（补充）RS422

RS422

1. 基本定义与定位

• 官方名称： EIA/TIA-422（电子工业协会/电信工业协会标准422）。
• 类型： 一种定义了电气特性的 平衡式差分 串行通信标准。
• 目的： 克服 RS-232 在传输距离、速率和抗干扰能力上的严重局限性。
• 核心思想： 利用两根线传输一个信号（正相和反相），通过检测两根线之间的 电压差 来判断逻辑状态（0或1），而非像 RS-232 那样检测单根线对地的绝对电压。这种差分传输方式是其高性能的关键。

2. 关键电气特性

• 差分信号：
  • 每个信号通道（如 Tx+/-， Rx+/-）使用一对导线（通常称为 A 和 B， 或 + 和 -）。
  • 发送器（Driver）产生一对幅度相等、相位相反的电压信号（V_A 和 V_B）。
  • 接收器（Receiver）检测的是两根线之间的 电压差： V_diff = V_A - V_B。
  • 逻辑 1 (Mark)： V_diff < -0.2V (通常发送器会驱动到 -2V 或更低)
  • 逻辑 0 (Space)： V_diff > +0.2V (通常发送器会驱动到 +2V 或更高)
  • 不确定状态： -0.2V <= V_diff <= +0.2V (应避免出现)
• 共模电压范围：
  • 接收器能够容忍两根信号线对地参考点的电压同时偏移的范围。RS-422 接收器具有很宽的共模电压范围（通常为 -7V 到 +7V）。
  • 这是其强大抗干扰能力的基础：叠加在两根信号线上相同的噪声（共模噪声）会被接收器抵消掉，因为它只关心两者之间的差值。
• 输出电平：
  • 发送器在空载（未接接收器）时，差分输出电压通常在 ±5V 到 ±10V 之间（标准要求最小 ±2V）。接入负载（通常是 100Ω 终端电阻）后，差分电压会下降（例如降到 ±2V 左右）。
• 输入灵敏度：
  • 接收器能可靠检测的最小差分电压为 ±200mV（即 |V_diff| > 0.2V）。实际系统中，发送器产生的电压远高于此，提供了足够的噪声容限。
• 传输速率与距离：
  • 理论最大速率可达 10 Mbps。
  • 最大传输距离可达 1200米 (约4000英尺)。
  • 速率和距离是相互制约的： 速率越高，可传输距离越短；距离越长，可支持的最大速率越低。例如：
    • 10 Mbps 时，距离可能只有 10-15 米。
    • 100 kbps 时，距离可达 1200 米。
    • 1.2 kbps 时，距离甚至可能超过 1200 米。
  • 实际距离还受电缆质量、环境噪声、终端电阻匹配度等因素影响。

3. 拓扑结构（联网方式）

• 点对点： 一个发送器连接一个接收器。这是最简单、性能最好的方式。
• 点对多点（Multidrop）：
  • 一个发送器，最多连接 10 个接收器。
  • 所有接收器都并联在发送器的同一对差分输出线上。
  • 关键限制：RS-422 总线上只能有一个发送器处于激活状态！ 如果有多个发送器同时发送，会导致信号冲突和硬件损坏。
• 不支持多发送器： 这是 RS-422 与 RS-485 的一个核心区别。RS-422 总线天生是 单向的 或 主从式的（一个主发送器，多个从接收器）。

