工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)(2013)14

1、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)（14） 哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 劉勇 2013（春） 第七章基于基于UART的簡單串行通信的簡單串行通信 一、概述 UART指通用異步收發(fā)器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），即是 采用異步串行通信方式的接口/裝置。 線路簡單，實(shí)現(xiàn)容易。 目前大多數(shù)計算機(jī)和微控制器都支持 UART通信。 異步串行通信格式 1、基于基于UART的串行通信的基本特征的串行通信的基本特征 (1) 當(dāng)傳輸線上沒有數(shù)據(jù)傳輸時，傳輸線處于空 閑狀態(tài)“1” 。 (2) 發(fā)送端發(fā)送每一幀數(shù)據(jù)時，首先發(fā)送一個起 始位“0”作為開始傳輸?shù)臉?biāo)志。 (3)

2、發(fā)送端在傳輸起始位后，緊接著發(fā)送由 58個二進(jìn)制 位組成的數(shù)據(jù)位。每一幀數(shù)據(jù)首先 發(fā)送最低位，最后發(fā)送數(shù)據(jù)最高位。 (4) 數(shù)據(jù)位傳輸完后，可以選擇一個奇偶校驗 位，用于校驗數(shù)據(jù)傳輸是否正確。可以選擇奇校 驗，也可以選擇偶校驗，還可以選擇無校驗。 (5)最后傳輸停止位，用以表示一幀的結(jié)束。 停止位為“1”，可以是1位，1.5位或2位。 2、基于基于UART的串行通信的節(jié)點(diǎn)的一般構(gòu)成的串行通信的節(jié)點(diǎn)的一般構(gòu)成 串行通信節(jié)點(diǎn)的一般構(gòu)成 二、EIA/TIA/RS-232接口標(biāo)準(zhǔn) EIA：美國電子工業(yè)協(xié)會； TIA：美國電信工業(yè)協(xié)會； RS：推薦性標(biāo)準(zhǔn)。 標(biāo)準(zhǔn)全稱：數(shù)據(jù)終端設(shè)備 (DTE )和數(shù)據(jù)線

3、路端接設(shè)備（DCE）間使用的串行二進(jìn)制數(shù)據(jù) 交換接口。（Interface Between Data Terminal Equipment and Data Circuit-TerminatingEquip- ment Employing Serial Binary Data Interchange）。 DB9 連接器 DB25 連接器 1、機(jī)械特性與電氣特性機(jī)械特性與電氣特性 電氣 連接圖 通信速率：20kbps以內(nèi)； 通信距離：15m以內(nèi)； 信號電平： 邏輯1： -3V-15V之間（數(shù)據(jù)線上：傳號 Mask；控制線上：OFF狀態(tài)）； 邏輯0：+3V+15V之間（數(shù)據(jù)線上：空號 Space；

4、控制線上：ON狀態(tài) ） 。 2、功能特性與規(guī)程特性功能特性與規(guī)程特性 DB25和DB9各引腳的功能分配分別如表7-1 和表7-2所示。表中所說的“發(fā)送”和“接收” 都是從DTE的角度來說的。 表7-1 DB25引腳定義 引腳號 信號名稱 方向 1保護(hù)地PG 2發(fā)送數(shù)據(jù)TxDDTEDCE 3接收數(shù)據(jù)RxDDTEDCE 4請求發(fā)送RTSDTEDCE 引腳號 信號名稱 方向 5允許發(fā)送CTSDTEDCE 6數(shù)據(jù)設(shè)備就緒DSRDTEDCE 7信號地SG 8數(shù)據(jù)載波檢測DCDDTEDCE 9保留 10保留 11保留 12次信道載波檢測SDCDDTEDCE 13次信道允許發(fā)送SCTSDTEDCE 引腳號

5、信號名稱 方向 14次信道發(fā)送數(shù)據(jù)STxDDTEDCE 15發(fā)送信號元素定時TSETDTEDCE 16次信道接收數(shù)據(jù)SRxDDTEDCE 17接收信號元素定時RSETDTEDCE 18保留 19次信道請求發(fā)送SRTSDTEDCE 20數(shù)據(jù)終端就緒DTRDTEDCE 21信號質(zhì)量檢測SQDDTEDCE 22振鈴指示RIDTEDCE 23 數(shù)據(jù)信號速率選擇DSRS雙向 24發(fā)送信號元素定時TSETDTEDCE 25保留 表7-2 DB9引腳定義 引腳號 信號名稱 方向 1數(shù)據(jù)載波檢測DCDDTEDCE 2接收數(shù)據(jù)RxDDTEDCE 3發(fā)送數(shù)據(jù)TxDDTEDCE 4數(shù)據(jù)終端就緒DTRDTEDCE 5

