第三章 串行通信接口技術(shù)

第三章串行通信接口技術(shù)第一頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期四第3章串行通信接口技術(shù)

IBM-PC及其兼容機(jī)是目前應(yīng)用較廣泛的一種計(jì)算機(jī)，通常用它作為分布式測(cè)控系統(tǒng)的上位機(jī)，而單片微處理器和單片微控制器軟硬件資源豐富，價(jià)格低，適合于作下位機(jī)。上位機(jī)與下位機(jī)一般采用串行通信技術(shù)，常用的有RS-232C接口及RS-422和RS-485接口。第二頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期四第三頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期四3.1串行通信基礎(chǔ)

3.1.1串行異步通信數(shù)據(jù)格式

無論是RS-232還是RS-485，均可采用串行異步收發(fā)數(shù)據(jù)格式。串行異步收發(fā)（UART）通信的數(shù)據(jù)格式如圖3-1所示。第四頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期四圖3-1串行異步通信數(shù)據(jù)格式有效數(shù)據(jù)位的個(gè)數(shù)可以規(guī)定為5、6、7或8。奇偶校驗(yàn)位視需要設(shè)定，緊跟其后的是停止位（邏輯1，高電平），其位數(shù)可在1、1.5、2中選擇其一。停止位停止位D0D1D2D3D4D5D6D7起始位奇偶位數(shù)據(jù)位第五頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期四3.1.2連接握手

連接握手過程是指發(fā)送者在發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)塊之前使用一個(gè)特定的握手信號(hào)來引起接收者的注意，表明要發(fā)送數(shù)據(jù)，接收者則通過握手信號(hào)回應(yīng)發(fā)送者，說明它已經(jīng)做好了接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。連接握手可以通過軟件，也可以通過硬件來實(shí)現(xiàn)。第六頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期四3.1.3確認(rèn)

接收者為表明數(shù)據(jù)已經(jīng)收到而向發(fā)送者回復(fù)信息的過程稱為確認(rèn)。第七頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期四3.1.4中斷

中斷是一個(gè)信號(hào)，它通知CPU有需要立即響應(yīng)的任務(wù)。每個(gè)中斷請(qǐng)求對(duì)應(yīng)一個(gè)連接到中斷源和中斷控制器的信號(hào)。通過自動(dòng)檢測(cè)端口事件，發(fā)現(xiàn)中斷并轉(zhuǎn)入中斷處理。許多串行端口采用硬件中斷。硬件中斷分為外部中斷和內(nèi)部中斷。

外部中斷一般是指由計(jì)算機(jī)外設(shè)發(fā)出的中斷請(qǐng)求，如：鍵盤中斷、打印機(jī)中斷、定時(shí)器中斷等。外部中斷是可以屏蔽的中斷，也就是說，利用中斷控制器可以屏蔽這些外部設(shè)備的中斷請(qǐng)求。內(nèi)部中斷是指因硬件出錯(cuò)（如突然掉電、奇偶校驗(yàn)錯(cuò)等）或運(yùn)算出錯(cuò)（除數(shù)為零、運(yùn)算溢出、單步中斷等）所引起的中斷。內(nèi)部中斷是不可屏蔽的中斷。第八頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期四3.1.5輪詢

通過周期性地獲取特征或信號(hào)來讀取數(shù)據(jù)或發(fā)現(xiàn)是否有事件發(fā)生的工作過程稱為輪詢。第九頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期四3.1.6差錯(cuò)檢驗(yàn)

數(shù)據(jù)通信中的接收者可以通過差錯(cuò)檢驗(yàn)來判斷所接收的數(shù)據(jù)是否正確。冗余數(shù)據(jù)校驗(yàn)、奇偶校驗(yàn)、校驗(yàn)和、循環(huán)冗余校驗(yàn)等都是串行通信中常用的差錯(cuò)檢驗(yàn)方法。第十頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期四3.2RS-232C串行通信接口