4. 接线方式

• 四线制： RS-422 标准接口通常需要至少 4 条线：
  • TXD+ (Transmit Data+) / A / Y
  • TXD- (Transmit Data-) / B / Z
  • RXD+ (Receive Data+) / A / Y (连接远端设备的 TXD+)
  • RXD- (Receive Data-) / B / Z (连接远端设备的 TXD-)
• 全双工： 由于发送和接收各有独立的差分对，RS-422 支持 全双工 通信，即设备可以同时发送和接收数据。这是它与早期 RS-485（通常两线半双工）的一个优势。
• 信号地： 虽然差分信号对地参考的依赖性较低，但为了提供共模电压的参考路径和泄放静电，通常还是会连接一条信号地线（GND）。在长距离或高噪声环境下，良好的接地非常重要。
• 终端电阻：
  • 为了消除信号在电缆末端反射造成的失真（尤其在高速率或长距离时），必须在 传输线的最远端（即最后一个接收器处）跨接在差分线上（TXD+和TXD-之间，以及RXD+和RXD-之间）一个 终端电阻。
  • 电阻值： 通常等于电缆的 特性阻抗。对于常见的双绞线电缆，特性阻抗为 120Ω，因此终端电阻通常使用 120Ω。
  • 位置： 必须安装在物理拓扑的最远端。如果总线有分支，电阻应接在分支的末端。点对点连接时，电阻接在接收器端。
  • 作用： 匹配阻抗，吸收信号能量，防止反射。

5. 主要优势（相比 RS-232）

• 超长的传输距离： 可达 1200 米（远优于 RS-232 的 15-25 米）。
• 极高的传输速率： 可达 10 Mbps（远高于 RS-232 的 115.2 kbps 或更低）。
• 卓越的抗干扰能力： 差分传输和宽共模范围使其对电磁干扰（EMI）、共模噪声和地电位差具有极强的免疫力，非常适合工业等噪声环境。
• 较低的信号电压： 虽然驱动电压可能不低，但接收端只需检测很小的差分电压（200mV），降低了功耗和设计复杂度。

6. 主要局限与缺点

• 四线制： 比 RS-485（两线半双工）需要更多的线缆，成本和布线复杂度更高。
• 单发送器限制： 总线只能有一个发送器工作，限制了构建多主机（对等）网络的能力。如果需要多发送器，必须使用 RS-485。
• 需要终端电阻： 高速或长距离应用必须正确安装终端电阻，否则通信会不稳定甚至失败。增加了安装和维护的复杂度。
• 成本： 接口芯片（如 MAX488, MAX490, AM26LV31/32, SN75179 等）通常比基本的 RS-232 芯片贵。

7. 典型应用场景

• 需要长距离可靠通信的场合：
  • 工业自动化（PLC 通信、传感器数据采集、控制信号传输）
  • 楼宇自动化
  • 过程控制
  • 安防系统（如 CCTV 摄像机的云台控制 - PTZ）
• 需要高速率通信的场合（尤其是在一定距离内）：
  • 仪器仪表
  • 数据采集系统
  • 专业音视频设备控制
• 替代 RS-232 扩展距离或提高抗干扰能力：
  • 计算机与远程终端、打印机或其他外设的连接。
• 点对点或单主多从（接收）通信系统。

8. 与 RS-485 的关系

• 共同点：
  • 都使用平衡差分传输原理。
  • 都具有长距离、高速率、高抗干扰能力的优势。
  • 都使用类似的接口芯片（很多芯片同时兼容 RS-422 和 RS-485 接收规范）。
  • 都需要终端电阻。
• 关键区别：
  • 发送器数量： 这是最核心的区别。
    • RS-422： 总线只允许 一个发送器 工作。天生是点对点或单主（发）多从（收）。
    • RS-485： 总线允许多个发送器（最多 32 个单位负载），但需要协议控制避免冲突（如主从轮询、令牌传递）。天生支持多主/半双工或全双工（四线）网络。
  • 拓扑灵活性： RS-485 在构建多节点、多发送器网络方面比 RS-422 灵活得多。
  • 接线：
    • RS-422 通常是 4线全双工 (独立的收发通道)。
    • RS-485 可以是 2线半双工 (共用一对线收发) 或 4线全双工 (独立的收发通道，较少用)。
  • 输出特性： RS-422 发送器通常设计为驱动固定负载（终端电阻）。RS-485 发送器设计为能驱动总线处于三态（高阻态），以便多个发送器分时共享总线。
  • 应用定位：
    • RS-422： 更专注于 高性能的点对点或单向广播式通信 (一个发，多个收)。
    • RS-485： 更专注于 经济、灵活的多点通信网络 (多个发/收设备共享总线)。

