安防视频监控系统通信接口方式及其选择

更新时间:2022-06-10

对大部分国内厂家生产的集成控制系统来说,主机与分机控制键盘及解码器之间的通信,一般是采用RS-485通信协议。而国外产品,则多采用曼彻斯特(Manchester)编/解码通信接口方式,另有一些厂家的产品选用了RS-422、RS-232C等通信接口方式。

一、RS-485通信接口方式

RS-485通信接口方式是国内厂家应用比较多的一种编码通信方式。使用的芯片主要是MAXIM公司的MAX487或MAX1487,以及TI公司(Texas Instruments)的SN65LBC184和SN75LBC184等。

实际上,MAXIM公司的RS-485通信IC系列,包括MAX481~MAX491等10余种芯片,每种芯片都包括发送和接收两个部分。由于MAX487和MAX1487允许在通信总线上并接128片同样芯片,而该系列其他芯片最多只能在总线上并接32片同样芯片。因此,国内厂家大都选择MAX487和MAX1487应用于其系统主机上,使得该主机最多可以挂接128个解码器,从而满足一般中型监控系统的需要。TI公司的SN65LBC184和SN75LBC184为1/2单位负载,它可以在总线上并接64片同样芯片,因此也有些厂家选用此芯片。

MAX487和MAX1487均为半双工通信方式,即可以在同一对双绞线上分时完成双向通信,芯片要么处于发送数据状态,要么处于接收芯片状态。该芯片采用单-5V电源供电,可接收-7~+12V信号输入电平。MAX487和MAX1487的结构及典型工作电路如图1所示。


图1 MAX487和MAX1487的结构及典型工作电路

通常,RS-485接收器的单位输入阻抗为12kΩ,总线上最多可以带32个芯片;而MAX487和MAX1487采用了1/4单位负载,即48kΩ,因此总线上的最大负载数量增加为原来的4倍,达128个芯片。

一般,RS-485通信的标准通信长度,约为1.2km,如增加双绞线的线径,则通信长度还可延长。在实际应用中,用RVV-2/1.0的两芯护套线作通信线,其通信长度可达2km以上。

二、曼彻斯特通信方式

曼彻斯特通信方式,可由编/解码专用芯片来实现,如台湾华隆微电子公司生产的曼彻斯特编/解码器HM9209、HM9210及HM9215等。其中,HM9209为18引脚,HM9210为20引脚,而HM9215为28引脚。这三种芯片均为收/发一体型芯片,通过对其收/发控制端TX/RX状态的控制,即可决定芯片本身的收/发工作状态。这三种芯片的主要差别是,它们对并行处理的曼彻斯特码的位数不同,如HM9209并行处理9位曼彻斯特码,HM9210并行处理10位曼彻斯特码,而HM9215可并行处理15位曼彻斯特码。HM9215专门用于远程控制、安全监控、报警控制及无绳电话等方面。每一个芯片都含有发送器和接收器电路,由引脚Tx/Rx的状态决定其是发送方式还是接收方式。在发送方式时,该芯片可以将输入的15位曼彻斯特码形式的数码,编码成1~32768之间的串行数据发送出去。在接收方式时,该芯片则可以将被发送过来的串行数据进行译码,并与本地码进行比较鉴别,从而输出比较结果。

编码方式功能方框如图2所示。


图2 HM9215的编码功能

选择编码功能是把TX/RX控制信号线接到VDD上,即发送方式。该电路一次获取15位并行数据,将其编码为不归零(NRZ)制,与时钟信号混合成曼彻斯特码送到D/DO脚发送出去。S/DI每激活一次,编码器就发岀一组串行数据。编码数据分两部分发送:第一部分是一串12个“1”,以作为前同步信号,后跟一个空格指示编码数据跟在后面。这个前同步信号,用来同步接收器的锁定为低的一个脉冲。第二部分即编码信息,包含15位地址或控制信号。

