淺談USB介面轉換RS232,RS422,RS485的技術應用

電子產品中，對多數使用者最友善的介面莫過於USB (Universal Serial Bus，通用序列匯流排)，除熱插拔的優點之外，對於擴充功能也相對方便。而擴充設備所需的驅動程式也可整合到微軟的自動更新系統裡。對系統設計工程師來說，系統核心處理器所提供的周邊介面數量若不敷使用，則擴充周邊介面的選項裡，USB絕對是不二之選。例如核心晶片的原生介面 (像是UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用非同步收發傳輸器)、I²C (Inter-Integrated Circuit，積體匯流排電路)或SPI (Serial Peripheral Interface Bus，串列/序列周邊介面)等低速介面)數量若不足，就可以選擇使用USB橋接器晶片 (USB Bridge Chip)來擴充以上介面。

不管是x86 Platform、SoC (System on Chip，系統單晶片)、MPU (Micro Processor Unit，微處理器)又或是MCU (Micro Control Unit，微控制器)等核心晶片，其所提供的原生介面數量不一定能夠滿足每個系統設計需求。以x86 Platform來說，USB介面數量佔比高於低速(如UART)介面。然而並非所有搭配的周邊裝置及應用都是透過USB介面傳輸資料，以IPC(Industrial PC，工業電腦)最常見的COM Port(串/序列埠)來說，使用的通訊協定是透過UART介面傳輸資料，並會依需求在UART介面後端增加轉換不同介面所適用的收發器(Transceiver)，如RS-232/ RS-422/ RS-485。 

另外二種常用的介面為I²C及SPI，I²C常應用於各式感測器及各式晶片間的溝通或是匯流排控制，其速度為100Kbps/400Kbps/1Mbps/3.4Mbps/單向5Mbps，最常使用的速度則為100Kbps/400Kbps，I²C優點為可雙向傳輸且所需之晶片硬體腳位(Pin Count)少；而SPI則用於需要同時傳送與接收資料的地方，通常資料量也會比較多，常見的速度為5Mbps/10Mbps/20Mbps(up to 200Mbps)，常見的應用是Flash Memory(快閃記憶體)，DAC(Digital to Analog Converter，數位類比轉換器)及ADC(Analog to Digital Converter，類比數位轉換器)等各種晶片。

USB (Universal Serial Bus) 通用序列匯流排，是一種電腦與周邊裝置連接的匯流排，同時也是一種輸出入介面的標準規範，最初由Intel及微軟發表。其最大特色就是可熱插拔、隨插即用，傳輸速度從最早的USB1.0 (USB2.0 Low Speed)的1.5Mbps、USB 1.1 (USB Full Speed)的12Mbps，到近期發表的USB 4，其速度可達40Gbps，遠都比並列介面如LPT或串列介面RS-232快。

由於其可熱插拔、隨插即用的便利性，目前被廣泛地應用在各種電腦周邊設備上，最常見的是鍵盤、滑鼠等輸入裝置抑或是外接式硬碟，透過Bridge將硬碟的介面轉成USB，讓硬碟成為可雖身攜帶的設備。USB版本及傳輸速度可參考如下表一

USB固然便利，但使用及設計上也有限制。一個USB Host Controller最多可以串聯五級的USB HUB；由於其使用7bit定址設定，所以最多含USB Host Controller可以有128個裝置連接。另一個最大的問題就是傳輸距離，USB2.0規定為5m，USB3.1則縮短為3m，速度越快，傳輸距離越短。因此，對於不同的應用，通常會有相對適用的介面；像UART就是除了USB以外另一個常見的介面。

一種非同步的通訊協定，二個互相連接的設備，可以同時傳送及接收資料，使用TTL(Transistor-Transistor Logic)的訊號，適用於短距離且1對1的傳輸。

通常一個UART byte有10bits，包含一個Start bit，8個data bits及一個Stop bit；但因為是非同步傳輸，容易有資料丟失問題，所以有時會看到UART規格為：1 Start bit， 5，6，7，8 or 9 data bits，0.5~2 Stop bits (圖一)，其中第9個data bit會拿來做奇偶校驗，稱為Parity；Parity分為Even及Odd二種模式。 Even代表整筆所傳送資料的1為偶數個，而Even Parity即包含了Parity bit。比方說一筆資料為”01011000”總共8個bits，其中包含了3個1及5個0，如果此時所設定的Parity為Even，則Parity bit就要設為1，這樣整筆資料為”010110001” ，其中包含了偶數 (4) 個1。0.5~2 Stop bits可以視為當資料丟失時可調整的緩衝區。

UART傳送資料方式為先進先出，以傳送一筆資料為21h來看，21h應為”00100001”，其波形如圖二。

由於UART是非同步傳輸，所以在傳送及接收方都需要設定相同的傳輸速率，讓雙方在同一速率上才能成功完成資料傳輸動作，這個傳輸速率一般稱為鮑率(Baud Rate)；下圖以19200bps來說明，每秒傳送19200bits，而每bit的傳輸或接收時間就是1/19200=52.08us。如圖三所示

