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1頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月第3章串行通信接口技術(shù)

IBM-PC及其兼容機(jī)是目前應(yīng)用較廣泛的一種計算機(jī)，通常用它作為分布式測控系統(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2頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月第3頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月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4頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3-1串行異步通信數(shù)據(jù)格式有效數(shù)據(jù)位的個數(shù)可以規(guī)定為5、6、7或8。奇偶校驗位視需要設(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5頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.2連接握手

連接握手過程是指發(fā)送者在發(fā)送一個數(shù)據(jù)塊之前使用一個特定的握手信號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現(xiàn)。第6頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月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7頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.4中斷

中斷是一個信號，它通知CPU有需要立即響應(yīng)的任務(wù)。每個中斷請求對應(yīng)一個連接到中斷源和中斷控制器的信號。通過自動檢測端口事件，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算機(jī)外設(shè)發(fā)出的中斷請求，如：鍵盤中斷、打印機(jī)中斷、定時器中斷等。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)備的中斷請求。內(nèi)部中斷是指因硬件出錯（如突然掉電、奇偶校驗錯等）或運(yùn)算出錯（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8頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.5輪詢

通過周期性地獲取特征或信號來讀取數(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9頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.6差錯檢驗

數(shù)據(jù)通信中的接收者可以通過差錯檢驗來判斷所接收的數(shù)據(jù)是否正確。冗余數(shù)據(jù)校驗、奇偶校驗、校驗和、循環(huán)冗余校驗等都是串行通信中常用的差錯檢驗方法。第10頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月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11頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月表3-1RS-232C主要端子端腳方向符號功能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信號地81輸入DCD數(shù)據(jù)信號檢測204輸出DTR229輸入RI第12頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月1．信號含義（1）從計算機(jī)到MODEM的信號DTR——數(shù)據(jù)終端（DTE）準(zhǔn)備好：告訴MODEM計算機(jī)已接通電源，并準(zhǔn)備好。RTS——請求發(fā)送：告訴MODEM現(xiàn)在要發(fā)送數(shù)據(jù)。（2）從MODEM到計算機(jī)的信號DSR——數(shù)據(jù)設(shè)備（DCE）準(zhǔn)備好：告訴計算機(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)信號檢測：告訴計算機(jī)MODEM已與對端的MODEM建立連接了。RI——振鈴指示器：告訴計算機(jī)對端電話已在振鈴了。（3）數(shù)據(jù)信號TXD——發(fā)送數(shù)據(jù)。RXD——接收數(shù)據(jù)。第13頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)接口DCDRXDTXDDTRGNDDSRRTSCTSRI123456789引腳符號方向功能1載波檢測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信號地6DSRI數(shù)據(jù)設(shè)備就緒7RTS請求發(fā)送O8CTSI清除發(fā)送9RII振鈴指示第14頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月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請求發(fā)送5CTSI清除發(fā)送6DSRI數(shù)據(jù)設(shè)備就緒7GND信號地8CDI載波檢測20DTRO數(shù)據(jù)終端就緒22RII振鈴指示引腳符號方向功能第15頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月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，每個信號用一根導(dǎo)線，所有信號回路共用一根地線。速率20Kbps,距離15m驅(qū)動器DR中間連接電纜接收器接口信號地線圖3-2RS-232C的電氣連接第16頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月RS-232C采用負(fù)邏輯。在數(shù)據(jù)線上：傳號Mark=－5~－15V，邏輯“1”電平空號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17頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.2通信接口的連接

當(dāng)兩臺計算機(jī)經(jīng)RS-232C口直接通信時，兩臺計算機(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信號的RS-232接口計算機(jī)19D插座計算機(jī)29D插座TXD3RXD2請求發(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)信號器第18頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3-4不使用MODEM信號的RS-232C接口計算機(jī)19D插座計算機(jī)29D插座TXD3RXD2RTS7CTS8DSR6DTR4地53TXD2RXD7RTS8CTS6DSR4DTR5地第19頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.3RS-232C電平轉(zhuǎn)換器

為了實現(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)動器、MC1489接收器，第20頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月TI公司（德州儀器）的SN75188驅(qū)動器、SN75189接收器

美國MAXIM公司生產(chǎn)的單一+5V電源供電、多路RS-232驅(qū)動器/接收器，如MAX232A等。SN75196多路RS-232驅(qū)動器和接收器第21頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月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22頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月圖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23頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月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，可采用RS-485串行通信接口。第24頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.1RS-485接口標(biāo)準(zhǔn)

RS-485接口采用二線差分平衡傳輸，其信號定義如下。當(dāng)采用+5V電源供電時：若差分電壓信號為－2500~－200mV時，為邏輯“0”；若差分電壓信號為+2500~+200mV時，為邏輯“1”；若差分電壓信號為－200~+200mV時，為高阻狀態(tài)。第25頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月圖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26頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月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)用場合，如PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線等。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，后者為工業(yè)級產(chǎn)品。引腳如圖3-8所示。第27頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3-8SN75LBC184引腳圖1

8

273645RREDEDVCCBAGND第28頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月第29頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月

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30頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.4RS-485網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)

利用RS-485接口可以使一個或者多個信號發(fā)送器與接收器互聯(lián)，在多臺計算機(jī)或帶微控制器的設(shè)備之間實現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信，形成分布式測控網(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。有多個驅(qū)動器和接收器共享一條信號通路。圖3-10為RS-485端口半雙工連接的電路圖。第31頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月第32頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3-10RS-485端口的半雙工連接第33頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月第34頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月第35頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月第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RS-485端口的全雙工連接第36頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月第37頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月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、信號位、傳輸波特率、奇偶校驗?？刂破髂苤苯踊蛲ㄟ^調(diào)制解調(diào)器組網(wǎng)。第38頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月RS-232C第39頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月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、校驗方式等）在配置每個控制器的時候，在一個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40頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3-13ASCⅡ模式P78圖3-14RTU模式P79第41頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4.3Modbus消息幀

1．ASCII幀

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

一個典型消息幀如圖3-15所示。圖3-15ASCⅡ消息幀第42頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月2．RTU幀

使用RTU模式，消息發(fā)送至少要以3.5個字符時間的停頓間隔開始。

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

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

一個典型的消息幀如圖3-16所示。圖3-16RTU消息幀第43頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月消息幀的地址域包含兩個字符（ASCII）或8bi（RTU）。允許的從設(shè)備地址是0~247（十進(jìn)制）。單個從設(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，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)備都能識別。3．地址域第44頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月第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，功能代碼域?qū)⒏嬷獜脑O(shè)備需要執(zhí)行哪些動作。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、校驗在從設(shè)備中的程序等。當(dāng)從設(shè)備響應(yīng)時，它使用功能代碼域來指示是正常響應(yīng)（無誤）還是有某種錯誤發(fā)生（稱作異常響應(yīng)）。對正常響應(yīng)，從設(shè)備僅響應(yīng)相應(yīng)的功能代碼。對異常響應(yīng)，從設(shè)備返回一個在正常功能代碼的最高位置1的代碼。第45頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月例如，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）對正常響應(yīng)，從設(shè)備僅響應(yīng)同樣的功能代碼；對異常響應(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，或者診斷報告操作員。5．?dāng)?shù)據(jù)域數(shù)據(jù)域是由兩