6、信號地SG 6數(shù)據(jù)設(shè)備就緒DSRDTEDCE 7請求發(fā)送RTSDTEDCE 8允許發(fā)送CTSDTEDCE 9振鈴指示RIDTEDCE DB25中常用的也就是DB9中定義的9根線，下 面詳細(xì)說明一下DB9中各信號的含義： （1）數(shù)據(jù)載波檢測DCD ：這是DCE向DTE發(fā) 出的狀態(tài)信息，指明從通信線路上收到的載波信號 是否已經(jīng)進(jìn)入指定的范圍。當(dāng)DCD=ON時，表示接 收信號已經(jīng)進(jìn)入指定范圍，此時RxD上的數(shù)據(jù)是有 效的。當(dāng)DCD=OFF時，表示接收信號尚未進(jìn)入規(guī)定 的范圍，此時不能接收RxD上的數(shù)據(jù)。 （2）接收數(shù)據(jù)RxD：這是DTE接收DCE發(fā)來數(shù) 據(jù)。當(dāng)DCE不向DTE發(fā)送數(shù)據(jù)時，該線上的電壓

7、為- 12V。DB9中的2號線對于DTE來說是接收數(shù)據(jù)線， 對于DCE來說是發(fā)送數(shù)據(jù)線。 （3）發(fā)送數(shù)據(jù)TxD：這是DTE向DCE發(fā)送數(shù) 據(jù)。當(dāng)DTE不向DCE發(fā)送數(shù)據(jù)時，該線上的電壓為 為-12V。DB9中的3號線對于DTE來說是發(fā)送數(shù)據(jù) 線，對于DCE來說是接收數(shù)據(jù)線。 （4）數(shù)據(jù)終端就緒DTR：這是DTE向DCE發(fā) 送的握手信號。當(dāng)DTR=ON時，表示DTE處于就緒 狀態(tài)，希望本地DCE和遠(yuǎn)程DCE之間建立通信信 道。當(dāng)DTR=OFF時，DCE將停止通信。 （5）信號地SG：EIA-232接口中所有電信號 的公共回路，通過該引線將DTE和DCE的信號關(guān)聯(lián) 起來。 （6）數(shù)據(jù)設(shè)備就緒DSR

8、：這是DCE向DTE發(fā) 送的握手信號。當(dāng)DSR=ON時，表示本地DCE已 和通信信道連通；當(dāng)DSR=OFF時，表示本地DCE 還沒準(zhǔn)備好。 （7）請求發(fā)送RTS：這是DTE向DCE發(fā)出的 握手信號。當(dāng)RTS=ON時，表示DTE請求向DCE發(fā) 送數(shù)據(jù)；當(dāng)RTS=OFF時，表示DTE不想發(fā)送數(shù)據(jù)。 在DTE有數(shù)據(jù)要發(fā)送或正在發(fā)送數(shù)據(jù)時，RTS都要 保持ON狀態(tài)。 （8）允許發(fā)送CTS：這是DCE向DTE發(fā)出的 握手信號。DCE收到DTE的RTS信號后延遲一段給 定時間后給出該信號。當(dāng)CTS=ON時，表示DCE已 經(jīng)準(zhǔn)備好發(fā)送數(shù)據(jù)；當(dāng)CTS=OFF時，表示DCE還 沒準(zhǔn)備好，不能發(fā)送數(shù)據(jù)。 （9）振

