串行總線技術(shù)及分布式測控系統(tǒng)——Chap1_RS232C

1、第一章 RS-232C串行通信接口1.1 并行通信與串行通信計算機(jī)與計算機(jī)或計算機(jī)與終端之間的數(shù)據(jù)傳送可以采用串行通訊和并行通訊兩種方式。1.1.1 并行通信計算機(jī)在同一時間內(nèi)傳送多個位，Centronics 打印機(jī)接口是最常見的并行口。此外，IEEE488總線是使用并行通信的最典型例子。25針并行口插口的針腳功能：針腳功能針腳功能1選通 (STROBE低電平出)10 確認(rèn) (ACKNLG低電平入)2數(shù)據(jù)位0 (DATAO)11 設(shè)備忙 (BUSY入)3數(shù)據(jù)位1 (DATA1)12 缺紙 (PE入)4數(shù)據(jù)位2 (DATA2)13 設(shè)備選擇 (SLCT處)5數(shù)據(jù)位3 (DATA3)14 自動換行

2、(AUTOFEED低電平出)6數(shù)據(jù)位4 (DATA4)15 設(shè)備故障(ERROR低電平入)7數(shù)據(jù)位5 (DATA5)16 初始化設(shè)備(INIT低電平出)8數(shù)據(jù)位6 (DATA6)17 設(shè)備被選擇輸入(SLCTIN低電平入)9數(shù)據(jù)位7 (DATA7)18-25地(GND)并行口與串行口的區(qū)別是交換信息的方式不同，并行口能同時通過8條數(shù)據(jù)線傳輸信息，一次傳輸一個字節(jié)；而串行口只能用1條線傳輸一位數(shù)據(jù)，每次傳輸一個字節(jié)的一位。并行口由于同時傳輸更多的信息，速度明顯高于串行口，但串行口可以用于比并行口更遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸。 1.1.2 串行通信與RS-232接口標(biāo)準(zhǔn)串行通信是一次一位地傳送。大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)

3、備、鍵盤、鼠標(biāo)、調(diào)制解調(diào)器和終端設(shè)備都采用串行通訊方式與其他設(shè)備交換信息。當(dāng)使用串行通訊時，發(fā)送或接收的每一個字，(比如一個字節(jié)或者一個字符)，實際上都是一次一位地傳送的。每一位要么為on要么為off。以下將用術(shù)語mark表示on，space表示off。由于串行通訊方式具有使用線路少、成本低，特別是在遠(yuǎn)程傳輸時，避免了多條線路特性的不一致而被廣泛采用。在串行通訊時，要求通訊雙方都采用一個標(biāo)準(zhǔn)接口，使不同的設(shè)備可以方便地連接起來進(jìn)行通訊。RS-232C接口（又稱 EIA RS-232C）是目前最常用的一種串行通訊接口。RS-232接口標(biāo)準(zhǔn)在1962年被提出，在1969年由美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA

4、）聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器廠家及計算機(jī)終端生產(chǎn)廠家共同制定了其第三個版本RS-232C，作為串行通訊的標(biāo)準(zhǔn)。它的全名是"數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）和數(shù)據(jù)通訊設(shè)備（DCE）之間串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)"該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用一個25個腳的DB25連接器，對連接器的每個引腳的信號內(nèi)容加以規(guī)定，還對各種信號的電平加以規(guī)定。一般只使用3-9條引線。在1987年出現(xiàn)了RS-232D。RS-232 與 CCITT V.24/V.28, X.20bis/X.21bis、ISO IS2110 是相同的標(biāo)準(zhǔn)，只是名字不同。1.2 串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)RS232C1.2.1 RS-232C接口的電氣特性

5、 在RS-232-C中任何一條信號線的電壓均為負(fù)邏輯關(guān)系。即：邏輯"1"為-5 -15V；邏輯"0" +5 +15V。噪聲容限為2V。即要求接收器能識別低至+3V的信號作為邏輯"0"，高到-3V的信號作為邏輯"1" 1.2.2 RS-232C接口的物理結(jié)構(gòu) RS-232-C接口連接器一般使用型號為DB-25的25芯插頭座,通常插頭在DCE端，插座在DTE端。 有些設(shè)備與PC機(jī)連接的RS-232-C接口，因為不使用對方的傳送控制信號，只需三條接口線。即："發(fā)送數(shù)據(jù)"、"接收數(shù)據(jù)"