选择译码功能是把TX/RX控制信号线接到地线上。在这种方式下,电路将接收串行曼彻斯特码格式的数据,释出其中的时钟信号,取样15位数据与本地数据比较。如果两个数据匹配,则D/DO输出将变为逻辑“1”;如果两个数据不匹配,则D/DO输出将保持为“0”;如果这两个数据不匹配,但15位数据流有效,则只有输出有效信号DV为逻辑“1”。

三、RS-232C通信接口方式

RS-232C是美国电子工业协会(EIA)正式公布的串行总线标准,也是目前最常用的串第6章安防视频监控系统的处理控制设备行接口标准,通常用它来实现计算机与计算机之间、计算机与外设之间的数据通信。RS-232C串行接口总线适用于设备之间的通信距离不大于15m,传输速率最大为20kBpS。

一个完整的RS-232C接口有22根线,采用标准的25芯插头座。RS-232C采用负逻辑,即逻辑“1”为-5V~-15V,逻辑“0”为+5V~+15V。

RS-232C接口的主要电气性能如表1所示。

表1 RS-232C电气特性表
带3~7kΩ载时驱动器的输出电平 逻辑1:-5~-15V;逻辑0:+5~+15V
不带负载时驱动器的输出电平 -25~+25V
驱动器通断时的输出阻抗 >300n
输出短路电流 <0.5A
驱动器转换速率 <30V/ps
接收器输入阻抗 3—7kΩ
接收器输入电压的允许范围 -25~+25V
输入开路时接收器的输出 逻辑1
输入经300Ω接地时接收器的输出 逻辑1
+3V输入时接收器的输出 逻辑0
-3V输入时接收器的输出 逻辑1
最大负载电容 2500pF

 

用RS-232C总线连接系统时,有近程通信方式和远程通信方式之分。近程通信是指传输距离小于15m的通信,这时可以用RS-232C电缆直接连接。15m以上的长距离通信,则要采用调制解调器(MODEM)。当计算机与终端之间利用RS-232C进行近程连接时,这时有几根线实现交换连接。计算机与终端之间利用RS-232C连接的最常用的交叉连线图,如图3所示。


图3 计算机与终端的RS-232C连接

图中,发送数据与接收数据是交叉相连的,这样就可使两台设备都能正确地发送和接收。数据终端就绪与数据设备就绪两根线,也是交叉相连的,这使得两设备都能检测出对方是否已经准备好。一般,构成RS-232C标准接口的硬件有多种,如INS8250、lntel8251A、Z80-SIO等通信接口芯片。通过编程,可使其满足RS-232C通信接口的要求,如IBM-PC系列微机配备的标准RS-232C接口就是由INS8250芯片构成的。

RS-232C规定了自己的电气标准,而此标准并不能满足TTL电平的传送要求。因此,当RS-232C电平与TTL电平接口连接时,必须进行电平转换。目前,RS-232C与TTL的电平转换最常用的芯片是传输线驱动器MC1488和传输线接收器MC1489。其作用除了这种电平转换外,还实现正负逻辑电平的转换。MC1488芯片内部,有三个与非门和一个反相器,它的供电电压为±12V,输入为TTL电平,输出为RS-232C电平。MC1489芯片内部,有四个反相器,它的供电电压为+5V,输入为RS-232C电平,输出为TTL电平。在MC1489中,每一个反相器都有一个控制端,高电平有效,可作为RS-232C操作的控制端。

四、RS-449、RS-422与RS-423通信接口方式

RS-232C虽然应用很广,但因其推出较早,在现代网络通信中已暴露出明显的缺点,例如数据传输速率慢、通信距离短、未规定标准的连接器、接口处各信号间易产生串扰等。为此,EIA制定出了新的标准RS-449,该标准除了与RS-232C兼容外,还在提高传输速率、增加传输距离、改进电气性能方面做了很大的改进。

