RS的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1、RS-422/485的設(shè)計(jì)與應(yīng)用摘要RS-422/485 是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì) (electronic industries al-liance，EIA)在 20 世紀(jì) 70 年代末推出的數(shù)字通訊電氣標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)采用平衡驅(qū)動(dòng)差分接收電路，最大傳輸速率 10 Mb/s，最大傳輸距離 1200 m，其中 RS-422 為全雙工，RS-485 為半雙工串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)RS一422/48,具有顯著的優(yōu)點(diǎn):抗干擾能力強(qiáng),傳輸距離遠(yuǎn),傳送汽率高,因而在分布式控制系統(tǒng)和工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)中得到日益廣泛地應(yīng)用。RS-422/485 只對(duì)接口的電氣特性作了規(guī)定，沒(méi)有規(guī)定接插件、傳輸電纜和通訊協(xié)議，因此，在實(shí)際工程和應(yīng)用

2、中，用戶根據(jù)實(shí)際情況自行設(shè)計(jì)，給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)了許多問(wèn)題。從物理層、傳輸層和應(yīng)用層角度提出了設(shè)計(jì)和應(yīng)用的要求，提出了構(gòu)造串行異步通訊接口的方法，從而規(guī)范了 RS422/485 的設(shè)計(jì)。而RS-422/485在眾多領(lǐng)域中也開(kāi)始運(yùn)用的越來(lái)越多，比如：火力發(fā)電自動(dòng)化系統(tǒng)，電隔離，串行口等。并且利用率高，操作方便。關(guān)鍵詞：RS-422/485 串行通信 接口標(biāo)準(zhǔn)AbstractRS-422/485 al-liance electronic (EIA), the Electronic Industry Association (industries) in the end of 1970s, the in

3、troduction of digital communication electrical standards. The standard adopts the balanced drive differential receiver circuit, the maximum transmission rate of 10 Mb/s, the maximum transmission distance of 1200 m, RS-422 for full duplex, RS-485 for the half duplex serial communication interface sta

4、ndard RS a 422/48, has significant advantages: strong anti-interference ability, transmission distance, high transmission rate, and thus in the distributed control system and industrial local network has been widely used. RS-422 / 485 only to the interface electrical characteristics specified, no pr

5、ovisions of connectors, cables and communication protocols. Therefore, in practical engineering and application, the user according to the actual situation of self-designed, to the actual application brought many problems. From the viewpoint of physical layer, transport layer and application layer,

6、the design and application of the design and application of serial asynchronous communication interface is proposed, which can regulate the design of RS422/485. And RS-422/485 in many areas also began to use more and more, such as: thermal power automation system, electrical isolation, serial port,

7、etc. And the utilization rate is high, the operation is convenient.Key words: RS-422/485 serial communication interface standard目錄一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?二、實(shí)驗(yàn)條件12.1開(kāi)發(fā)軟件12.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備1三、原理及其應(yīng)用13.1 應(yīng)用13.2原理1物理層1傳輸層3應(yīng)用層44.1軟件設(shè)計(jì)44.2 硬件設(shè)計(jì)5五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與總結(jié)6參考文獻(xiàn)7一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康腞S-422/485 電氣標(biāo)準(zhǔn)被廣泛應(yīng)用于近距離數(shù)字系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。為了擴(kuò)大串行通信的有效傳輸距離,提高通信傳輸速率,增強(qiáng)抗干擾

8、能力, EIA制定了RS-422/485串行總線通信標(biāo)準(zhǔn),也叫雙端接口電氣標(biāo)準(zhǔn)或平衡傳輸電氣標(biāo)準(zhǔn)。RS-422/485與RS)232C的關(guān)鍵不同之處在于將單端輸入改為雙端差分輸入,信號(hào)地不再共用,通信雙方的信號(hào)地不再連在一起。然而，此電氣標(biāo)準(zhǔn)及其通訊接口在工程中，常常發(fā)生不規(guī)范設(shè)計(jì)和應(yīng)用的情況，重則導(dǎo)致接口器件經(jīng)常損壞，輕則通訊誤碼率高，最終影響系統(tǒng)的通訊。所以我們采用采用雙端差分輸入,總線的抗干擾能力強(qiáng);(2)互連雙方的信號(hào)地分立,兩條信號(hào)線形成回路,避免了電平偏移,同時(shí)也避免了潛在接地問(wèn)題;(3)輸出端采用雙端平衡驅(qū)動(dòng),其信號(hào)放大倍數(shù)高,信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)。RS-422支持全雙工串行通信,RS

