第4章-串行通信接口技術(shù)-D

第四章串行通信技術(shù)

異步串行通信協(xié)議及標(biāo)準(zhǔn)接口

RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)接口

20mA電流環(huán)接口4.1異步串行通信協(xié)議及標(biāo)準(zhǔn)接口異步串行通信協(xié)議異步串行通信格式4.1異步串行通信協(xié)議及標(biāo)準(zhǔn)接口異步通信的同步檢測(cè)與正確采樣的三項(xiàng)措施：以相反極性的起始位/停止位（空閑位）檢測(cè)新

字符的開(kāi)始，為接收端正確采樣提供時(shí)間基準(zhǔn)。接收器在每位碼元的中心采樣，以獲得最大的

收/發(fā)時(shí)鐘頻率偏差容限。接受時(shí)鐘頻率=n×波特率，以提高采樣分辨率

和抗干擾能力。用16倍波特率時(shí)鐘的同步檢測(cè)與采樣過(guò)程示意圖4.1異步串行通信協(xié)議及標(biāo)準(zhǔn)接口傳輸速率：

50，75，110，150，300，600，1200，2400，4800，9600，19200等11種波特率可選。常用串行通信標(biāo)準(zhǔn)接口

RS-232-C接口20mA(60mA)電流環(huán)接口RS-449/422/423接口4.2RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)接口

——一種電壓控制的串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)，由美國(guó)EIA協(xié)會(huì)公布和推薦信號(hào)連接規(guī)范：使用25腳連接器，定義了

20根引腳信號(hào)，分成主、輔兩個(gè)信道。信號(hào)連接方法：有調(diào)制解調(diào)器的實(shí)用連接無(wú)調(diào)制解調(diào)器的正規(guī)連接無(wú)調(diào)制解調(diào)器的最簡(jiǎn)連接常用三種連接方法，以適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)合：4.2RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)接口主要電氣指標(biāo)：最高傳輸速率：20kbit/s最大傳輸距離：約30m邏輯電平：負(fù)邏輯邏輯“1”（傳號(hào)）：要求發(fā)送端-5～-25v,

接收端＜-3v。邏輯“0”（空號(hào)）：要求發(fā)送端+5～+25v,接

收端＞+3v。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。4.2RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)接口應(yīng)用說(shuō)明：RS-232-C電平與TTL/CMOS電平不兼容，故兩者連

接時(shí)，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。以MC1488/MC1489作為收/發(fā)轉(zhuǎn)換時(shí)鐘4.2RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)接口為了提高抗干擾能力，提高傳輸速度，增大傳

輸距離，可在收/發(fā)端加光電隔離或用新型RS-

232-C串行通信轉(zhuǎn)發(fā)器FC232。長(zhǎng)線收發(fā)器長(zhǎng)線收發(fā)器長(zhǎng)線收發(fā)器長(zhǎng)線收發(fā)器計(jì)算機(jī)或終端計(jì)算機(jī)或終端計(jì)算機(jī)或終端計(jì)算機(jī)或終端長(zhǎng)線收發(fā)器PC機(jī)PE514AFC232利用FC232作為RS-232-C通信轉(zhuǎn)發(fā)器4.2RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)接口DB-9D型連接器DCDRXDTXDDTRGNDDSRRTSCTSRI123456789DB-9D型連接器及其信號(hào)說(shuō)明引腳符號(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4.2RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)接口DB-25D型連接器DB-25D型連接器及其信號(hào)說(shuō)明（-）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)方向功能一、RS-232、RS-422與RS-485的簡(jiǎn)單介紹

RS-422由RS-232發(fā)展而來(lái)，它是為彌補(bǔ)RS-232之不足而提出的。為改進(jìn)RS-232通信距離短、速率低的缺點(diǎn)，RS-422定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到10Mb/s，傳輸距離延長(zhǎng)到1200米（速率低于100kb/s時(shí)），并允許在一條平衡總線上連接最多10個(gè)接收器。RS-422是一種單機(jī)發(fā)送、多機(jī)接收的單向、平衡傳輸規(guī)范，被命名為TIA/EIA-422-A標(biāo)準(zhǔn)。4.4RS—485通信網(wǎng)絡(luò)一、RS-232、RS-422與RS-485的簡(jiǎn)單介紹