(1)RS-449标准接口。RS-449是1977年公布的电子工业标准接口,它在很多方面的应用可代替RS-232C。而两者的主要差别是,信号在导线上传输的方法不同:RS-232C是利用传输信号线与公共地之间的电压差的,而RS-449接口是利用信号导线之间的信号电压差的,它可在1219.2m(即4000英尺)的24-AWG双绞线上进行数字通信,速率可达90000波特率。RS-449规定了两种标准接口连接器,一种为37引脚,另一种为9引脚。

RS-449的优点是,可以不使用调制解调器,它比RS-232C传输速率高、通信距离长,并且由于RS-449系统因为用平衡信号差电路传输高速信号,所以噪声低,又可以多点或者使用公用线通信,两台以上的设备可与RS-449通信电缆并联。

(2)RS-422与RS-423标准接口。RS-422A给出了RS-449应用中对电缆、驱动器和接收器的要求,规定了双端电气接口型式,其标准是双端线传送信号。它通过传输线驱动器,把逻辑电平变换成电位差,以完成始端的信息传送;通过传输线接收器,把电位差转变成逻辑电平,实现终端的信息接收。RS-422A比RS-232C传输信号距离长、速度快,传输率最大为10Mbps,在此速率下电缆允许长度为120m。如果采用较低传输速率,如90000波特率时,最大距离可达1200m»

RS-422的每个通道要用两条信号线,如果其中一条是逻辑“1”状态,另一条就是为逻辑“0”。RS-422电路由发送器、平衡连接电缆、电缆终端负载、接收器几部分组成。在电路中规定只许有一个发送器,可有多个接收器,因此通常采用点对点通信方式。该标准允许驱动器输出为±2~±6V,接收器可以检测到的输入信号电平可低到200mVo

目前RS-422与TTL的电平转换最常用的芯片是传输线驱动器SN75174和传输线接收器SN75175。SN75174芯片是一个具有三态输出的单片四差分线驱动器,其设计符合EIA标准RS-422A规范,适用于噪声环境中长总线的多点传输,它采用+5V电源供电,功能上可与MC3487互换。SN75175芯片是具有三态输出的单片四差分接收器,其设计符合E1A标准RS-422A规范,适用于噪声环境中长总线上的多点总线传输,该片采用+5V电源供电,功能上可与MC3486互换。

RS-422A接口电平转换电路如图4所示。


图4 RS-422A接口电平转换电路

图中,发送器SV75174将TTL电平转换成标准的RS-422A电平,接收器SN75175将RS-422A接口信号转换成TTL信号。

RS-422A和RS-423分别给出在RS-449应用中对电缆、驱动器和接收器的要求,RS-422A给出平衡信号差的规定,RS-423给出不平衡信号差的规定。

RS-423A规定为单端线,而且与RS-232C兼容,其参考电平为地,要求正信号逻辑电平为200mV~6V,负信号逻辑电平为-200mV~-6V。在90m长的电缆上,RS-423A驱动器传送数据的最大速率为100kbps,若速率降低至1kbps,则允许电缆长度为1200m。RS-423A允许在传送线上连接多个接收器,接收器为平衡传输接收器,因此允许驱动器和接收器之间有个地电位差。逻辑“1”状态必须超过4V,但不能高过6V;逻辑“0”状态必须低于-4V,但不能低于-6V。

五、20mA电流环路串行通信接口方式

20mA电流环是目前串行通信广泛使用的一种接口电路,其原理如图5所示,图中的发送正、发送负、接收正、接收负四根线,组成一个输入电流回路,一个输出电流回路。当发送数据时,根据数据的逻辑1、0,使回路有规律地形成通、断状态(图中用开关示意)。

图5 20mA电流环原理图

由于20mA电流环是一种异步串行接口标准,所以在每次发送数据时必须以无电流起始,作为每一个字符的起始位,接收端检测到起始位时,便开始接收字符数据。

电流环串行通信接口的最大优点是低阻传输线对电气噪声不敏感,而且易实现光电隔离,因此在长距离通信时要比RS-232C优越得多。

六、通信接口方式的选择

当采用通信标准接口后,能很方便地把各种微机、外部设备、监控仪器有机地连接起来,从而构成一个监视、控制系统。RS-232C是在异步串行通信中应用最广的标准总线。它包括了按位串行传输的电气和机械方面的规定,适合于短距离或带调制解调器的通信场合。为了提高数据传输率和通信距离,EIA又公布了RS-449、RS-422、RS-423和RS-485串行总线接口标准。20mA电流环是一种非标准的串行接口电路,但由于它具有简单、对电气噪声不敏感的优点,因而在串行通信中也得到广泛使用。为保证高可靠性的通信要求,在选择接口标准时,必须注意以下两点。