9、-485支持半雙工串行通信。同時(shí)將RS-422/485 接口設(shè)計(jì)和應(yīng)用劃分為 3 個(gè)層次物理層、傳輸層和應(yīng)用層。并且在每個(gè)應(yīng)用層設(shè)計(jì)和應(yīng)用的方法和要求，和必要的協(xié)議。二、實(shí)驗(yàn)條件2.1開(kāi)發(fā)軟件C+、嵌入式、RAM2.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備攝像頭、各種控件的GUI、鼠標(biāo)、計(jì)算機(jī)三、原理及其應(yīng)用3.1 應(yīng)用利用TW2824 的 OSD 功能實(shí)現(xiàn)了 GUI 接口 在監(jiān)視通道，通過(guò)顯示包含各種控件的GUI界面，使用戶能夠通過(guò)鼠標(biāo)來(lái)設(shè)置 DVR 的攝像頭，錄像時(shí)間等參數(shù)，極大的方便了用戶的使用。在編碼通道，將時(shí)間、攝像頭編號(hào)等附加信息疊加在視頻信號(hào)上進(jìn)行存儲(chǔ)。整體上達(dá)到了比較理想的效果，也為其它系統(tǒng)的 OSD 設(shè)計(jì)

10、提供了一種參考。3.2原理3.2.1物理層實(shí)現(xiàn)通訊的最底層物理連接，包含串行異步通訊，接口和連線。電氣接口以 RS-422 或 RS-485 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的傳輸。串行異步通訊接口可分為通訊接口和電氣接口，其中通訊接口以 UART 協(xié)議實(shí)現(xiàn)串并之間的轉(zhuǎn)換，通訊接口可構(gòu)造成非智能或智能接口。由 RS-422/485 串行異步通訊接口構(gòu)成的通訊網(wǎng)絡(luò)，在物理層設(shè)計(jì)考慮下列要點(diǎn)：（a）根據(jù)RS-422 和RS-485 的電氣規(guī)范，RS-422 可以在一對(duì)平衡線上連接 1 個(gè)發(fā)送器、最多 10 個(gè)接收器，RS-485 可以在一對(duì)平衡線上連接最多 32 個(gè)發(fā)送器、最多 32 個(gè)接收器。（b）距 離RS-

11、422/485 采用 24AWG 雙絞電纜時(shí)傳輸距離與最大傳輸速率的關(guān)系如表 1 所示（c）連 線 為保證信號(hào)傳輸?shù)倪B續(xù)性，減少信號(hào)的反射，要避免電纜的分叉。如果不行，應(yīng)當(dāng)減少長(zhǎng)度。（d）為吸收信號(hào)的反射，按照RS-422/485基準(zhǔn)，RS-422在線纜最遠(yuǎn)端并接匹配電阻 100-140 ,典型值 100 。RS-485 在線纜開(kāi)始和末端各并接匹配電阻 100-140 ,典型值 120 。（e）瞬態(tài)保護(hù)由于 RS-422/485 抗共模電壓的范圍較低，分別為±7 V和-7 V+12 V，在靜電或雷電等情況下很容易超過(guò)此范圍，從而導(dǎo)致器件的損壞。解決方法可采用在傳輸線與信號(hào)地線上加鉗位