9、鈴指示RI：這是DCE向DTE發(fā)出的狀 態(tài)信息。表示本地DCE是否正在接收遠(yuǎn)程DCE的 振鈴信號。當(dāng)RI=ON時，表示正在接收振鈴信號； 當(dāng)RI=OFF時，表示不在接收振鈴信號。 EIA-232規(guī)定了DTE/DCE之間的控制信號與數(shù) 據(jù)信號的發(fā)送時序、應(yīng)答關(guān)系及操作過程等內(nèi)容。 示例：DTE發(fā)送數(shù)據(jù)過程。 （1）當(dāng)DTE要發(fā)送數(shù)據(jù)時，置EIA-232的DTR 為高電平（ON狀態(tài)），通知本地DCE（如Modem） 已準(zhǔn)備好。如果本地DCE也已做好準(zhǔn)備，即連接 成功，DCE向DTE發(fā)送DSR信號。 （2）DTE置RTS為高電平（ON狀態(tài)），通知 本地DCE請求發(fā)送數(shù)據(jù)。本地DCE檢測到RTS信號

10、后，一方面向遠(yuǎn)端發(fā)送載波，另一方面通過延遲 電路控制CTS的接通（變?yōu)镺N狀態(tài)）。CTS需要 延遲是因為遠(yuǎn)端DCE從載波到達(dá)到給出DCD信號 有一段延時t。為了保證數(shù)據(jù)能被遠(yuǎn)端DCE正確接 收，CTS的延遲T應(yīng)該大于t。遠(yuǎn)端DCE檢測到載波 后，置DCD為ON狀態(tài)，通知遠(yuǎn)端的DTE準(zhǔn)備接收 數(shù)據(jù)。 （3）DTE檢測到CTS變?yōu)镺N狀態(tài)后，通過 TxD發(fā)送數(shù)據(jù)，同時通過RxD接收數(shù)據(jù)。 （4）DTE發(fā)送完數(shù)據(jù)后，置RTS為OFF狀態(tài)， 通知本地DCE發(fā)送結(jié)束。本地DCE檢測到RTS后， 停止發(fā)送載波，并置CTS為OFF狀態(tài)。遠(yuǎn)端DCE檢 測不到載波后，置DCD為OFF。 （5）本地DTE置DTR

11、線為OFF，通知DCE釋 放連接。DCE檢測到DTR的OFF狀態(tài)后，置DSR為 OFF狀態(tài)作為回答，至此發(fā)送數(shù)據(jù)過程結(jié)束。 3、常用連接方法常用連接方法 （1）使用調(diào)制解調(diào)器（）使用調(diào)制解調(diào)器（Modem）連接）連接 (a) (b) (c) （2）零調(diào)制解調(diào)器（）零調(diào)制解調(diào)器（Null Modem）連接）連接 MC1488MC1489 4、用于用于EIA-232的電平轉(zhuǎn)換芯片及接口的電平轉(zhuǎn)換芯片及接口 （TTL轉(zhuǎn)EIA-232電平）（ EIA-232轉(zhuǎn)TTL 電平） MAX232典型工作電路 MAX232 （雙向電平轉(zhuǎn)換） 5、EIA-232接口標(biāo)準(zhǔn)的缺點(diǎn)接口標(biāo)準(zhǔn)的缺點(diǎn) （1）傳輸距離短。標(biāo)準(zhǔn)

12、規(guī)定的直接連接的最 大傳輸距離僅為15m，遠(yuǎn)程傳輸時需要使用Modem， 在工業(yè)控制應(yīng)用中往往要求不使用Modem。 （2）單端信號對地傳輸，信號易受共模噪聲 干擾。 （3）傳輸速率低。由于易受噪聲干擾，傳輸 速率不能過高，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最高傳輸速率不超過 20kbps。 （4）不能用于多點(diǎn)互連系統(tǒng)。 三、EIA/TIA/RS-485接口標(biāo)準(zhǔn) 標(biāo)準(zhǔn)全稱：用于平衡數(shù)字多點(diǎn)系統(tǒng)的發(fā)送器和接 收器的電氣特性標(biāo)準(zhǔn)（Standard for Electrical Characteristics of Generators and Receivers for Use in Balanced Digital Mu

13、ltipoint Systems） 。 EIA-485是EIA-422的變型。 EIA-485也是其它一些現(xiàn)場總線的物理層的接口標(biāo) 準(zhǔn)（或之一），如Profibus、Interbus、Modbus、 LonWorks、P-NET、BACnet、BIT Bus等 接口標(biāo)準(zhǔn) EIA-232 EIA-422 EIA-485 操作方式 單端 差分 差分 最大傳輸距離 15m 1.2km(9.6kbps) 1.2km(9.6kbps) 最大傳輸速率 20kbps 12Mbps(10m)12Mbps(10m) 同相電壓范圍 -25V+25V -0.25V+6V -7V+12V 驅(qū)動器輸出電壓（空載） 25