(1)通信速度和通信距离。通常,标准串行接口的电气特性,都有满足可靠传输时的最大通信速度和传送距离指标。但这两个指标之间具有相关性:即适当地降低通信速度,可以提高通信距离:反之亦然。例如,采用RS-232C标准进行单向数据传输时,最大数据传输速率为20kbps,最大传送距离为15m。若改用RS-422标准时,则最大传输速率可达10Mbps,最大传送距离为300m。如适当降低数据传输速率,则传送距离可达到1.2km。

(2)抗干扰能力。通常选择的标准接口,在保证不超过其使用范围时,为保证可靠的信号传输,都有一定的抗干扰能力。但在一些工控系统中,通信环境往往十分恶劣,因此在通信介质与接口标准选择时,要充分注意其抗干扰能力,并要采取必要的抗干扰措施。如在长距离传输时,使用RS-422标准,能有效地抑制共模信号干扰;使用20mA电流环技术,能大大降低对噪声的敏感程度。在高噪声污染环境中,通过使用光纤介质减少噪声干扰,通过光电隔离提高通信系统的安全性等,都是一些行之有效的办法。

RS-485是RS-422的变型。RS-422为全双工,可同时发送与接收;RS-485则为半双工,在某一时刻,一个发送另一个接收,当用于多站互连时,可节省信号线,便于高速远距离传送。许多智能仪器设备均配有RS-485总线接口,将它们连网十分方便。

RS-423/422与RS-232C性能比较,如表2所示。

表2 RS-423/422与RS-232C的主要性能参数
性能参数 RS-232C RS-423 RS422 单位
驱动方式 单端 单端 平衡  
最大传输距离 15 600 1200 m
最大数据速率 20k 300k 10M bps
驱动器输出电压(开路) ±25 ±6 6 V(最大)
驱动器输出电压(加载) ±5~±15 ±3.6 2 V(最小)
驱动器输出电阻(断电) 300Ω 在-6V~+6V时为100μA 在+6~-0.25V时为
100μA
(最小)
驱动器输出电流 ±500 ±150 ±150 mA(最大)
驱动器转换速率 30V/μs(最大) 依电缆仁度和调制速率而定 不必控制  
接收器输入电阻 3~7 24 ≥4
接收器输入阈值 -3~+3 -0.2~+0.2 -0.2~+0.2 V(最大)
接收器输入电压 -25~+25 -12~+12 -12~+12 V(最大)

 

RS-485与RS-422性能比较如表3所示。

表3 RS-485与RS-422比较
比较项目 RS-422 RS-485
驱动方式 平衡 平衡
可连接的台数 1台接收器、10台接收器 32台驱动器、32台接收器
最大传输距离 1200m 1200m
最大传送速率 12m 10Mbps 10Mbps
120m 1Mbps 1Mbps
1200m 100kbps 100kbps
同相电压(最大值) +6V、-O.25V +12V、-7V
驱动器输出电压 无负载时 ±5V ±5V
有负载时 ±2V ±1.5V
驱动器负载电阻 100Ω 54Ω
駆动器输出电阻(高阻状态) 上电 无规定 ±100μA最大、-7V≤Vcom≤12V
断电 ±100μA最大、-0.25V≤Vcom≤6V ±100μA最大、-7V≤Vcom≤12V
接收器输入电压 -7V~+7V -7V~+12V
接收器输入敏感度 ±200mV ±200mV
接收器输入电阻 >4kΩ <12kΩ


 

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