為擴(kuò)展應(yīng)用范圍，EIA又于1983年在RS-422基礎(chǔ)上制定了RS-485標(biāo)準(zhǔn)，增加了多點(diǎn)、雙向通信能力，即允許多個(gè)發(fā)送器連接到同一條總線上，同時(shí)增加了發(fā)送器的驅(qū)動(dòng)能力和沖突保護(hù)特性，擴(kuò)展了總線共模范圍，后命名為TIA/EIA-485-A標(biāo)準(zhǔn)。由于EIA提出的建議標(biāo)準(zhǔn)都是以RS作為前綴，所以在通訊工業(yè)領(lǐng)域，仍然習(xí)慣將上述標(biāo)準(zhǔn)以RS作前綴稱謂。RS-232、RS-422與RS-485標(biāo)準(zhǔn)只對(duì)接口的電氣特性做出規(guī)定，而不涉及接插件、電纜或協(xié)議，在此基礎(chǔ)上用戶可以建立自己的高層通信協(xié)議。

4.4RS—485通信網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)前自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用的網(wǎng)絡(luò)，如現(xiàn)場(chǎng)總線CAN、Profibus、INTERBUS-S以及ARCNet的物理層都是基于RS-485的總線進(jìn)行總結(jié)和研究。

4.4RS—485通信網(wǎng)絡(luò)二、RS—485通信總線的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

RS-485標(biāo)準(zhǔn)采有用平衡式發(fā)送，差分式接收的數(shù)據(jù)收發(fā)器來(lái)驅(qū)動(dòng)總線，具體規(guī)格要求：

1.接收器的輸入電阻RIN≥12kΩ

2.驅(qū)動(dòng)器能輸出±7V的共模電壓

3.輸入端的電容≤50pF

4.在節(jié)點(diǎn)數(shù)為32個(gè)，配置了120Ω的終端電阻的情況下，驅(qū)動(dòng)器至少還能輸出電壓1.5V（終端電阻的大小與所用雙絞線的參數(shù)有關(guān)）

5.接收器的輸入靈敏度為200mV（即（V+）-（V-）≥0.2V，表示信號(hào)“0”；（V+）-（V-）≤-0.2V，表示信號(hào)“1”）

因?yàn)镽S-485的遠(yuǎn)距離、多節(jié)點(diǎn)（32個(gè)）以及傳輸線成本低的特性，使得EIARS-485成為工業(yè)應(yīng)用中數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x標(biāo)準(zhǔn)。

4.4RS—485通信網(wǎng)絡(luò)

三、RS—485網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與通信控制在RS-485網(wǎng)絡(luò)工作中的任意一時(shí)刻只能有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器在工作，可以有多個(gè)接收器接收，這樣才能保證網(wǎng)絡(luò)的正常工作。該工作是由RS-485通信控制軟件的正確工作來(lái)完成的，在硬件上EN引腳起到RS-485接口器件工作方向的控制作用，在本接口器件得到授權(quán)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)之前，EN始終保護(hù)低電平，使本端口始終處于數(shù)據(jù)接收狀態(tài)。下圖是二通信端口RS-485網(wǎng)絡(luò)工作示意圖。4.4RS—485通信網(wǎng)絡(luò)AA0V5V0V5V0VTX10VVAEN2RX20VRS-485驅(qū)動(dòng)不允許

+3VVB

+3VDRRDBBRS-485網(wǎng)絡(luò)工作波形圖EN1TX1EN1RX1TX2EN2RX2

TX1、TX2、RX1、RX2、EN1、EN2等是TTL電平，A、B處電壓值為RS-485網(wǎng)絡(luò)工作電平。一旦工作中的RS-485端口放棄網(wǎng)絡(luò)控制權(quán)（使EN變?yōu)榈碗娖剑W(wǎng)絡(luò)上的其他端口就可以取得網(wǎng)絡(luò)的控制權(quán)。這種對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制權(quán)的接續(xù)工作，最好能有所延遲，以抑制網(wǎng)絡(luò)反射波等的影響，延遲時(shí)間可大約在一個(gè)字符的傳輸時(shí)間左右，如網(wǎng)絡(luò)傳輸速率是9600波特，延遲時(shí)間可設(shè)定為1ms。4.4RS—485通信網(wǎng)絡(luò)

三、RS—485網(wǎng)絡(luò)電壓偏置

當(dāng)RS-485網(wǎng)絡(luò)中的所有點(diǎn)都處于接聽(tīng)模式，即網(wǎng)絡(luò)上沒(méi)有有效的驅(qū)動(dòng)器在工作時(shí)（驅(qū)動(dòng)器輸出都處于高阻狀態(tài)），這樣網(wǎng)絡(luò)上處于一個(gè)未知狀態(tài)。如果接收器A與B端間的輸入電壓小于±200mV，則各接收器輸出的邏輯電平將處于各自所收到的最后一位信號(hào)的邏輯電平值，可能造成通信數(shù)據(jù)不正確，可以通過(guò)增加上、下拉電阻辦法解決，具體接法見(jiàn)下圖。4.4RS—485通信網(wǎng)絡(luò)VCCR2TX-EN21ROB/READEDIGNDR1RXDTXDMAX485RS-485具有偏置電阻的RS-485網(wǎng)絡(luò)