UART通訊協定傳輸距離不遠，但可以依據環境及應用搭配不同Transceiver (RS-232/RS-422/RS-485)，以對應不同的應用。

• RS-232

跟UART相同，為1對1的傳輸方式，但是將電壓拉高到±15V，而非0 ~ 5V，所以傳輸距離較UART遠，理論上可達到15公尺。但是這種單線傳輸的訊號容易受雜訊干擾，所以衍生出RS-422 / RS-485的傳輸方式，這二種傳輸方式除了抗干擾能力較RS-232強外，其最遠傳輸距離也超過1公里，且傳輸對象也從1對1提升到RS-422的1對10，RS-485更可達到1對256個裝置。(如圖四)

• RS-232 / RS-422 / RS-485的主要差異：

• RS-422 / RS-485

RS-485的資料傳輸走的是差動訊號 (Differential)，與RS-232的單線傳輸不一樣。差動訊號是由收發器 (Transceiver)的一對I/O (定義為A，B)來傳輸，一般情況下A，B間正電平在 + 1.5V ~ + 6V，負電平在 – 1.5V ~ - 6V；收發器在偵測到高於 + 200mV及低於 – 200mV的電平訊號時會判定為有效值，如果是大於 + 200mV則為正邏輯，如果是小於 – 200mV則為負邏輯，如果是在 +200mV ~ -200mV間則視為無效電平，不代表任何資料；另一個無效電平為大於+12V及小於 -7V的差動電壓。如圖五

RS-422與RS-485一樣是走差動訊號，但RS-485只有一對Differential pair而RS-422則有二對；電器特性方面，收發器的A，B間正電平變為 +2V ~ +6V ，負電平則為 -2V ~ -6V，且收發器在偵測到高於 + 200mV及低於 – 200mV的電平訊號時會判定為有效值，如果是大於 + 200mV則為正邏輯，如果是小於 – 200mV則為負邏輯，如果是在 +200mV ~ -200mV間則視為無效電平，不代表任何資料；另一個無效電平為大於+7V及小於 -7V的差動電壓。圖六是Differential的波形，判讀上U+才是實際傳輸的資料。

由上面敘述可知，RS-232 / RS-422 / RS-485主要是電器特性上的差異，而非通訊協定；為了讓UART的訊號有更好的應用如長距離傳輸，所以在UART後端增加了不同電器特性的收發器來彌補UART本身電器特性不足的部分。下圖七把TTL UART，RS-232 / RS-422 / RS-485的波形整合再一起做比較，方便了解其差異，以上是UART針對不同場合加上適用Transceiver的應用。

一般在系統晶片的Firmware Update，或是二個相近系統間的資料傳輸就可以使用UART，主因是晶片不一定會有USB，但通常會有UART。如圖八

而在影音控制上，應用距離較短或一對一的控制，RS-232就相對適合，像是投影布幕、影音播放機或是投影機的控制；如果需要一對多、距離較遠、環境干擾較多的應用，就必須換成RS-422 / RS-485；PLC、IOT控制設備常用到這二種介面。

PLC通常用於工廠生產設備，除同時會串聯多種設備外，電氣干擾也多，而產線長度也會依據生產站數有所不同，所以可常見RS-422 / RS-485在工廠設備上；由於RS-422 / RS-485分別為全雙工與半雙工，所以實際在工廠設備上可以見到控制馬達類的應用，通常是單向控制，像是產品輸送帶用的應用；對於在控制上需要有回應的應用，像是機械手臂，由於需要知道機械手臂目前的位置(圖八)，及手臂上是否有物品？需要一邊控制又需要同時監控的應用，就適合使用RS-422全雙工的特性。另一個適合RS-422應用的場景是大樓電梯，管理中心可以監控不同電梯目前所在樓層，又可同時調整電梯的運轉方式，是要每台電梯都動作還是間歇運準。

Smart Home則是IOT的一種應用 (圖十)，Smart Home就是把所有想要控制的開關連上網，把所監控的任何數據(如溫濕度)也連上網，讓使用者可以從遠端控制家中某個設備的開關或查看所監控的數據；這些所要監控的設備，因為擺放位置不同，有的較遠有的近，所以可以透過RS-422 / RS-485來連接到控制主機，再連上網路來實現Smart Home。由於Smart Home應用上，大多的設備都是跟主機作半雙工的應用，像是IOT主機目前偵測到客廳溫度比希望溫度高，這時主機或使用者看到或感覺到目前溫度較高，就會透過主機下命令，讓冷氣加強運準以降低目前溫度。

整體來說，對於距離較長的環境應用，優先考慮RS-422 / RS-485，再來是依據主從設備需要同時傳送訊息給對方的場景則選用RS-422，如果是只需要主從設備間在同一時間內只有一方傳訊息，而另一方只做接收動作的應用就選用RS-485；依需求選擇最適合的設計，就是最好的設計。

將USB介面轉換成RS-232/RS-422/RS-485介面的晶片設計選擇，可以參考下圖十一的建議搭配，依照所需的UART功能(Basic或Full UART及UART Port Number需求)，先選擇適用的USB Bridge，接下來再選擇所需的Transceiver(短距離的RS-232、較長距離的半雙工RS-485及全雙工的RS-422)來完成最符合實際場合應用的設計。

1. 維基百科, EIA-485, https://reurl.cc/g2dmQQ
2. FTDI Chip, What is a UART?, https://reurl.cc/ErAzXm
3. Bridgetek, PanL Smart System, https://reurl.cc/VD9XRZ
4. 維基百科, USB, https://reurl.cc/ZAm7Xa