3.2.1RS-232C端子

RS-232C的連接插頭用25針或9針的EIA連接插頭座，其主要端子分配如表3-1所示。第十一頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期四表3-1RS-232C主要端子端腳方向符號(hào)功能25針9針23輸出TXD發(fā)送數(shù)據(jù)32輸入RXD接收數(shù)據(jù)47輸出RTS請(qǐng)求發(fā)送58輸入CTS為發(fā)送清零66輸入DSR數(shù)據(jù)設(shè)備準(zhǔn)備好75GND信號(hào)地81輸入DCD數(shù)據(jù)信號(hào)檢測(cè)204輸出DTR229輸入RI第十二頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期四1．信號(hào)含義（1）從計(jì)算機(jī)到MODEM的信號(hào)DTR——數(shù)據(jù)終端（DTE）準(zhǔn)備好：告訴MODEM計(jì)算機(jī)已接通電源，并準(zhǔn)備好。RTS——請(qǐng)求發(fā)送：告訴MODEM現(xiàn)在要發(fā)送數(shù)據(jù)。（2）從MODEM到計(jì)算機(jī)的信號(hào)DSR——數(shù)據(jù)設(shè)備（DCE）準(zhǔn)備好：告訴計(jì)算機(jī)MODEM已接通電源，并準(zhǔn)備好了。CTS——為發(fā)送清零：告訴計(jì)算機(jī)MODEM已作好了接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。DCD——數(shù)據(jù)信號(hào)檢測(cè)：告訴計(jì)算機(jī)MODEM已與對(duì)端的MODEM建立連接了。RI——振鈴指示器：告訴計(jì)算機(jī)對(duì)端電話已在振鈴了。（3）數(shù)據(jù)信號(hào)TXD——發(fā)送數(shù)據(jù)。RXD——接收數(shù)據(jù)。第十三頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期四RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)接口DCDRXDTXDDTRGNDDSRRTSCTSRI123456789引腳符號(hào)方向功能1載波檢測(cè)DCDI2RXDI接收數(shù)據(jù)3TXDO發(fā)送數(shù)據(jù)4DTRO數(shù)據(jù)終端就緒5GND信號(hào)地6DSRI數(shù)據(jù)設(shè)備就緒7RTS請(qǐng)求發(fā)送O8CTSI清除發(fā)送9RII振鈴指示第十四頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期四RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)接口（-）接收電流（+）接收電流發(fā)送

電流（-）發(fā)送

電流（+）13119876543212220181425DTRRIDCDRTSGNDDSRCTSRXDTXD1保護(hù)地2TXDO發(fā)送數(shù)據(jù)3RXDI接收數(shù)據(jù)4RTSO請(qǐng)求發(fā)送5CTSI清除發(fā)送6DSRI數(shù)據(jù)設(shè)備就緒7GND信號(hào)地8CDI載波檢測(cè)20DTRO數(shù)據(jù)終端就緒22RII振鈴指示引腳符號(hào)方向功能第十五頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期四2．電氣特性

RS-232C的電氣線路連接方式如圖3-2所示。

p71由圖可知，每個(gè)信號(hào)用一根導(dǎo)線，所有信號(hào)回路共用一根地線。速率20Kbps,距離15m驅(qū)動(dòng)器DR中間連接電纜接收器接口信號(hào)地線圖3-2RS-232C的電氣連接第十六頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期四RS-232C采用負(fù)邏輯。在數(shù)據(jù)線上：傳號(hào)Mark=－5~－15V，邏輯“1”電平空號(hào)Space=+5~+15V，邏輯“0”電平在控制線上：通on=+5~+15V，邏輯“0”電平斷off=－5~－15V，邏輯“1”電平

高低電平擺幅大，目的是增大噪聲容限，提高抗噪聲、抗傳輸線衰減的能力。

第十七頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期四3.2.2通信接口的連接

當(dāng)兩臺(tái)計(jì)算機(jī)經(jīng)RS-232C口直接通信時(shí)，兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的聯(lián)絡(luò)線可用圖3-3和圖3-4表示。

圖3-3使用MODEM信號(hào)的RS-232接口計(jì)算機(jī)19D插座計(jì)算機(jī)29D插座TXD3RXD2請(qǐng)求發(fā)送RTS7為發(fā)送清零CTS8DCE準(zhǔn)備好DSR6DTE準(zhǔn)備好DTR4地53TXD2RXD7RTS8CTS6DSR4DTR5地調(diào)制解調(diào)信號(hào)器第十八頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期四圖3-4不使用MODEM信號(hào)的RS-232C接口計(jì)算機(jī)19D插座計(jì)算機(jī)29D插座TXD3RXD2RTS7CTS8DSR6DTR4地53TXD2RXD7RTS8CTS6DSR4DTR5地第十九頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期四3.2.3RS-232C電平轉(zhuǎn)換器

為了實(shí)現(xiàn)采用+5V供電的TTL和CMOS通信接口電路能與RS-232C標(biāo)準(zhǔn)接口連接，必須進(jìn)行串行口的輸入/輸出信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換。目前常用的電平轉(zhuǎn)換器有MOTOROLA公司生產(chǎn)的MC1488驅(qū)動(dòng)器、MC1489接收器，第二十頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期四TI公司（德州儀器）的SN75188驅(qū)動(dòng)器、SN75189接收器