6、;和"信號地"。所以采用DB-9的9芯插頭座，傳輸線采用屏蔽雙絞線。25針串行口具有20mA電流環(huán)接口功能，用9、11、18、25針來實現(xiàn)。其針腳功能如下：25針串行口的針腳功能針腳功能針腳功能1未用2發(fā)出數(shù)據(jù)(TXD)11數(shù)據(jù)發(fā)送(一)3接受數(shù)據(jù)(RXD)12-17未用4請求發(fā)送(/RTS)18數(shù)據(jù)接收(+)5清除發(fā)送(/CTS)19未用6數(shù)據(jù)設(shè)備準(zhǔn)備好(/DSR)20數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好(/DTR)7信號地線路 (SG)21未用8載波檢測 (DCD)22振鈴指示(RI)9發(fā)送返回(+)23-24未用10未用25接收返回(一)9針串行口的針腳功能：RS-574針腳功能針腳功能1

7、載波檢測(DCD)6數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好(DSR)2接受數(shù)據(jù)(RXD)7請求發(fā)送(RTS)3發(fā)出數(shù)據(jù)(TXD)8清除發(fā)送(CTS)4數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好(DTR)9振鈴指示(RI)5信號地線(SG)RS-232-C 最常用的9 條引線的信號內(nèi)容如下所示DB-9 1 2 3 4 5 6 7 8 9DB-25 8 3 2 20 7 6 4 5 22定義 DCD RXD TXD DTR GND DSR RTS CTS RI1.2.3 RS-232C接口信號定義RS-232標(biāo)準(zhǔn)定義了18個不同的用于串口通訊的信號。其中僅有6個是在各種環(huán)境中普遍適用的。GND-邏輯地。嚴(yán)格地講,邏輯地并不是信號,但是沒有它其它的信號無

8、法工作。邏輯地作為一個參考電壓基準(zhǔn)以使電器知道哪個電壓是正，哪些是負(fù)。TXD-數(shù)據(jù)被發(fā)送。TXD信號承載從你的工作站發(fā)送到其它的機(jī)器或設(shè)備上的數(shù)據(jù)。mark電壓表示1，space電壓表示0。RXD-被接收的數(shù)據(jù)。RXD信號承載從其它機(jī)器或設(shè)備上向你的工作站發(fā)送數(shù)據(jù)。類似TXD，mark和space電壓分別表示1和0。DCD-數(shù)據(jù)載波探測。DCD信號從串口電纜的另一端的機(jī)器或設(shè)備發(fā)送出來。串行線上的space電壓表示機(jī)器或設(shè)備處于連線狀態(tài)。很多情況下，DCD并不被使用。DTR-數(shù)據(jù)終端就緒。DTR信號是從你的工作站發(fā)送出來，告訴另一端的機(jī)器或設(shè)備你已經(jīng)就緒或者尚未就緒，分別用space電壓和ma

9、rk電壓表示。在PC機(jī)上，當(dāng)串口被打開后，DTR一直處于激活狀態(tài)。CTS-設(shè)備接收就緒，等待新的數(shù)據(jù)被發(fā)送。CTS信號來自串行電纜的另一端。space電壓表示你可以從你的工作站上發(fā)送更多數(shù)據(jù)了。(以前接收的已經(jīng)處理完畢)。CTS常用來調(diào)節(jié)計算機(jī)與串行線另一端設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳送的流量。RTS-請求發(fā)送。RTS信號被你的工作站置成space，用來表示有更多的數(shù)據(jù)等待發(fā)送。與CTS類似,RTS也是用來調(diào)節(jié)串行電纜兩個終端之間的數(shù)據(jù)傳送流量的。大多數(shù)工作站把這個信號一直置為space電壓。1.2.4 全雙工和半雙工串行通信全雙工表示機(jī)器可以同時既發(fā)送數(shù)據(jù)又接收數(shù)據(jù)，有兩個獨(dú)立的數(shù)據(jù)通道(一進(jìn)一出)。半雙

10、工表示機(jī)器不能在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時又接收數(shù)據(jù)。通常這意味著僅僅有一個數(shù)據(jù)通道在使用。1.2.5 RS-232C接口設(shè)備之間的連接當(dāng)提到串口設(shè)備或者端口時，它們或者被標(biāo)記為數(shù)據(jù)通信設(shè)備("DCE")或者數(shù)據(jù)終端設(shè)備("DTE")。兩者的差異非常簡單。當(dāng)需要將兩個DTE或者兩個DCE接口連在一起時, 可以使用一個串行的用來交換信號對的NULL-Modem電纜或適配器。1.2.6 RS-232C接口傳輸電纜長度串行數(shù)據(jù)的速度經(jīng)常用每秒位數(shù)(bps)或者波特率(baudrate)來表示。用來表示一秒中有多少1或者0被傳送。在計算機(jī)發(fā)明的初期，300baud被認(rèn)為是很

