串口通信 課件

專題串行通信1、串行通信的基本概念通信：計算機與外部設(shè)備交換信息串行通信：將數(shù)據(jù)分解成二進制位用一條信號線，一位一位順序傳送的方式串行通信的優(yōu)勢：用于通信的線路少，因而在遠距離通信時可以極大地降低成本串行通信適合于遠距離數(shù)據(jù)傳送，也常用于速度要求不高的近距離數(shù)據(jù)傳送PC系列機上有兩個串行異步通信接口，鍵盤、鼠標器與主機間采用串行數(shù)據(jù)傳送一、串行通信與并行通信的比較

①從通信距離上看：并行通信適宜于近距離的數(shù)據(jù)傳送，通常小于30米。而串行通信適宜于遠距離傳送，可以從幾米到數(shù)千公里。

②從通信速率上看：一般應(yīng)用中，在短距離內(nèi)，并行接口的數(shù)據(jù)傳輸速率顯然比串行接口的傳輸速率高得多，但長距離內(nèi)串行數(shù)據(jù)傳送速率會比并行數(shù)據(jù)傳送速率快。由于串行通信的通信時鐘頻率較并行通信容易提高，因此許多高速外部設(shè)備，如數(shù)字攝像機與計算機之間的通信也往往使用串行通信方式。一、數(shù)據(jù)傳送方向1、全雙工方式（fullduplex）通信雙方都能在同一時刻進行發(fā)送和接收操作，這樣的傳送方式就是全雙工制，如圖1所示。在全雙工方式下，通信系統(tǒng)的每一端都設(shè)置了發(fā)送器和接收器，因此，能控制數(shù)據(jù)同時在兩個方向上傳送。全雙工方式無需進行方向的切換，因此，沒有切換操作所產(chǎn)生的時間延遲，這對那些不能有時間延誤的交互式應(yīng)用（例如遠程監(jiān)測和控制系統(tǒng)）十分有利。2、半雙式方式（halfduplex）若使用同一根傳輸線既作接收又作發(fā)送，雖然數(shù)據(jù)可以在兩個方向上傳送，但通信雙方不能同時收發(fā)數(shù)據(jù)，這樣的傳送方式就是半雙工制，如圖2所示。采用半雙工方式時，通信系統(tǒng)每一端的發(fā)送器和接收器，通過收/發(fā)開關(guān)轉(zhuǎn)接到通信線上，進行方向的切換，因此，會產(chǎn)生時間延遲。收/發(fā)開關(guān)實際上是由軟件控制的電子開關(guān)。3、單工方式1.異步方式串行通信時的數(shù)據(jù)、控制和狀態(tài)信息都使用同一根信號線傳送收發(fā)雙方必須遵守共同的通信協(xié)議（通信規(guī)程），才能解決傳送速率、信息格式、位同步、字符同步、數(shù)據(jù)校驗等問題串行異步通信以字符為單位進行傳輸，其通信協(xié)議是起止式異步通信協(xié)議異步串行數(shù)據(jù)發(fā)送格式起始位——每個字符開始傳送的標志，起始位采用邏輯0電平起始位校驗位停止位空閑位數(shù)據(jù)位低位高位字符0/10/10/10/110111…數(shù)據(jù)位——數(shù)據(jù)位緊跟著起始位傳送。由5～8個二進制位組成，低位先傳送校驗位——用于校驗是否傳送正確；可選擇奇檢驗、偶校驗或不傳送校驗位停止位——表示該字符傳送結(jié)束。停止位采用邏輯1電平，可選擇1、1.5或2位空閑位——傳送字符之間的邏輯1電平，表示沒有進行傳送例：傳送8位數(shù)據(jù)45H（0100,0101B），奇校驗，1個停止位，則信號線上的波形為三、數(shù)據(jù)傳輸速率數(shù)據(jù)傳輸速率稱為波特率(BaudRate)每秒傳輸?shù)亩M制位數(shù)bps字符中每個二進制位持續(xù)的時間長度都一樣，為數(shù)據(jù)傳輸速率的倒數(shù)【例】如果一個串行字符由1個起始位，7個數(shù)據(jù)位，1個奇偶校驗位和1個停止位等10個數(shù)位構(gòu)成，每秒鐘傳送120個字符，則數(shù)據(jù)傳送的波特率為：

