深空探测数据接口篇（三）：通用异步串行通信标准——RS232、RS422 与 RS485

目录

前言

1. 通用异步串口通信概述

1.1 逻辑电平与信号分类

2. 物理层架构与接口标准

2.1 RS232：经典的“点对点”基础

2.2 RS422：高速、全双工的进阶

2.3 RS485：灵活的多点总线

3. 数据传输方式与帧格式

3.1 异步通信帧结构（UART）

3.2 波特率（Baud Rate）

4. 核心特性对比表

5. 典型协议芯片简介

5.1 RS232 芯片：MAX232 / SP3232

5.2 RS422 芯片：MAX3488/MAX3490

5.2.1 MAX3488/MAX3490（不带使能控制引脚）

5.2.2 MAX3491：全双工通信 (Full-Duplex, 带使能控制)

5.3 RS485芯片

5.3.1 (MAX3483/MAX3485/MAX3486)：半双工通信 (Half-Duplex)

6. 总结与 FPGA 设计建议

7.参考资料

前言

        在深入剖析了 1553B 这种高可靠性航空总线之后，本章将视角转向更基础、应用最广泛的通用串行通信接口。作为深空探测载荷与星载计算机之间最常见的“对话”方式，RS232、RS422 与 RS485 构成了航天电子系统底层数据链路的基石。本文将针对这三种接口的电平机制、物理层架构及典型协议芯片展开详细对比与深度解析。

1. 通用异步串口通信概述

        串行通信一般有 2 种通信方式：同步串行通信（synchronized serial communication）和异步串行通信 （asynchronous serial communication）。其中，深空探测中更为常见的的异步串口通信。串口通信（Serial Communication）是指外设和计算机间通过数据信号线、地线等，按位（bit）进行传输的通信方式。虽然在星载骨干网中 SpaceWire 和 1553B 占据主导，但在简单的传感器数据采集、姿控陀螺仪接口以及实验载荷调试中，RS232/422/485 凭借其硬件实现简单、协议开销小的优点，依然不可替代。

1.1 逻辑电平与信号分类

        串口通信标准主要定义了物理层的电气特性，根据信号传输方式的不同，可分为两大类：

• 单端信号（Single-ended）：以地（GND）为参考，如 RS232。

• 差分信号（Differential）：通过两根信号线的电压差传输，如 RS422 和 RS485。

2. 物理层架构与接口标准

2.1 RS232：经典的“点对点”基础

        RS232 是最早的串行通信标准，主要用于短距离、低速通信。

• 信号线：最简模式仅需 3 根线（TXD, RXD, GND）。

• 电平特征：采用负逻辑电平。逻辑“1”为 ，逻辑“0”为。

• 缺点：抗干扰能力差，传输距离通常不超过 15 米，且由于共地噪声的影响，不适合复杂的电磁环境;RS-232 仅支持一对一通信，存在无法实现多 个设备互联的缺点。

        RS-232 标准的串口最常见的接口类型为 DB9，样式如图2-1所示，工业控制领域中用到的工控机一般都配备多个串口，很多老式台式机也都配有串口。但是笔记本电脑以及较新一点的台式机都没有串口，它们一 般通过 USB 转串口线（图2-2）来实现与外部设备的串口通信。

图2-1 DB9 接口

图2-2 USB 串口线

        
DB9 接口定义以及各引脚功能说明如图2-3所示，我们一般只用到其中的 2（RXD）、3（TXD）、5（GND） 引脚，其他引脚在普通串口模式下一般不使用。

图2-3 DB9 接口定义

        目前更常见的RS232接口更多采用的是USB TYPE_C 接口，具有体积小的优势，该接口样式如图2-4所示。电路上会采用USB转串口芯片，如CH340E，电路连接示意图如图2-5所示。

