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UART3.2 波特率Baud Rate4. 核心特性对比表5. 典型协议芯片简介5.1 RS232 芯片MAX232 / SP32325.2 RS422 芯片MAX3488/MAX34905.2.1 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 2RXD、3TXD、5GND 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特性RS232RS422RS485工作模式全双工全双工半双工 (常见) / 全双工传输方式单端信号差分信号差分信号标准线数3 线 (TX, RX, GND)5 线 (T/-, R/-, GND)3 线 (A, B, GND)最大速率115.2 kbps10 Mbps10 Mbps最大距离15 m1200 m1200 m负载能力1 对 11 主 10 从32 个节点 (可扩展)共模抑制差强强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/MAX34905.2.1 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电气隔离由于探测器不同载荷间可能存在电位差建议在收发器与 FPGA 之间加入磁隔离如 ADuM 系列这与 1553B 的变压器耦合初衷一致。终端匹配对于 RS422 和 RS485 的长距离传输必须在接收端 A、B 线间接入120Ω 匹配电阻以消除信号反射。状态机设计在编写 Verilog 时UART 接收模块应设计为有限状态机FSM利用过采样技术提高抗噪能力。7.参考资料1MAX3483-MAX3491.pdf25_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。