10位/字符×120字符/秒=1200位／秒=1200波特傳送每位信息所占用的時間為：

1秒/1200=0.833毫秒常用的波特率為110、300、600、1200、2400、4800、9600和19200波特，它也是國際上規(guī)定的標準波特率。同步傳送的波特率高于異步傳送方式，可達到64000波特。RS-232C串行通信接口標準經(jīng)過使用和發(fā)展，目前已經(jīng)有幾種。但都是在RS-232標準的基礎(chǔ)上經(jīng)過改進而形成的。所以，以RS-232C為主來討論。RS-323C標準是美國EIA(電子工業(yè)聯(lián)合會）與BELL等公司一起開發(fā)的1969年公布的通信協(xié)議。它適合于數(shù)據(jù)傳輸速率在0～20000b/s范圍內(nèi)的通信。這個標準對串行通信接口的有關(guān)問題，如信號線功能、電器特性都作了明確規(guī)定。由于通行設(shè)備廠商都生產(chǎn)與RS-232C制式兼容的通信設(shè)備，因此，它作為一種標準，目前已在微機通信接口中廣泛采用。2、連接器的機械特性：連接器：由于RS-232C并未定義連接器的物理特性，因此，出現(xiàn)了DB-25、DB-15和DB-9各種類型的連接器，其引腳的定義也各不相同。下面分別介紹兩種連接器。（1）DB-25：PC和XT機采用DB-25型連接器。DB-25連接器定義了25根信號線，分為4組：①異步通信的9個電壓信號（含信號地SG）2，3，4，5，6，7，8，20，22②20mA電流環(huán)信號9個（12，13，14，15，16，17，19,23，24）③空6個（9，10，11，18，21，25）④保護地（PE）1個，作為設(shè)備接地端（1腳）DB-25型連接器的外形及信號線分配如圖3所示。注意，20mA電流環(huán)信號僅IBMPC和IBMPC/XT機提供，至AT機及以后，已不支持。（2）DB-9連接器在AT機及以后，不支持20mA電流環(huán)接口，使用DB-9連接器，作為提供多功能I/O卡或主板上COM1和COM2兩個串行接口的連接器。它只提供異步通信的9個信號。DB-25型連接器的引腳分配與DB-25型引腳信號完全不同。因此，若與配接DB-25型連接器的DCE設(shè)備連接，必須使用專門的電纜線。電纜長度：在通信速率低于20kb/s時，RS-232C所直接連接的最大物理距離為15m（50英尺）。最大直接傳輸距離說明：RS-232C標準規(guī)定，若不使用MODEM，在碼元畸變小于4%的情況下，DTE和DCE之間最大傳輸距離為15m（50英尺）。可見這個最大的距離是在碼元畸變小于4%的前提下給出的。為了保證碼元畸變小于4%的要求，接口標準在電氣特性中規(guī)定，驅(qū)動器的負載電容應(yīng)小于2500pF。RS-422與RS-485串行接口標準

