（補充）RS422

RS422

1. 基本定義與定位

官方名稱： EIA/TIA-422（電子工業協會/電信工業協會標準422）。
類型： 一種定義了電氣特性的 平衡式差分 串行通信標準。
目的： 克服 RS-232 在傳輸距離、速率和抗干擾能力上的嚴重局限性。
核心思想： 利用兩根線傳輸一個信號（正相和反相），通過檢測兩根線之間的 電壓差 來判斷邏輯狀態（0或1），而非像 RS-232 那樣檢測單根線對地的絕對電壓。這種差分傳輸方式是其高性能的關鍵。

2. 關鍵電氣特性

差分信號：
- 每個信號通道（如 Tx+/-， Rx+/-）使用一對導線（通常稱為 A 和 B，或 + 和 -）。
- 發送器（Driver）產生一對幅度相等、相位相反的電壓信號（V_A 和 V_B）。
- 接收器（Receiver）檢測的是兩根線之間的 電壓差： V_diff = V_A - V_B。
- 邏輯 1 (Mark)： V_diff < -0.2V (通常發送器會驅動到 -2V 或更低)
- 邏輯 0 (Space)： V_diff > +0.2V (通常發送器會驅動到 +2V 或更高)
- 不確定狀態： -0.2V <= V_diff <= +0.2V (應避免出現)
共模電壓范圍：
- 接收器能夠容忍兩根信號線對地參考點的電壓同時偏移的范圍。RS-422 接收器具有很寬的共模電壓范圍（通常為 -7V 到 +7V）。
- 這是其強大抗干擾能力的基礎：疊加在兩根信號線上相同的噪聲（共模噪聲）會被接收器抵消掉，因為它只關心兩者之間的差值。
輸出電平：
- 發送器在空載（未接接收器）時，差分輸出電壓通常在 ±5V 到 ±10V 之間（標準要求最小 ±2V）。接入負載（通常是 100Ω 終端電阻）后，差分電壓會下降（例如降到 ±2V 左右）。
輸入靈敏度：
- 接收器能可靠檢測的最小差分電壓為 ±200mV（即 |V_diff| > 0.2V）。實際系統中，發送器產生的電壓遠高于此，提供了足夠的噪聲容限。
傳輸速率與距離：
- 理論最大速率可達 10 Mbps。
- 最大傳輸距離可達 1200米 (約4000英尺)。
- 速率和距離是相互制約的： 速率越高，可傳輸距離越短；距離越長，可支持的最大速率越低。例如：
  - 10 Mbps 時，距離可能只有 10-15 米。
  - 100 kbps 時，距離可達 1200 米。
  - 1.2 kbps 時，距離甚至可能超過 1200 米。
- 實際距離還受電纜質量、環境噪聲、終端電阻匹配度等因素影響。

3. 拓撲結構（聯網方式）

點對點： 一個發送器連接一個接收器。這是最簡單、性能最好的方式。
點對多點（Multidrop）：
- 一個發送器，最多連接 10 個接收器。
- 所有接收器都并聯在發送器的同一對差分輸出線上。
- 關鍵限制：RS-422 總線上只能有一個發送器處于激活狀態！ 如果有多個發送器同時發送，會導致信號沖突和硬件損壞。
不支持多發送器： 這是 RS-422 與 RS-485 的一個核心區別。RS-422 總線天生是 單向的 或 主從式的（一個主發送器，多個從接收器）。

4. 接線方式

四線制： RS-422 標準接口通常需要至少 4 條線：
- TXD+ (Transmit Data+) / A / Y
- TXD- (Transmit Data-) / B / Z
- RXD+ (Receive Data+) / A / Y (連接遠端設備的 TXD+)
- RXD- (Receive Data-) / B / Z (連接遠端設備的 TXD-)
全雙工： 由于發送和接收各有獨立的差分對，RS-422 支持 全雙工 通信，即設備可以同時發送和接收數據。這是它與早期 RS-485（通常兩線半雙工）的一個優勢。
信號地： 雖然差分信號對地參考的依賴性較低，但為了提供共模電壓的參考路徑和泄放靜電，通常還是會連接一條信號地線（GND）。在長距離或高噪聲環境下，良好的接地非常重要。
終端電阻：
- 為了消除信號在電纜末端反射造成的失真（尤其在高速率或長距離時），必須在 傳輸線的最遠端（即最后一個接收器處）跨接在差分線上（TXD+和TXD-之間，以及RXD+和RXD-之間）一個 終端電阻。
- 電阻值： 通常等于電纜的 特性阻抗。對于常見的雙絞線電纜，特性阻抗為 120Ω，因此終端電阻通常使用 120Ω。
- 位置： 必須安裝在物理拓撲的最遠端。如果總線有分支，電阻應接在分支的末端。點對點連接時，電阻接在接收器端。
- 作用： 匹配阻抗，吸收信號能量，防止反射。