图2-4 USB TYPE_C 接口

图2-5 USB 串口通信连接示意图

2.2 RS422：高速、全双工的进阶

        为了解决 RS232 距离短、速率慢的问题，RS422 引入了差分平衡传输技术。

• 线制架构：采用 4 线制（T+, T-, R+, R-）加信号地。

• 传输能力：支持单机发送、多机接收（1 主 10 从），最高速率可达 10Mbps，距离可达 1200 米。

• 优势：差分信号天然抵消共模干扰，在深空探测器内部子系统间数据交换中非常常用。

        信号差分传输示意图，如图2-6，干扰信号抵消原理如图2-7所示。

图2-6 差分传输方式

图2-7 差分传输抑制共模干扰

2.3 RS485：灵活的多点总线

        RS485 是基于 RS422 的改进，主要增强了多点通信能力。

• 线制架构：通常采用 2 线制（A, B）半双工模式。

• 拓扑结构：支持真正的多主多从（通常 32 个节点，增强型可达 256 个）。

• 电平逻辑： 为逻辑“1”， 为逻辑“0”。

        多点连接方式：

图2-8 多点连接方式

3. 数据传输方式与帧格式

3.1 异步通信帧结构（UART）

        虽然电气标准不同，但这三者通常共享相同的 UART（通用异步收发传输器） 帧格式。一个完整的数据帧如图3-1所示。

图3-1 UATR数据帧格式

• 起始位 (Start Bit)：固定为 1 bit 的低电平，标志着一帧数据的开始。

• 数据位 (Data Bits)：通常为 8 bit（也可配置为 5~9 bit），承载实际业务数据。

• 校验位 (Parity Bit)：可选。用于奇偶校验，检测传输过程中的位翻转。奇偶性描述数字是偶数还是奇数。通过奇偶校验位，接收 UART 判断传输期间是否有数据 发生改变。电磁辐射、不一致的波特率或长距离数据传输都可能改变数据位。接收 UART 读取数据帧后， 将计数值为 1 的位，检查总数是偶数还是奇数。如果奇偶校验位为 0（偶数奇偶校验），则数据帧中的 1 或 逻辑高位总计应为偶数。如果奇偶校验位为 1（奇数奇偶校验），则数据帧中的 1 或逻辑高位总计应为奇数。 当奇偶校验位与数据匹配时，UART 认为传输未出错。但是，如果奇偶校验位为 0，而总和为奇数，或者奇 偶校验位为 1，而总和为偶数，则 UART 认为数据帧中的位已改变。

• 停止位 (Stop Bit)：固定为高电平，可选 1、1.5 或 2 bit，用于告知接收方帧结束。

3.2 波特率（Baud Rate）

        由于是异步通信，收发双方必须预先约定相同的采样频率，即波特率（如 9600, 115200 bps）。在 FPGA 实现中，通常需要一个高频时钟进行 16 倍采样，以精确定位起始位的下降沿。

4. 核心特性对比表

        为了直观展示三者的区别，下表总结了其关键物理参数：

5. 典型协议芯片简介

        在 FPGA 系统设计中，我们通常使用收发器芯片（Transceiver）将 FPGA 的 LVTTL 电平转换为上述标准电平。

5.1 RS232 芯片：MAX232 / SP3232

• 特点：内置电荷泵，只需单 3.3V 或 5V 供电即可产生 RS232 所需的正负倍压。

• 应用：FPGA 开发板常见的调试串口。

5.2 RS422 芯片：MAX3488/MAX3490

5.2.1 MAX3488/MAX3490（不带使能控制引脚）

        全双工通信 (Full-Duplex, 无使能控制)，连接方式如图5-1所示。

图5-1 MAX3488/MAX3490连接示意图

       这种连接方式常用于点对点或特定的全双工 RS-422 系统。

• 连接特点： 拥有独立的发送线对（Y、Z）和接收线对（A、B）。总共需要 4 根信号线。

• 通信模式： 全双工。数据可以同时进行发送和接收。

• 控制逻辑： 该型号（8 引脚封装）没有 DE 或 RE 引脚。驱动器和接收器是始终开启的。这简化了电路设计，但不支持在多点总线上关闭输出以腾出带宽。

5.2.2 MAX3491：全双工通信 (Full-Duplex, 带使能控制)

        连接方式如图5-2所示。

这是功能最全的连接方式，通常采用 14 引脚封装。

• 连接特点： 同样拥有独立的发送线对（Y、Z）和接收线对（A、B），属于 4 线制连接。

• 通信模式： 全双工。支持同时双向通信。

• 控制逻辑： 与图5-1不同，它增加了 DE 和 RE 控制引脚。这使得系统可以根据需要禁用驱动器或接收器。这在多节点（Multi-drop）全双工系统中非常有用，允许某个节点在不发送数据时将输出置为高阻态，从而不干扰总线上的其他发送者。

        一般的芯片是同时包含驱动器和接收器的，但有些芯片仅仅是只含驱动器或者只含接收器。

5.3 RS485芯片

5.3.1 (MAX3483/MAX3485/MAX3486)：半双工通信 (Half-Duplex)

        连接方式如图5-3所示。这是最常见的 RS-485 连接方式。

• 连接特点： 驱动器（Driver）和接收器（Receiver）共用同一对差分信号线（A 和 B）。

• 通信模式： 半双工。这意味着数据可以在两个方向上传输，但不能同时进行。在同一时刻，节点要么处于发送状态，要么处于接收状态。

• 控制逻辑： 通过 DE（驱动器使能）和 RE（接收器使能，低电平有效）引脚来切换收发状态。通常将这两个引脚连在一起，用一个信号控制：高电平时发送，低电平时接收。

        代码可参考基于RS-485接口的芯片的FPGA驱动程序_adm3485-CSDN博客.

6. 总结与 FPGA 设计建议

在深空探测项目的 FPGA 设计中，建议遵循以下原则：

7.参考资料

（1）MAX3483-MAX3491.pdf

（2）5_vivado_【正点原子】Kintex7之FPGA开发指南V1.1.pdf

        以上就是本次笔记的内容。