以下是一个使用 Qt C++11 实现 RS422 通信的完整示例，包含详细的配置说明和错误处理：

#include <QCoreApplication>
#include <QSerialPort>
#include <QSerialPortInfo>
#include <QDebug>
#include <QTimer>class RS422Communicator : public QObject {Q_OBJECT
public:explicit RS422Communicator(QObject *parent = nullptr) : QObject(parent) {// 初始化串口对象serialPort.setPortName("/dev/ttyUSB0"); // Linux示例，Windows改为 "COM3"// 配置RS422关键参数serialPort.setBaudRate(QSerialPort::Baud115200);  // 波特率serialPort.setDataBits(QSerialPort::Data8);       // 数据位serialPort.setParity(QSerialPort::NoParity);      // 无校验serialPort.setStopBits(QSerialPort::OneStop);     // 停止位serialPort.setFlowControl(QSerialPort::HardwareControl); // 硬件流控(RTS/CTS)// 连接信号槽connect(&serialPort, &QSerialPort::readyRead, this, &RS422Communicator::handleReadyRead);connect(&serialPort, &QSerialPort::errorOccurred, this, &RS422Communicator::handleError);}bool openConnection() {if (!serialPort.open(QIODevice::ReadWrite)) {qCritical() << "Failed to open port" << serialPort.portName() << "Error:" << serialPort.errorString();return false;}// 启用RS422模式需要的特殊控制信号（根据硬件可能需要）serialPort.setRequestToSend(true);   // 保持RTS有效serialPort.setDataTerminalReady(true); // DTR信号qInfo() << "RS422 port opened successfully:" << serialPort.portName();return true;}void sendData(const QByteArray &data) {if (!serialPort.isOpen()) {qWarning() << "Port not open! Cannot send data.";return;}qint64 bytesWritten = serialPort.write(data);if (bytesWritten == -1) {qCritical() << "Write error:" << serialPort.errorString();} else if (bytesWritten != data.size()) {qWarning() << "Partial write:" << bytesWritten << "/" << data.size() << "bytes";} else {qDebug() << "Data sent:" << data.toHex(' ');}}public slots:void handleReadyRead() {QByteArray data = serialPort.readAll();while (serialPort.waitForReadyRead(50)) {data += serialPort.readAll();}qDebug() << "Received:" << data.size() << "bytes | Hex:" << data.toHex(' ');// 这里添加数据处理逻辑}void handleError(QSerialPort::SerialPortError error) {if (error == QSerialPort::NoError) return;qCritical() << "Serial error:" << error << "-" << serialPort.errorString();if (error == QSerialPort::ResourceError) {serialPort.close();qCritical() << "Port closed due to critical error";}}private:QSerialPort serialPort;
};int main(int argc, char *argv[]) {QCoreApplication a(argc, argv);qInfo() << "Available serial ports:";foreach (const QSerialPortInfo &info, QSerialPortInfo::availablePorts()) {qInfo() << " -" << info.portName() << info.description();}RS422Communicator rs422;if (!rs422.openConnection()) {return 1;}// 示例：定时发送数据QTimer sendTimer;QObject::connect(&sendTimer, &QTimer::timeout, [&rs422]() {static int counter = 0;QString message = QString("RS422 Test %1").arg(counter++);rs422.sendData(message.toUtf8());});sendTimer.start(1000); // 每秒发送一次return a.exec();
}#include "main.moc" // 用于Q_OBJECT的moc处理

总结：

RS-422 是一个强大的平衡差分串行通信标准，它通过差分信号传输、宽共模范围和规定终端电阻，在 长距离（1200米）和 高速度（10Mbps）上实现了远超 RS-232 的 高可靠性和强抗干扰能力。它最适合 点对点 或 单发送器连接多个接收器（点对多点） 的应用场景。其主要限制是只能有一个发送器，且需要四线制。当需要构建支持多个发送器的网络时，应选择 RS-485 标准。