5. 主要優勢（相比 RS-232）

超長的傳輸距離： 可達 1200 米（遠優于 RS-232 的 15-25 米）。
極高的傳輸速率： 可達 10 Mbps（遠高于 RS-232 的 115.2 kbps 或更低）。
卓越的抗干擾能力： 差分傳輸和寬共模范圍使其對電磁干擾（EMI）、共模噪聲和地電位差具有極強的免疫力，非常適合工業等噪聲環境。
較低的信號電壓： 雖然驅動電壓可能不低，但接收端只需檢測很小的差分電壓（200mV），降低了功耗和設計復雜度。

6. 主要局限與缺點

四線制： 比 RS-485（兩線半雙工）需要更多的線纜，成本和布線復雜度更高。
單發送器限制： 總線只能有一個發送器工作，限制了構建多主機（對等）網絡的能力。如果需要多發送器，必須使用 RS-485。
需要終端電阻： 高速或長距離應用必須正確安裝終端電阻，否則通信會不穩定甚至失敗。增加了安裝和維護的復雜度。
成本： 接口芯片（如 MAX488, MAX490, AM26LV31/32, SN75179 等）通常比基本的 RS-232 芯片貴。

7. 典型應用場景

需要長距離可靠通信的場合：
- 工業自動化（PLC 通信、傳感器數據采集、控制信號傳輸）
- 樓宇自動化
- 過程控制
- 安防系統（如 CCTV 攝像機的云臺控制 - PTZ）
需要高速率通信的場合（尤其是在一定距離內）：
- 儀器儀表
- 數據采集系統
- 專業音視頻設備控制
替代 RS-232 擴展距離或提高抗干擾能力：
- 計算機與遠程終端、打印機或其他外設的連接。
點對點或單主多從（接收）通信系統。

8. 與 RS-485 的關系

共同點：
- 都使用平衡差分傳輸原理。
- 都具有長距離、高速率、高抗干擾能力的優勢。
- 都使用類似的接口芯片（很多芯片同時兼容 RS-422 和 RS-485 接收規范）。
- 都需要終端電阻。
關鍵區別：
- 發送器數量： 這是最核心的區別。
  - RS-422： 總線只允許 一個發送器 工作。天生是點對點或單主（發）多從（收）。
  - RS-485： 總線允許多個發送器（最多 32 個單位負載），但需要協議控制避免沖突（如主從輪詢、令牌傳遞）。天生支持多主/半雙工或全雙工（四線）網絡。
- 拓撲靈活性： RS-485 在構建多節點、多發送器網絡方面比 RS-422 靈活得多。
- 接線：
  - RS-422 通常是 4線全雙工 (獨立的收發通道)。
  - RS-485 可以是 2線半雙工 (共用一對線收發) 或 4線全雙工 (獨立的收發通道，較少用)。
- 輸出特性： RS-422 發送器通常設計為驅動固定負載（終端電阻）。RS-485 發送器設計為能驅動總線處于三態（高阻態），以便多個發送器分時共享總線。
- 應用定位：
  - RS-422： 更專注于 高性能的點對點或單向廣播式通信 (一個發，多個收)。
  - RS-485： 更專注于 經濟、靈活的多點通信網絡 (多個發/收設備共享總線)。

以下是一個使用 Qt C++11 實現 RS422 通信的完整示例，包含詳細的配置說明和錯誤處理：

#include <QCoreApplication>
#include <QSerialPort>
#include <QSerialPortInfo>
#include <QDebug>
#include <QTimer>class RS422Communicator : public QObject {Q_OBJECT
public:explicit RS422Communicator(QObject *parent = nullptr) : QObject(parent) {// 初始化串口對象serialPort.setPortName("/dev/ttyUSB0"); // Linux示例，Windows改為 "COM3"// 配置RS422關鍵參數serialPort.setBaudRate(QSerialPort::Baud115200);  // 波特率serialPort.setDataBits(QSerialPort::Data8);       // 數據位serialPort.setParity(QSerialPort::NoParity);      // 無校驗serialPort.setStopBits(QSerialPort::OneStop);     // 停止位serialPort.setFlowControl(QSerialPort::HardwareControl); // 硬件流控(RTS/CTS)// 連接信號槽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;}// 啟用RS422模式需要的特殊控制信號（根據硬件可能需要）serialPort.setRequestToSend(true);   // 保持RTS有效serialPort.setDataTerminalReady(true); // DTR信號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(' ');// 這里添加數據處理邏輯}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：定時發送數據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); // 每秒發送一次return a.exec();
}#include "main.moc" // 用于Q_OBJECT的moc處理

總結：

RS-422 是一個強大的平衡差分串行通信標準，它通過差分信號傳輸、寬共模范圍和規定終端電阻，在 長距離（1200米）和 高速度（10Mbps）上實現了遠超 RS-232 的 高可靠性和強抗干擾能力。它最適合 點對點 或 單發送器連接多個接收器（點對多點） 的應用場景。其主要限制是只能有一個發送器，且需要四線制。當需要構建支持多個發送器的網絡時，應選擇 RS-485 標準。