美國(guó)MAXIM公司生產(chǎn)的單一+5V電源供電、多路RS-232驅(qū)動(dòng)器/接收器，如MAX232A等。SN75196多路RS-232驅(qū)動(dòng)器和接收器第二十一頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期四MAX232A內(nèi)部具有雙充電泵電壓變換器，把+5V變換成±10V，作為驅(qū)動(dòng)器的電源，具有兩路發(fā)送器及兩路接收器，使用相當(dāng)方便。引腳如圖3-5所示，典型應(yīng)用如圖3-6所示。圖3-5MAX232A引腳圖VCCGNDT1OUTR1INR1OUTT1INT2INR2OUT

C1+V+C1-

C2+C2-

V-

T2OUTR2IN

1162153144135126117109第二十二頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期四圖3-6MAX232A典型應(yīng)用單一+5V電源供電的RS-232C電平轉(zhuǎn)換器還有TL232、ICL232等。RS-232C輸入TTL/CMOS輸出+10μF/25VTTL/CMOS輸入10μF/25VC1+VCCC1－V+C2+V－C2－GNDT1INT1OUTT2INT2OUTR1OUTR1INR2OUTR2IN+5VRS-232C輸出+10μF/25V+10μF/25V+第二十三頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期四3.3RS-485串行通信接口

由于RS-232C通信距離較近，當(dāng)傳輸距離較遠(yuǎn)時(shí)，可采用RS-485串行通信接口。第二十四頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期四3.3.1RS-485接口標(biāo)準(zhǔn)

RS-485接口采用二線差分平衡傳輸，其信號(hào)定義如下。當(dāng)采用+5V電源供電時(shí)：若差分電壓信號(hào)為－2500~－200mV時(shí)，為邏輯“0”；若差分電壓信號(hào)為+2500~+200mV時(shí)，為邏輯“1”；若差分電壓信號(hào)為－200~+200mV時(shí)，為高阻狀態(tài)。第二十五頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期四圖3-7差分平衡電路ABVAVB發(fā)送接收其一根導(dǎo)線上的電壓是另一根導(dǎo)線上的電壓值取反。接收器的輸入電壓為這兩根導(dǎo)線電壓的差值。RS-485的差分平衡電路如圖3-7所示。第二十六頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期四3.3.2RS-485收發(fā)器

RS-485收發(fā)器種類較多，如MAXIM公司的MAX485，TI公司的SN75LBC184、SN65LBC184，高速型SN65ALS1176等。它們的引腳是完全兼容的，其中SN65ALS1176主要用于高速應(yīng)用場(chǎng)合，如PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線等。SN75LBC184/SN65LBC184為具有瞬變電壓抑制的差分收發(fā)器，前者為商業(yè)級(jí)，后者為工業(yè)級(jí)產(chǎn)品。引腳如圖3-8所示。第二十七頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期四圖3-8SN75LBC184引腳圖1

8

273645RREDEDVCCBAGND第二十八頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期四第二十九頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期四

3.3.3應(yīng)用電路

RS-485應(yīng)用電路如圖3-9所示。圖3-9RS-485應(yīng)用電路+5V接至其它RS-485收發(fā)器相應(yīng)端AT89S52RS-485收發(fā)器RXDTXDP10RVCCDBREADEGND第三十頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期四3.3.4RS-485網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)

利用RS-485接口可以使一個(gè)或者多個(gè)信號(hào)發(fā)送器與接收器互聯(lián)，在多臺(tái)計(jì)算機(jī)或帶微控制器的設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信，形成分布式測(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。1．RS-485的半雙工通信方式在大多數(shù)應(yīng)用條件下，RS-485的端口連接都采用半雙工通信方式。有多個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器共享一條信號(hào)通路。圖3-10為RS-485端口半雙工連接的電路圖。第三十一頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期四第三十二頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期四圖3-10RS-485端口的半雙工連接第三十三頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期四第三十四頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期四第三十五頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期四第3章通用串行通信接口技術(shù)3.3.4RS-485網(wǎng)絡(luò)互連2．RS-485的全雙工連接盡管大多數(shù)RS-485的連接是半雙工的，但是也可以形成全雙工RS-485連接。圖3-11表示兩點(diǎn)之間的全雙工RS-485連接。圖3-11兩個(gè)RS-485端口的全雙工連接第三十六頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期四第三十七頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期四3.4Modbus通信協(xié)議