12、二極管，使共模信號(hào)電壓不超過(guò)范圍；或者使發(fā)、收系統(tǒng)的共模信號(hào)等電位，即信號(hào)地需要互連，使兩系統(tǒng)共地。通常不希望進(jìn)行通訊的兩系統(tǒng)共地，解決方法是在各系統(tǒng)的電氣接口與通訊接口之間加隔離電路。歸納起來(lái)可有兩種瞬態(tài)保護(hù)方案：“不隔離旁路”和“隔離旁路”，分別如圖 1 和圖2所示，采用何種方案需要根據(jù)具體系統(tǒng)情況而定（f）三態(tài)保護(hù)在發(fā)送器無(wú)信號(hào)輸出時(shí)，差分線呈現(xiàn)高阻，即不穩(wěn)定狀態(tài)，容易收到外界干擾，可能在接收器端產(chǎn)生變化，可能觸發(fā)串行通訊接口接收干擾數(shù)據(jù)。為使線路閑置時(shí)狀態(tài)穩(wěn)定，在傳輸線上增加上拉(+信號(hào)到電源)和下拉(信號(hào)到信號(hào)地)電阻，阻值 1 K 。3.2.2傳輸層傳輸層實(shí)現(xiàn)基本數(shù)據(jù)流的傳輸，包括

13、數(shù)據(jù)字的傳輸和數(shù)據(jù)幀的傳輸。傳輸層實(shí)現(xiàn)兩系統(tǒng)之間底層的數(shù)據(jù)傳輸，所以應(yīng)首先確定傳輸層通訊協(xié)議。此通訊協(xié)議通常要規(guī)定：通常通過(guò)軟件對(duì)硬件進(jìn)行初始設(shè)置，以選擇通訊的波特率，如波特率 4800、9600、614400 等。對(duì)硬件進(jìn)行初試設(shè)置字的格式等，通常選用標(biāo)準(zhǔn)的UART數(shù)據(jù)字格式：起始位、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位(可選)和停止位。在數(shù)據(jù)字定義的基礎(chǔ)上，組織一批數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)幀)的傳輸，數(shù)據(jù)幀可采用此格式定義：幀頭、幀號(hào)、幀長(zhǎng)、數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)、校驗(yàn)、幀尾。其中，幀頭一幀數(shù)據(jù)的開(kāi)始，與幀中其它元素盡量保證惟一性，便于接收方對(duì)“幀頭”通過(guò)時(shí)間間隔不同而識(shí)別。 對(duì)于數(shù)據(jù)幀的傳輸，在通訊協(xié)議中要明確下列內(nèi)容：(1)幀內(nèi)字節(jié)

14、之間最大時(shí)間間隔；(2)對(duì)周期性幀，保證幀的傳輸在周期內(nèi)傳輸完成，并留有20 %以上余量；(3)接收方以“幀頭”搜索，并以“幀頭”、“幀號(hào)”、“幀長(zhǎng)”和“幀尾”結(jié)合進(jìn)行幀完整性判斷；(4) 接收方要對(duì)“幀頭”、“幀號(hào)”、“幀長(zhǎng)”和“幀尾”結(jié)合進(jìn)行有效性判斷；(5)接收方在幀完整性保證條件下，通過(guò)“校驗(yàn)”對(duì)幀的數(shù)據(jù)正確性進(jìn)行判斷；(6)接收方和發(fā)送方通過(guò)超時(shí)判斷，避免“死等”；(7)當(dāng)幀完整性、有效性、正確性不能滿足或超時(shí)時(shí)，則軟件置錯(cuò)誤標(biāo)志，通知主流程；(8)接收方對(duì)字節(jié)間無(wú)間隔的幀接收時(shí)不丟數(shù)。3.2.3應(yīng)用層應(yīng)用層是指應(yīng)用程序通過(guò)調(diào)用傳輸層的幀及數(shù)據(jù)字的傳輸，而實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序中的通訊工作。為