11、快的，而今天計算機(jī)的RS232可以達(dá)到430,800baud的速度！當(dāng)波特率超過1,000時，常會用千波特率概念,或kbps(例如9.6k,19.2k)。對于超過1,000,000的速率用兆波特率,或Mbps(例如1.5Mbps)。RS-232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在碼元畸變小于4%的情況下，傳輸電纜長度應(yīng)為50英尺。其實這個4%的碼元畸變是很保守的，如果波特率足夠低的話，信號還可以發(fā)送得更遠(yuǎn)些。在實際應(yīng)用中，約有99%的用戶是按碼元畸變10-20%的范圍工作的，所以實際使用中最大距離會遠(yuǎn)超過50英尺。美國DEC 公司曾規(guī)定容許畸變?yōu)?0%而得出下面實驗結(jié)果。其中1 號電纜為屏蔽電纜，型號為DECP .N

12、O. 9107723 內(nèi)有三對雙絞線，每對有22#AWG(0.35mm2) 組成，其外覆以屏蔽線。2 號電纜為不帶屏蔽的電纜。型號為DECP .NO. 9105856-04 是22#AWG(0.35mm2) 的四芯電纜。DEC 公司的實驗結(jié)果波特率bps 1 號電纜傳輸距離（米）2 號電纜傳輸距離（米）11015009003001500900120090090024003001504800300759600 7575經(jīng)過許多年來RS-232 器件以及通信技術(shù)的改進(jìn)，RS-232 的通信距離已經(jīng)大大增加。RS-232 增強(qiáng)器可以將普通的RS-232 口的通信距離延長到1000 米。1.2.7異步

13、串行通訊與同步串行通信在異步模式下，串行數(shù)據(jù)直到有字符被發(fā)送前一直保持mark狀態(tài)。在每個字符之前有一開始位，緊接著是數(shù)據(jù)位，一個可選的奇偶位和若干個停止位。起始位總是space，告訴機(jī)器串行數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好了。數(shù)據(jù)可以在任何時候被發(fā)送或接收,因此稱之為異步的?？蛇x的奇偶校驗位是簡單地統(tǒng)計數(shù)據(jù)中包含奇數(shù)個1還是偶數(shù)個1。如果有偶數(shù)個1，就置這位為0，稱偶校驗位。如果是奇數(shù)個1,就置該位為0,稱奇校驗位。通常還有space parity，mark parity和no parity的說法。Space Parity就是校驗位總是0，mark Parity就是校驗位總是1，No Parity表示不使用或

14、不傳輸校驗位。接著的那位是終止位。在字符之間可以有1，1.5或2個終止位,它們的值總是1。以前終止位是為了讓機(jī)器有更多的時間去處理前一個字符，但現(xiàn)在僅僅是用于在機(jī)器接收字符時的同步。異步數(shù)據(jù)格式通常用諸如"8N1","7E1"等等表示。前者表示8個數(shù)據(jù)位，沒有校驗位，1個終止位。后者表示7個數(shù)據(jù)位，偶校驗，1個終止位。與異步數(shù)據(jù)傳輸不同的是,同步數(shù)據(jù)傳輸是一種恒定的位流。為了從通訊線上讀出數(shù)據(jù)，機(jī)器必須發(fā)送或者接收一個普通的位作為時鐘，以達(dá)到發(fā)送端和接收端的同步。對于同步通信，機(jī)器必須標(biāo)志數(shù)據(jù)的起始位置。實現(xiàn)它的最常見的方法是使用類似串行數(shù)據(jù)鏈路控制SD