14、V 6V 6V 驅(qū)動器輸出電壓（負(fù)載） 5V15V 2V 1.5V 接收器敏感度 3V 200mV 200mV 最大驅(qū)動器數(shù)量 1 1 32 最大接收器數(shù)量 1 10 32 驅(qū)動器負(fù)載阻抗 3k7 k 100 54 接收器輸入電阻 3k7 k 4 k 12 k 1、EIA-485技術(shù)參數(shù)及與技術(shù)參數(shù)及與232、422之比較之比較 EIA-485 電氣連接圖 EIA-485的兩根差分信號線分別記作A線、B線，以A和B 之間的電位差來表示邏輯電平。驅(qū)動端A和B之間的電位差輸出 范圍為2V6V，接收端A和B之間可以檢測的輸入電壓VAB 的絕對值的最小值為200mV，即要求V A B-200mV，或

15、VAB200mV。 EIA-485規(guī)定，在接收端，當(dāng)A線電位VA比B線電位VB低 200mV以上時，即當(dāng)VAB=VA-VB0.2V時，認(rèn)為是二進(jìn)制0（ON狀態(tài)）。 2、EIA-485的端口連接的端口連接 典型的EIA-485兩線制半雙工連接方式 典型的EIA-485四線制主從式全雙工連接 任何時候應(yīng)該只能有一個驅(qū)動器處于發(fā)送狀態(tài)， 其它驅(qū)動器必須處于高阻態(tài)，這是通過驅(qū)動器上的 發(fā)送使能端控制的。若有兩個或多個驅(qū)動器同時工 作，當(dāng)一個試圖發(fā)送邏輯1，一個試圖發(fā)送邏輯0時， 會在某些器件中產(chǎn)生大電流。因此符合EIA-485標(biāo)準(zhǔn) 的接口芯片都具有限流和過熱關(guān)閉功能，以便保護(hù) 器件。 主站不能同時請求

16、多個從站，否則會引起沖突。 在一個沒有中繼器的系統(tǒng)中最多只能有兩個終 端電阻，分別并聯(lián)于傳輸線的首尾兩端。通常取 120電阻。 兩線制連接網(wǎng)絡(luò)中 帶偏置電阻的收發(fā)器 當(dāng)EIA-485網(wǎng)絡(luò)處于空閑狀態(tài)時，所有的節(jié)點(diǎn)應(yīng) 處于只聽（接收）狀態(tài)。這時沒有驅(qū)動器處于發(fā)送 狀態(tài)，所有驅(qū)動器均處于高阻態(tài)。沒有任何驅(qū)動器 驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)，傳輸線狀態(tài)不確定。因此應(yīng)當(dāng)為網(wǎng)絡(luò)添 加偏置電阻使其處于確定狀態(tài)。 3 、用于EIA-485的電平轉(zhuǎn)換芯片及接口電路 常用的EIA-485接口芯片有Maxim公司的 MAX481/483/485/487/488/489/490/491系列低功 耗收發(fā)器。每種型號的芯片內(nèi)部均集成了一個

17、 驅(qū)動器和一個接收器，符合EIA-422/EIA-485接 口標(biāo)準(zhǔn)。 （1） MAX48X/MAX49X系列芯片特點(diǎn)系列芯片特點(diǎn) l使用+5V單電源供電； l0.1A低電流關(guān)閉模式（MAX481483487）； l低功耗，靜態(tài)工作電流：MAX483/487/488/489為 120A，MAX481/485/490/491為300A； l限制轉(zhuǎn)換速率的無差錯數(shù)據(jù)傳輸（MAX483487 488489）； l共模輸入電壓范圍-7V+12V； l總線上最大可連接128個收發(fā)器（MAX487）； l具有電流限制和熱關(guān)斷特性的驅(qū)動器過載保護(hù)； MAX48X/MAX49X系列芯片的性能比較如表7-4所示。