3.4.1概述

Modbus協(xié)議是應(yīng)用于PLC或其他控制器上的一種通用語(yǔ)言。通過此協(xié)議，控制器之間、控制器通過網(wǎng)絡(luò)（如以太網(wǎng)）和其他設(shè)備之間可以實(shí)現(xiàn)串行通信。該協(xié)議已經(jīng)成為通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。采用Modbus協(xié)議，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以互連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控。標(biāo)準(zhǔn)的Modbus接口使用RS-232C兼容串行接口，它定義了連接器的引腳、電纜、信號(hào)位、傳輸波特率、奇偶校驗(yàn)?？刂破髂苤苯踊蛲ㄟ^調(diào)制解調(diào)器組網(wǎng)。第三十八頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期四RS-232C第三十九頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期四3.4.2兩種傳輸方式P78

控制器能設(shè)置為兩種傳輸模式（ASCII或RTU）中的任何一種在標(biāo)準(zhǔn)的Modbus網(wǎng)絡(luò)通信。用戶選擇想要的模式，包括串口參數(shù)（波特率、校驗(yàn)方式等）在配置每個(gè)控制器的時(shí)候，在一個(gè)Modbus網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數(shù)。ASCII（美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)信息交換代碼）模式如圖3-13所示，RTU（遠(yuǎn)程終端單元）模式如圖3-14所示。第四十頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期四圖3-13ASCⅡ模式P78圖3-14RTU模式P79第四十一頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期四3.4.3Modbus消息幀

1．ASCII幀

使用ASCII模式，消息以冒號(hào)“：”字符（ASCII碼3AH）開始，以回車換行符(ASCII碼0DH,0AH）結(jié)束。

一個(gè)典型消息幀如圖3-15所示。圖3-15ASCⅡ消息幀第四十二頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期四2．RTU幀

使用RTU模式，消息發(fā)送至少要以3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓間隔開始。

在網(wǎng)絡(luò)波特率下設(shè)置多個(gè)字符時(shí)間（T1-T2-T3-T4）,這是最容易實(shí)現(xiàn)的。

在最后一個(gè)傳輸字符之后，一個(gè)至少3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓標(biāo)注了消息的結(jié)束，一個(gè)新的消息可在此停頓后開始。

一個(gè)典型的消息幀如圖3-16所示。圖3-16RTU消息幀第四十三頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期四消息幀的地址域包含兩個(gè)字符（ASCII）或8bi（RTU）。允許的從設(shè)備地址是0~247（十進(jìn)制）。單個(gè)從設(shè)備的地址范圍是1～247。主設(shè)備通過將從設(shè)備的地址放入消息中的地址域來選通從設(shè)備。當(dāng)從設(shè)備發(fā)送響應(yīng)消息時(shí)，它把自己的地址放入響應(yīng)的地址域中，以便主設(shè)備知道是哪一個(gè)設(shè)備作出的響應(yīng)。地址0用做廣播地址，以使所有的從設(shè)備都能識(shí)別。3．地址域第四十四頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期四第3章通用串行通信接口技術(shù)3.4.3Modbus消息幀4．功能域消息幀中的功能代碼域包含了兩個(gè)字符（ASCII）或8bit（RTU）。允許的代碼范圍是十進(jìn)制的1~255。當(dāng)消息從主設(shè)備發(fā)往從設(shè)備時(shí)，功能代碼域?qū)⒏嬷獜脑O(shè)備需要執(zhí)行哪些動(dòng)作。例如，去讀取輸入的開關(guān)狀態(tài)，讀一組寄存器的數(shù)據(jù)內(nèi)容，讀從設(shè)備的診斷狀態(tài)，允許調(diào)入、記錄、校驗(yàn)在從設(shè)備中的程序等。當(dāng)從設(shè)備響應(yīng)時(shí)，它使用功能代碼域來指示是正常響應(yīng)（無誤）還是有某種錯(cuò)誤發(fā)生（稱作異常響應(yīng)）。對(duì)正常響應(yīng)，從設(shè)備僅響應(yīng)相應(yīng)的功能代碼。對(duì)異常響應(yīng)，從設(shè)備返回一個(gè)在正常功能代碼的最高位置1的代碼。第四十五頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期四例如，一主設(shè)備發(fā)往從設(shè)備的消息，內(nèi)容是讀一組保持寄存器，功能代碼是：00000011（03H）對(duì)正常響應(yīng)，從設(shè)備僅響應(yīng)同樣的功能代碼；對(duì)異常響應(yīng)，從設(shè)備返回10000011（83H）。然后，從設(shè)備將一特殊代碼放到響應(yīng)消息的數(shù)據(jù)域中，告訴主設(shè)備發(fā)生了什么錯(cuò)誤。主設(shè)備應(yīng)用程序得到異常的響應(yīng)后，典型的處理過程是從發(fā)消息，或者診斷報(bào)告操作員。5．?dāng)?shù)據(jù)域數(shù)據(jù)域是由兩位十