工业控制网络-RS-232-打印版

RS-232和RS485通信串行通信基础串行通信标准：RS-232和RS-485RS-232：个人计算机的通讯接口之一，由电子工业协会（ElectronicIndustriesAssociation，EIA)所制定的异步传输标准接口。通常RS-232接口以9个引脚(DB-9)或是25个引脚(DB-25)的型态出现，一般个人计算机上会有两组RS-232接口，分别称为COM1和COM2。RS-232c和RS-232数据的同步与异步传输一、同步传输同步传输是一种以报文和分组为单位进行传输的方式。报文：message，网络站交换与传输的数据单元，一次性发送的数据块分组：packet同步传输优点：同步信息量少，传输速率高，常用特点：要求发送和接收双方同频率，且协调准确。允许连续发送一个字符序列，每个字符数据位数相同，没有起始位、停止位一、同步方式同步：在接收端使数据位与时钟脉冲在频率和相位上保持一致的特性位同步：最基本的同步方式就是“位同步”(bitsynchronization)或比特同步。位同步（比特同步）是指接收端时钟已经调整到和发送端时钟完全一样，因此接收端收到比特流后，就能够在每一位的中间位置进行判决（如下图所示）。位同步（比特同步）的目的是为了将发送端发送的每一个比特都正确地接收下来。这就要在正确的时刻（通常就是在每一位的中间位置）对收到的电平根据事先已约定好的规则进行判决。例如，电平若超过一定数值则为1，否则为0。要附加一条专用的传输时钟脉冲的通信线路二、异步传输异步传输：通信收发双方可采用各自的时钟源，通信双方都遵循异步通信协议特点：以一个字节作为数据传输单位，每个字符传输都以起始位开始，以停止位结束何为异步？后一个字符和前一个字符发送时间无关，字符间隔时间是任意的。优缺点：效率低，成本也低（节省大量的通信设备和通信线路），适合长距离传输异步传输方式格式传输位率与通信线长度之间的关系曲线两个数字设备保证数据的可靠性和准确性通信线长度与通信的可靠传输位率之间有一个反比的非线性对应关系图4.1在保障传输数据可靠的前提下，高的通信速率应具有较短的通信连接线影响曲线的形状有几个因素：电缆形式线路驱动器线路接收器通信线路的电气噪声幅值通信线路加长，通信线路的电容值是主要因素响应速度是制约通信速度因素单端线路驱动器与接收器所谓单端，是指在连线的两端（线路驱动器和线路接收器）以一接点方式相连图4.2计算机或数字设备最简单的连接方式就是直接连接（单端连接）RS-232C逻辑电平示意图图4.3为了传输过程中信号的衰减及外界干扰，驱动器的输出电平要高于接收器的输入电平！！RS-232C连接方式典型的RS-232信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在+5～+15V，负电平在-5～-15V电平。当无数据传输时，线上为TTL，从开始传送数据到结束，线上电平从TTL电平到RS-232电平再返回TTL电平。接收器典型的工作电平在+3～+12V与-3～-12V。特点：共模抑制能力差；再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大为约15米，最高速率为20kb/s。RS-232是为点对点（即只用一对收、发设备）通讯而设计的，其驱动器负载为3～7kΩ。所以RS-232适合本地设备之间的通信。RS-422和RS-485RS-422由RS-232发展而来，它是为弥补RS-232之不足而提出的。RS-232缺点：通信距离短、速率低。RS-422定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到10Mb/s，传输距离延长到4000英尺（速率低于100kb/s时），并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器。RS-422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范，被命名为TIA/EIA-422-A标准。为扩展应用范围，EIA又于1983年在RS-422基础上制定了RS-485标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，后命名为TIA/EIA-485-A标准。即RS-485。RS-485RS-485总线，在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485串行总线。RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS-485可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。差分线路接收器差分线路接收器会对两端输入电压的差值做出反映Vi=V1-V2，由于V1=V0+ei，V2=ei，故Vi=V0所以Vi只与V0有关，消除干扰ei的影响，效果优于单端线路接收方式平衡驱动与差分接收平衡驱动器有两个输出端，两个输出端的信号电平为互补形式这种传输线路上的电压是单端驱动器形式的两倍，能提供信噪比增加传输线的长度RS-485标准和RS-422采用此接口电路通用异步串行通信硬件接口RS-232C标准为短距离低数据速率的单端数据传输而开发的国际标准RS-232C技术条件（略）RS-232C初定义是25针引脚，现在多为9针引脚RS232C连接示意图EIA-RS-232C对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。