1．平衡傳輸RS-422、RS-485與RS-232不一樣，數(shù)據(jù)信號采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸，它使用一對雙絞線，將其中一線定義為A，另一線定義為B，如圖2。圖2通常情況下，發(fā)送驅(qū)動器A、B之間的正電平在+2～+6V，是一個邏輯狀態(tài)，負電平在-2～-6V，是另一個邏輯狀態(tài)。另有一個信號地C，在RS-485中還有一“使能”端，而在RS-422中這是可用可不用的?！笆鼓堋倍耸怯糜诳刂瓢l(fā)送驅(qū)動器與傳輸線的切斷與連接。當“使能”端起作用時，發(fā)送驅(qū)動器處于高阻狀態(tài)，稱作“第三態(tài)”，即它是有別于邏輯“1”與“0”的第三態(tài)。接收器也作與發(fā)送端相對的規(guī)定，收、發(fā)端通過平衡雙絞線將AA與BB對應(yīng)相連，當在收端AB之間有大于+200mV的電平時，輸出正邏輯電平，小于-200mV時，輸出負邏輯電平。接收器接收平衡線上的電平范圍通常在200mV至6V之間。參見圖3。2．RS-422電氣規(guī)定RS-422標準全稱是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”，它定義了接口電路的特性。圖5是典型的RS-422四線接口。實際上還有一根信號地線，共5根線。圖4是其DB9連接器引腳定義。由于接收器采用高輸入阻抗和發(fā)送驅(qū)動器比RS232更強的驅(qū)動能力，故允許在相同傳輸線上連接多個接收節(jié)點，最多可接10個節(jié)點。即一個主設(shè)備（Master），其余為從設(shè)備（Salve），從設(shè)備之間不能通信，所以RS-422支持點對多的雙向通信。接收器輸入阻抗為4k，故發(fā)端最大負載能力是10×4k+100Ω（終接電阻）。RS-422四線接口由于采用單獨的發(fā)送和接收通道，因此不必控制數(shù)據(jù)方向，各裝置之間任何必須的信號交換均可以按軟件方式（XON/XOFF握手）或硬件方式（一對單獨的雙絞線）實現(xiàn)。RS-422的最大傳輸距離為4000英尺（約1219米），最大傳輸速率為10Mb/s。其平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能達到最大傳輸距離。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率僅為1Mb/s。RS-422需要一終接電阻，要求其阻值約等于傳輸電纜的特性阻抗。在矩距離傳輸時可不需終接電阻，即一般在300米以下不需終接電阻。終接電阻接在傳輸電纜的最遠端。3．RS-485電氣規(guī)定由于RS-485是從RS-422基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，所以RS-485許多電氣規(guī)定與RS-422相仿。如都采用平衡傳輸方式、都需要在傳輸線上接終接電阻等。RS-485可以采用二線與四線方式，二線制可實現(xiàn)真正的多點雙向通信，參見圖6。四、RS-422與RS-485的網(wǎng)絡(luò)安裝注意要點

RS-422可支持10個節(jié)點，RS-485支持32個節(jié)點，因此多節(jié)點構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)拓撲一般采用終端匹配的總線型結(jié)構(gòu)，不支持環(huán)形或星形網(wǎng)絡(luò)。在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)時，應(yīng)注意如下幾點：1．采用一條雙絞線電纜作總線，將各個節(jié)點串接起來，從總線到每個節(jié)點的引出線長度應(yīng)盡量短，以便使引出線中的反射信號對總線信號的影響最低。圖8所示為實際應(yīng)用中常見的一些錯誤連接方式（a，c，e）和正確的連接方式（b，d，f）。a，c，e這三種網(wǎng)絡(luò)連接盡管不正確，在短距離、低速率仍可能正常工作，但隨著通信距離的延長或通信速率的提高，其不良影響會越來越嚴重，主要原因是信號在各支路末端反射后與原信號疊加，會造成信號質(zhì)量下降。2．應(yīng)注意總線特性阻抗的連續(xù)性，在阻抗不連續(xù)點就會發(fā)生信號的反射。下列幾種情況易產(chǎn)生這種不連續(xù)性：總線的不同區(qū)段采用了不同電纜，或某一段總線上有過多收發(fā)器緊靠在一起安裝，再者是過長的分支線引出到總線。

總之，應(yīng)該提供一條單一、連續(xù)的信號通道作為總線。五、RS-422與RS-485傳輸線上匹配的一些說明

對RS-422與RS-485總線網(wǎng)絡(luò)一般要使用終接電阻進行匹配。但在短距離與低速率下可以不用考慮終端匹配。那么在什么情況下不用考慮匹配呢？理論上，在每個接收數(shù)據(jù)信號的中點進行采樣時，只要反射信號在開始采樣時衰減到足夠低就可以不考慮匹配。一般終端匹配采用終接電阻方法，終接電阻一般在RS-422網(wǎng)絡(luò)中取100Ω，在RS-485網(wǎng)絡(luò)中取120Ω。相當于電纜特性阻抗的電阻，