偏置電阻的值取決于RS-485網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)，選擇偏置電阻值的最終目標(biāo)是使流過(guò)偏置電阻的電流值可維持線路A與B之間至少存在一個(gè)200mV的直流電壓。例如有一個(gè)32通信節(jié)點(diǎn)的RS-485網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的輸入電阻為12kΩ，32個(gè)節(jié)點(diǎn)并聯(lián)得到總阻值為375Ω，在375的電阻上維持至少200mV的電壓需要0.53mA的電流。在5V的網(wǎng)絡(luò)工作電源條件下得到上述電流需要限流電阻小于或等于9375Ω。由于375Ω正是接收器并聯(lián)得到的總阻值，因此，偏置電阻應(yīng)小于或等于9kΩ，依此選擇標(biāo)稱電阻值，上拉、下拉兩個(gè)偏置電阻可各選為4.7kΩ。4.4RS—485通信網(wǎng)絡(luò)四、

RS-485網(wǎng)絡(luò)的終端匹配

在RS-485網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)線路阻抗與終端電阻不相匹配時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中所傳輸?shù)男盘?hào)將不能被終端所全部接收，從而在端口反射回傳輸線，對(duì)網(wǎng)絡(luò)形成干擾。為此，可通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)終端加匹配電阻的方法加以解決。RS-485網(wǎng)絡(luò)加終端匹配電阻的方法見(jiàn)下圖所示。匹配電阻可在100～120Ω內(nèi)選擇，視通信線路阻抗而定。4.4RS—485通信網(wǎng)絡(luò)4.4RS—485通信網(wǎng)絡(luò)21ROB/READEDI120RXDTXDTX-ENMAX485RS-485加終端匹配電阻的RS-485網(wǎng)絡(luò)加終端匹配電阻的RS-485網(wǎng)絡(luò)4.4RS—485通信網(wǎng)絡(luò)四、

RS-485網(wǎng)絡(luò)的終端匹配

RS-485網(wǎng)絡(luò)是否需要附加的終端匹配電阻取決于網(wǎng)絡(luò)電纜長(zhǎng)度及系統(tǒng)的傳輸速率。一個(gè)適宜的規(guī)則是當(dāng)傳輸線的延遲時(shí)間遠(yuǎn)小于線路所傳輸信號(hào)的1位寬度的時(shí)間時(shí)可不加終端匹配電阻。這個(gè)規(guī)則是依據(jù)這樣一個(gè)條件：反射波在數(shù)據(jù)上來(lái)回反射幾次后將衰減為零。通信端口的接收裝置通常在數(shù)據(jù)位的中部采樣，所以，該中部應(yīng)保持平緩以保證數(shù)據(jù)采樣的正確性。傳輸線的傳輸速度通常為光速的66%的70%，依據(jù)電纜的特性不同而不同。4.4RS—485通信網(wǎng)絡(luò)四、

RS-485網(wǎng)絡(luò)的終端匹配

例如，有一RS-485網(wǎng)絡(luò)，通訊線總長(zhǎng)為1.2km，使用的電纜的延遲速度為0.66倍的光速，則端到端傳輸數(shù)據(jù)大約需要6.2μS，我們假設(shè)該反射波經(jīng)3次反射后衰減為零，則數(shù)據(jù)信號(hào)將在18.6μS后趨于穩(wěn)定。假設(shè)在該網(wǎng)絡(luò)內(nèi)我們以9600波特率的速率來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，其1位數(shù)據(jù)寬度為104μS，可見(jiàn)，反射波對(duì)傳輸數(shù)據(jù)波形的影響遠(yuǎn)離于中心點(diǎn)，因此，該系統(tǒng)無(wú)需加終端匹配電阻。4.4RS—485通信網(wǎng)絡(luò)四、