15、LC或者高速數(shù)據(jù)鏈路控制HDLC之類的數(shù)據(jù)包協(xié)議。每一個協(xié)議定義了固定的位順序以表示數(shù)據(jù)包的開始和結(jié)束，同時也定義了被用來表示沒有數(shù)據(jù)時使用的位順序。機(jī)器根據(jù)這些位順序可以知道數(shù)據(jù)包的開始位。因為同步通信協(xié)議不需要使用每個字符的同步位（起始和停止位），所以它們一般能比異步通訊提高至少25%的性能,適合遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)和兩個以上的串行接口的配置。盡管同步協(xié)議擁有速度優(yōu)勢,但大多數(shù)RS232C硬件仍然由于需要額外的硬件和必要的軟件而沒有支持它。1.2.8 流量控制當(dāng)在兩個串行接口之間傳輸數(shù)據(jù)時通常有需要調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)流量，這可能需要對設(shè)備之間的串行通訊聯(lián)接（某個串行接口或者某個存儲介質(zhì)）實行一些限制。對于異步數(shù)

16、據(jù)通常有兩種方法。一是軟件流量控制。即使用特殊的字符去標(biāo)志數(shù)據(jù)流的開始(XON,DC1,八進(jìn)制的021)或結(jié)束(XOFF,DC3,八進(jìn)制的023).這些字符可以在ASCII中找到定義。然而當(dāng)傳輸文本信息時這些字符擁有自身的含義,不能被使用。另一種是硬件流量控制，用RS232的/CTS和/RTS信號代替特殊字符用于控制。當(dāng)接收方準(zhǔn)備接收更多的數(shù)據(jù)時，設(shè)置/CTS為Space電壓,反之設(shè)成Mark電壓。對應(yīng)地，當(dāng)發(fā)送方準(zhǔn)備發(fā)送更多的數(shù)據(jù)時，設(shè)置/RTS為space電壓。由于硬件的流量控制使用獨(dú)立的一套信號，比軟件的實現(xiàn)更快，因為作同樣的工作，后者需要發(fā)送或接收多位信息。遺憾的是，并不是所有的硬件或

17、操作系統(tǒng)都支持CTS/RTS流量控制。此外，DTR/DSR信號也在某些系統(tǒng)中用于硬件流量控制。1.2.9 中斷/Break?一般而言,接收或者傳輸數(shù)據(jù)的信號線上總保持mark電平，直到開始傳送一個新的字符。如果信號過了很長時間后才被降低到space電壓,通常是1/4到1/2秒，我們稱這種狀態(tài)為break。Break有時被用來重置通訊線路或者改變諸如Modem的通訊設(shè)備的工作模式。UART的作用和功能分立的RS232接口芯片RS-232接口芯片的作用集成的RS232接口芯片ICL2321.2.10 MCS-51單片機(jī)上的UART9位多機(jī)通信方式1.3 ISO/OSIRS232C是最簡單的通信接口

18、，其功能遠(yuǎn)不能滿足通信與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)使用需要。為了利用串行通信實現(xiàn)計算機(jī)系統(tǒng)的廣泛互聯(lián)，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）在20世紀(jì)70年代定義了一個適用性廣泛的開放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）分層模型。該模型共七層，從下至上分別是：l 物理層（一）l 數(shù)據(jù)鏈路層（二）l 網(wǎng)絡(luò)層（三）l 傳輸層（四）l 會話層（五）l 表示層（六）l 應(yīng)用層（七）上一層總是建立在下層基礎(chǔ)之上，每一層之間不交叉。相互通信的兩個設(shè)備實現(xiàn)相同的層次結(jié)構(gòu)，每層相互對應(yīng)。各層的功能簡述如下：物理層功能是完成數(shù)據(jù)位（比特）的傳輸。Ø 定義設(shè)備和傳輸介質(zhì)之間的接口及特性。傳輸介質(zhì)類型，連接方法、連接器Ø 定義每一數(shù)字位（bit）的表示方法。電信號，光信號，編碼（歸零、不歸零、曼徹斯特），邏輯對應(yīng)的電平等Ø 定義數(shù)據(jù)率，即波特率，或帶寬。Ø 定義位同步方法。Ø 定義信號線數(shù)量，連接方法Ø 定義物理拓?fù)??？偩€、環(huán)網(wǎng)、星形、網(wǎng)格型Ø 定義傳輸模式。一發(fā)一收的簡單模式；半雙工；全雙工。數(shù)據(jù)鏈路層功能可以簡單理解為完成數(shù)據(jù)字節(jié)的傳輸Ø 幀結(jié)構(gòu)。也就是位轉(zhuǎn)換成有意義數(shù)據(jù)的方法和規(guī)定Ø 物理尋址。主要是用在多節(jié)點(diǎn)通信系統(tǒng)中Ø 流控制，防止接受端