用戶必須找到互電容較小的電纜。

圖6.接口電纜電容型號，每單位長度。

審核編輯：郭婷