RS-485網(wǎng)絡(luò)的終端匹配

在RS-485網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的物理接線中應(yīng)杜絕T型接線方式，應(yīng)采用“手拉手”的連接方式。12n4.4RS—485通信網(wǎng)絡(luò)4.4RS—485通信網(wǎng)絡(luò)4.4RS—485通信網(wǎng)絡(luò)五、RS-485網(wǎng)絡(luò)抗干攏與保護(hù)由于大電感，大感性負(fù)荷開(kāi)關(guān)狀態(tài)的突變及射頻和雷電等因素都會(huì)對(duì)通訊網(wǎng)絡(luò)造成干擾，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞網(wǎng)絡(luò)接口器件或網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的電子元器件。所以應(yīng)注意RS-485網(wǎng)絡(luò)的抗干擾與保持問(wèn)題。所有對(duì)網(wǎng)絡(luò)的干擾可簡(jiǎn)單歸類為：共模干擾和差模干擾。共模干擾以地為基準(zhǔn)形成干擾偏差，因此，采用光電隔離方式處置最為有效。這種方案實(shí)際上將瞬態(tài)高壓轉(zhuǎn)移到隔離接口中的電隔離層上，由于隔離層的高絕緣電阻，不會(huì)產(chǎn)生損害性的浪涌電流，起到保護(hù)接口的作用。下圖就是采用高速光電耦全器6N137作為光電隔離器的RS-485保護(hù)電路。4.4RS—485通信網(wǎng)絡(luò)GNDROB/READE

DITTL-RXDTTL-TX-EN21TTL-TXDMAX485光耦光耦光耦RS485光耦隔離保護(hù)的RS-485網(wǎng)絡(luò)五、RS-485網(wǎng)絡(luò)抗干攏與保護(hù)

該電路的缺點(diǎn)是光電耦合器兩側(cè)需使用兩個(gè)不同的（不共地的）+5V電源及三個(gè)較昂貴的高速光電隔離器件。已有器件廠商將所有這些元件集成在一片IC中，使用起來(lái)非常簡(jiǎn)便，如Maxim公司的MAX1480/MAX1490，隔離電壓呆達(dá)2500V。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是可以承受高電壓、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的瞬態(tài)干擾，實(shí)現(xiàn)起來(lái)也比較容易，缺點(diǎn)是成本較高4.4RS—485通信網(wǎng)絡(luò)五、RS-485網(wǎng)絡(luò)抗干攏與保護(hù)

差模干擾在兩條傳輸線上形成差動(dòng)電勢(shì)，較大的有害電勢(shì)會(huì)損害接口器件。因此，鉗位傳輸線上的電壓到一定的安全值是消除差模干擾的一個(gè)行之有效的途徑。利用瞬態(tài)抑制元件（如TVS、氣體放電管等）將危害性的瞬態(tài)能量旁路到大地。該方法優(yōu)點(diǎn)是成本較低，缺點(diǎn)是保護(hù)能力有限，只能保護(hù)一定能量以內(nèi)的瞬態(tài)干擾，持續(xù)時(shí)間不能很長(zhǎng)，而且需要有一條良好的連接大地的通道，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難。實(shí)際應(yīng)用中可以將瞬態(tài)抑制元件和PCT型非線性電阻結(jié)合起來(lái)，4.4RS—485通信網(wǎng)絡(luò)五、RS-485網(wǎng)絡(luò)抗干攏與保護(hù)

下圖是RS-485網(wǎng)絡(luò)傳輸線保護(hù)方法示意圖。圖中鉗位保護(hù)器件是瞬變二極管（TVS），瞬變二極管對(duì)某一個(gè)臨界電壓值有大電流迅速導(dǎo)通的特性。三個(gè)瞬變二極管對(duì)通信線二線間及各線對(duì)地間起到鉗位保護(hù)作用。兩個(gè)標(biāo)識(shí)為RV的元件為PCT型非線性電阻，常溫下其阻極低，一旦流過(guò)較大電流值時(shí)會(huì)使元件迅速變熱而使阻值極劇變大。因此，用PCT型非線性電阻配合瞬變二極管可起到很好的RS-485網(wǎng)絡(luò)通信線路保護(hù)作用。4.4RS—485通信網(wǎng)絡(luò)六、RS-485接口芯片與微控制器的連接

RS-485接口芯片工作于半雙工工作方式，因此，除數(shù)據(jù)發(fā)送、接收線外，還需要有RS-485數(shù)據(jù)輸出允許控制線。圖4.20為MAX485芯片與89C51系列單片機(jī)連接圖示。數(shù)據(jù)輸入、輸出分別接到微控制器的RXD、TXD端，由微控制器的通用并行接口中P3.2來(lái)控制RS-485接口芯片的接收、發(fā)送數(shù)據(jù)操作。

4.4RS—485通信網(wǎng)絡(luò)1P32GNDRS-48589C51INT0X1RXDX2