在TxD和RxD上：逻辑1(MARK)=-3V～-15V逻辑0(SPACE)=+3～+15V在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上：信号有效（接通，ON状态，正电压）=+3V～+15V信号无效（断开，OFF状态，负电压)=-3V～-15VRS-232C和TTL的转换EIA-RS-232C是用正负电压来表示逻辑状态，与TTL以高低电平表示逻辑状态的规定不同。因此，为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接，必须在EIA-RS-232C与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。实现这种变换的方法可用分立元件，也可用集成电路芯片。目前较为广泛地使用集成电路转换器件，如MC1488、SN75150芯片可完成TTL电平到EIA电平的转换，而MC1489、SN75154可实现EIA电平到TTL电平的转换。MAX232芯片可完成TTL←→EIA双向电平转换实际上现在使用MAX485的芯片来完成电平转换TTL硬件接口电路设计使用RS-232C接口的全双工通信连接硬件握手：RS-232连线示意图4.94.10RS-485通信标准RS-485标准通信总线主要特点：1.驱动器共模输出电压为-7V~+12V，有加电断电能力2.接收器共模输入电压为-7V~+12V3.标准接收器输入阻抗12kΩ4.满足RS-485技术要求的器件具有内部保护电路，使该器件在同时接通两个发送器也不至于损坏5.RS-485允许在同一线上一般连接32个驱动器和32个接收器最多可连接255个驱动器和255个接收器6.RS-485两线半双工通信网络可实现主从或多主式通信工作RS-485网络结构及通信控制RS-485网络是以双绞线传输数据为基础，所有的通信接口线都接到同一对通信线上，实现半双工的通信控制下面是RS-485网络架构示意图通信控制图RS-485网络的电压偏置当RS-485网络的所有点都处于接听状态，网络处于一个未知状态。当接收器A与B端间的输入电压小于±200mV，则各接收器输出的逻辑电平将处于各自所收到的最后一位信号的逻辑电平值，有可能造成通信数据接收的不正确。为消除这种状况，应在数据线A与芯片电源端加上上拉电阻；在数据线B端与芯片电源加上下拉电阻偏置电阻阻值由网络节点数决定，目标就是使流过偏置电阻的电流值可维持电路A与B之间至少存在一个200mV的直流电压RS-485网络的电压偏置（续）RS-422与RS-485标准都规定了接收器门限为±200mV。这样规定能够提供比较高的噪声抑制能力。当接收器A电平比B电平高+200mV以上时，输出为正逻辑，反之，则输出为负逻辑。但由于第三态的存在，即在主机在发端发完一个信息数据后，将总线置于第三态，即总线空闲时没有任何信号驱动总线，使AB之间的电压在-200～+200mV直至趋于0V，这带来了一个问题：接收器输出状态不确定。如果接收机的输出为0V，网络中从机将把其解释为一个新的启动位，并试图读取后续字节，由于永远不会有停止位，产生一个帧错误结果，不再有设备请求总线，网络陷于瘫痪状态。除总线空闲会造成两线电压差低于200mV的情况外，开路或短路时也会出现这种情况。故应采取一定的措施避免接收器处于不确定状态。通常是在总线上加偏置，当总线空闲或开路时，利用偏置电阻将总线偏置在一个确定的状态（差分电压≥-200mV）。如图所示。将A上拉到地，B下拉到5V，电阻的典型值是1kΩ，具体数值随电缆的电容变化而变化。RS-485网络的终端匹配为什么有终端匹配电阻？当不匹配时，网络中所传输的信号不能被终端全部接收，在端口引起反射回传输线，对网络形成干扰。匹配电阻选择范围：100~120Ω是否要加终端匹配电阻？由网络电缆长度及系统的传输速率决定！规则：当传输线的延迟时间远小于线路所传输信号的1位宽度的时间时，可不加终端匹配电阻RS-485网络抗干扰与保护为什么要抗干扰？大电感、大感性负荷开关状态突变射频雷电会造成干扰，甚至损坏网络接口器件或网络内的电子元器件共模干扰和差模干扰共模干扰：以地为基准形成干扰偏差，采用光电隔离方式处理，实际将瞬态高压转移到隔离接口中的电隔离层上，由于隔离层的高绝缘电阻，不会产生损害性的浪涌电流，起到保护接口的作用共模干扰RS-485接口均采用差分方式传输信号方式，并不需要相对于某个参照点来检测信号，系统只需检测两线之间的电位差就可以了。收发器有一定的共模电压范围，如RS-422共模电压范围为-7～+7V，而RS-485收发器共模电压范围为-7～+12V，只有满足上述条件，整个网络才能正常工作。当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠，甚至损坏接口。EMI问题问题：发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路，如没有一个低阻的返回通道（信号地），就会以辐射的形式返回源端，整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。解决办法上述原因（共模干扰+EMI），RS-422、RS-485尽管采用差分平衡传输方式，但对整个RS-422或RS-485网络，必须有一条低阻的信号地。一条低阻的信号地将两个接口的工作地连接起来，使共模干扰电压VGPD被短路。这条信号地可以是额外的一条线（非屏蔽双绞线），或者是屏蔽双绞线的屏蔽层。这是最通常的接地方法。差模干扰差模干扰在两条传输线上形成差动电势，会损害接口器件，可以通过钳位传输线上的电压到一定的安全值是消除差模干扰的一个有效行径。旁路保护法：利用瞬态抑制元件将危害性的瞬态能量旁路到大地优点：成本低缺点：保护能力有限，只能保护一定能量以下的瞬态干扰，持续时间不能很长，需要有良好的连接大地的通道光电隔离保护的RS-485接口图RS-485接口芯片和微控制器的连接RS-232通信软件设计RS-485通信软件设计