18、 型號 半/全雙 工 數(shù)據(jù)速 率 /Mbps 轉(zhuǎn)換率限 制 低功耗 關(guān)閉 接收器/ 驅(qū)動器 使能 靜態(tài)工 作電流 /A 總線上收 發(fā)器數(shù)量 引腳數(shù) MAX481 半 2.5 無 有 有 300 32 8 MAX483 半 0.25 有 有 有 120 32 8 MAX485 半 2.5 無 無 有 300328 MAX487 半 0.25 有 有 有 120 128 8 MAX488 全 0.25 有 無 無 120 32 8 MAX489 全 0.25 有 無 有120 32 14 MAX490 全 2.5 無 無 無 300 32 8 MAX491 全 2.5 無 無 有300 32 14

19、 表7-4 MAX48X/MAX49X系列芯片性能比較 （2）MAX48X/MAX49X系列芯片引腳分布及典型工作系列芯片引腳分布及典型工作 電路電路 MAX481/483/485/487芯片為8引腳封裝，適用于半雙工 通信，其引腳分布與典型工作電路如圖7-17所示。圖 （a）中，上圖和下圖分別為DIP/SO、MAX封裝的引 腳分布圖；圖（b）中，傳輸線為雙絞線，Rt為終端匹 配電阻。對于圖7-17（b），在實(shí)際應(yīng)用中，往往將DE 與/RE連在一起，即在任意時刻，DE與/RE只能有一個 有效或均無效（呈高阻態(tài)）。 RERERE （a）引腳分布圖 （b）典型工作電路 圖7-17 MAX481/4

20、83/485/487引腳分布及典型工作電路 MAX488/490芯片也為8引腳封裝，其驅(qū)動器輸出與接收器 輸入引腳是分開的，便于組成全雙工通信，其引腳分布與典型 工作電路如圖7-18所示。圖中，傳輸線為雙絞線，Rt為終端匹 配電阻。 （a）引腳分布圖 （b）典型工作電路 圖7-18 MAX488/490引腳分布及典型工作電路 MAX489/491芯片為14引腳封裝，也用于全雙工通信，相 比MAX488/490增加了RE和DE引腳。其引腳分布與典型工作 電路如圖7-19所示。圖中，傳輸線為雙絞線，Rt為終端匹配電 阻。 （a）引腳分布圖 （b）典型工作電路 圖7-19 MAX489/491引腳分

21、布與典型工作電路 MAX48X/MAX49X系列芯片的各引腳分 布和功能如表7-5所示。發(fā)送和接收功能如表 7-6和表7-7所示。 引腳號 名稱 功能 MAX481/483/ 485/487 MAX488/490 MAX 489/491 DIP/S O MAX DIP/ SO MAX DIP/SO 1 3 2 4 2 RO 接收器輸出。 AB+0.2V，RO1； AB-0.2V，RO0。 表7-5 MAX48X/MAX49X系列芯片的各引腳分布和功能 24-3/RE 接收器輸出使能。/RE0時， 接收器使能；/RE1時，接 收器輸出高阻狀態(tài)。 35-4DE 驅(qū)動器輸出使能。DE1時， 驅(qū)動器使

22、能；DE0時，驅(qū) 動器輸出高阻狀態(tài)。 46355DI 驅(qū)動器輸入。DI1，Y（A） 輸出高，Z（B）輸出低；DI 0，則反之。 57466,7GND 地。 -579Y 驅(qū)動器非反相輸出端。 -6810Z驅(qū)動器反相輸出端。 68-A接收器非反相輸入端和驅(qū)動 器非反相輸出端。 -8212A接收器非反相輸入端。 71-B接收器反相輸入端和 驅(qū)動器反相輸出端。 -7111B接收器反相輸入端。 821314VCC 電源， 4.75VVCC5.25V。 -1,8,13N.C 空引腳。 輸入 輸出 /REDE DI Z(B)Y(A) X 1101 X 1010 00X高阻 高阻 10X高阻* 高阻* 輸入 輸出 /REDEA-BRO 00+0.2V 1 00-0.2V 0 00輸入開路 1 10X 高阻* 表7-6 發(fā)送功能表表7-7 接收功能表 4、采用采用MAX485芯片的芯片的EIA-485節(jié)點(diǎn)信號節(jié)點(diǎn)信號 波形與電平波形與電平 圖7-20所示為一個采用MAX485芯片的簡單EIA-485節(jié) 點(diǎn)的結(jié)構(gòu)圖。通過對這樣的一個節(jié)點(diǎn)以及由這樣的兩 個節(jié)點(diǎn)組成的系統(tǒng)中的信號波形與電平值進(jìn)行測量， 能更直觀地了解