15、了使通訊協(xié)議簡(jiǎn)單，通訊可靠，在通訊系統(tǒng)中常采用“主從”及“命令應(yīng)答”方式，即每次通訊工作均由“主機(jī)”發(fā)出命令幀，由“從機(jī)”返回響應(yīng)幀。在定義應(yīng)用層通訊協(xié)議時(shí)，還應(yīng)明確：(1)若為周期性，明確發(fā)送方周期時(shí)間及幀間最大時(shí)間間隔。(2)明確幀是周期或非周期傳輸；(3) 明確幀的最大長(zhǎng)度和最小長(zhǎng)度另外，協(xié)議中還需定義通訊失敗的處理方法。對(duì)于采用智能接口時(shí)，應(yīng)用層的使用要有上述相關(guān)要求外，當(dāng)發(fā)現(xiàn)智能接口幀通訊錯(cuò)誤，若干次重試后仍然錯(cuò)誤，主CPU 可發(fā)復(fù)位命令使智能接口復(fù)位并初始化，再重試若干次仍然錯(cuò)誤，則主 CPU 報(bào)告通訊故障，停止該接口使用。四、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)步驟4.1軟件設(shè)計(jì)TW2824 具有兩個(gè)視頻通

16、道，可以將其中的一個(gè)設(shè)置為監(jiān)控等實(shí)時(shí)查看，另外一個(gè)設(shè)置為產(chǎn)生視頻數(shù)據(jù)流傳送給編碼部件，進(jìn)行各種格式的編碼如 MPEG4。兩個(gè)通道的 OSD 部分是完全獨(dú)立的，本項(xiàng)目中利用OSD在監(jiān)控通道疊加GUI系統(tǒng)，使用戶可以通過(guò)鼠標(biāo)來(lái)設(shè)置 DVR 的參數(shù)，如監(jiān)視的模式、攝像頭的角度等。在編碼通道中，利用 OSD 疊加了時(shí)間、攝像頭編號(hào)等信息，這樣在回放時(shí)就能很方便的獲知視頻圖像攝取的時(shí)間等附加信息。TW2824 每個(gè)通道的 OSD 具有兩塊 RAM：字體存儲(chǔ)器(FONT RAM) 和顯示存儲(chǔ)器 (DISPLAY RAM)。字體存儲(chǔ)器存放字體等要顯示的字模，顯示存儲(chǔ)器用來(lái)存儲(chǔ)字符的索引、屬性等信息。實(shí)現(xiàn)流程

17、圖4.2 硬件設(shè)計(jì)本課題采用的DVR的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中TW2824完成視頻編碼A/D、視頻解碼D/A、顯示視頻信號(hào)、幀存DRAM等功能。整個(gè)DVR系統(tǒng)由以下模塊組成：模擬視頻輸入模塊、視頻編解碼模塊、音頻編解碼模塊和系統(tǒng)控制模塊。TW2824 是由 TECHWELL 公司生產(chǎn)的視頻處理芯片，具有視頻輸入、動(dòng)態(tài)檢測(cè)、視頻控制、OSD疊加、視頻輸出和多片級(jí)連等功能?？蓱?yīng)用于模擬矩陣視頻切換系統(tǒng)、4/8/16 路DVR、車(chē)載后視系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域。TW2824 的 OSD 共提供了 5 個(gè)層，從低到高依次為視頻層、二維邊框?qū)?、一維邊框?qū)?、字符層和鼠?biāo)層。上面的層能夠覆蓋下面的層，除了要顯示的內(nèi)容

18、外，其余的區(qū)域可以設(shè)為透明。這樣就能很方便在視頻上疊加字符、鼠標(biāo)、邊框等信息。單片 TW2824 同時(shí)能夠接收 5 路視頻信號(hào)(4 路模擬視頻和一路 ITU656 格式的數(shù)字視頻)，芯片 OSD 部分接收來(lái)自經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字視頻信號(hào)，疊加 OSD 信息后，傳送至芯片的輸出控制部分。芯片接口TW2824 提供了兩種接口方式，一種是 I2C 的控制方式(串行)，另外一種是并口的控制方式 (并行)。雖然串行能夠達(dá)到400 kbits/s，但并行傳輸速度要比串行快很多。本課題中 GUI界面要根據(jù)用戶的不同操作來(lái)重畫(huà)，將新的字符和顯示信息從總線下載到字符存儲(chǔ)器和顯示存儲(chǔ)器中，所以對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸有較高的要求，因此采用并行的接口方式。TW2824 的寄存器地址由兩部分組成，分為頁(yè)和頁(yè)內(nèi)地址。1x34 表示第 1 頁(yè)中地址為 0x34 的寄存器。