第五章通信原理及接口电路设计_智能仪表原理与设计

第五章通信原理及接口电路设计华东理工大学信息学院自动化系5.1概述本章主要内容：5.2串行总线通信5.3并行通信及接口电路5.4通用串行总线接口–USB5.5蓝牙（Bluetooth）技术5.6现场总线通信标准控制系统的发展推动了智能仪表通信接口的发展。仪表之间要进行信息交换和传输，这是通过仪表的通信接口、按照一定的协议来实现的。通信接口是各台仪表之间或仪表与PC机之间进行信息交换和传输的联络装置。5.1概述异步串行通信接口并行通信接口USB接口（通用串行总线）现场总线接口以太网接口电力网络蓝牙技术：无线通信网络通信接口主要有以下类型：5.1概述5.2串行总线通信5.2.1串行总线介绍5.2.2串行通信的基本概念5.2.3串行通信接口标准5.2.4典型的串行通信接口器件5.2.5串行多机通信传统的通信接口包括并行和串行通信接口，控制系统普遍使用串行通信方法。串行通信接口标准有RS-232C、RS-422、RS-485等。5.2串行总线通信5.2.1串行总线介绍RS-232C以位串型方式传输数据，1位起始位、5~8位ASCII码数据及1~2位停止位，逻辑1的电平是-15~-5V，逻辑0的电平+5~+15V。RS-232C的接口信号有：数据信号、控制信号和信号地等，通常使用9芯扁平插头座来连接串行通信线路。5.2.1串行总线介绍工业上普遍使用RS-485串行接口标准,因采用平衡差分信号线,故其数据传送率较RS-232C高,传送距离也长。单片机有串行口UART,可以RS-232或RS-485标准传输数据。5.2.2串行通信的基本概念串行通信的特点主要适用于长距离、低速率的通信中。数据在单条1位宽的传输线上按时间先后一位一位地传送；节省传输线（优点）；数据传输率较低（缺点）。通信线路工作方式单工方式（Simplex）：单行线（onewayroad）计算机在进行数据的发送和接收时，线上的数据流动只有一个方向。半双工方式（Half-duplex）：数据的流动为双向，但同一时刻只能一个方向传输。即交替地进行双向数据传送。全双工方式（Full-duplex）：同时可以进行双向数据传输。数据流数据流半双工数据流全双工A发送器B接收器A发送器接收器B接收器发送器A发送器接收器B接收器发送器通信线路的连接方式每秒传输的二进制位数，单位为bps（bitpersecond）也称比特率。波特率―――每秒传输的“符号”（也称离散状态）的个数。【例如，每秒传送1个符号，则波特率为1波特】在计算机中，一个“符号”的含义为高、低两种电平，分别代表逻辑值“1”和“0”，所以每个符号的信息量为1比特，此时波特率与比特率刚好一致。但在其他一些场合（例如通信中采用的“相—幅”复合调制技术，一个“符号”的信息含量就不是一个比特，此时，波特率就不等于比特率。数据传输率F（时钟频率）＝波特率因子＊波特率波特率因子：数据传输率（波特率）与时钟频率之间的比例系数给定时钟频率，选择不同的波特率因子可得到不同的波特率。例如：f=19.2kHz，若选波特率因子为16，则波特率为1200bps。若选定波特率因子和波特率，则相应的确定了对时钟频率的要求。1200＊16＝19200（时钟频率）波特率因子异步通信方式（Asynchronous）串行通信接收方式同步通信方式（Synchronous）异步通信方式：也称“起止同步式”。异步通信规程:•一个字符（若干个字位）作为一个独立的信息单元；•信息单元内是同步的，但信息单元之间是异步的；•发送器和接收器可以没有共同的时钟；•目前智能仪表与微机测控系统中大多采用异步通信方式。异步传输数据格式：1/00011…15-8位数据位1/0停止位或空闲位1…1起始位奇偶校验位停止位或、22111第n个字符空闲位第n+1个字符低位高位同步通信规程:•发送器和接收器使用同一时钟源来同步•用二进制系列（同步字符）来表示开始发送有效数据•如暂无数据发送，用同步字符填充•成批发送的数据，成为数据流或数据场•两类：面向字符型（BSC）；面向比特（SDLC，HDLC）•传输速率高，适用于设备间工作速度比较接近的场合。同步通信方式同步通信信息格式同步字符（SYN1)同步字符（SYN2)数据（DATA)校验：串行通信重要环节，衡量通信系统的指标•奇偶校验（ParityCheck）•CRC校验（CyclicRedundancyCheck）差错校验信号远距离传输时，利用普通电话线进行传输。现在的电话网是模拟通信系统，它是为传输话音信息而设计的。要在电话网上传送数字信号，必须经过调制和解调调制(Modulate)：数字信号-模拟（音频）信号解调(Demodulate)：模拟信号-数字信号信号的调制与解调方法：选取音频范围某一频率的正（余）弦模拟信号作为载波，用以运载所要传送的数字信号。要用传送的数字信号改变载波信号的幅值、频率或相位，使之在信道上传送；到达信道另一端，再将数字信号从载波中取出。调制技术FSKfrequencyshiftkeying，PSKPhase-Shift-KeyingPAMPulseAmplitudeModulation收发双方的同步方式传输控制步骤差错检验方式数据编码数据传输速度通信报文格式及控制字符的定义5.2.3串行通信接口标准1969年，EIA制定的适合于DTE和DCE之间相互连接与通信的串行通信规程。最初为解决利用电话网进行通信的问题而提出。DTE－DataTerminalEquipment(Computer)：数据终端设备DCE－DataCommunicationEquipment(MODEM)：数据通信设备-DataCircuit-terminalEquipment数字电路终端设备EIARS－232C标准1.数据传送格式RS232C总线上传输的异步通信典型数据格式标志位：标识位。一个字符在开始传输前，输出线必须在逻辑上处于“1”状态。标识位起始位数据位校验位停止位标识起始位数据停止位(1/1.5/2)D0D1D2D3D4D5D6D7╳校验位(1)采用负逻辑：＋5V～＋15V——逻辑0－5V～－15V——逻辑1(2)目的：补偿传输线上的损耗抗噪声干扰“0”转换区“1”“0”转换区“1”2V噪声容限＋15V＋5V－5V－15V＋15V＋3V－3V－15V2.电气信号特性（信号电平的规定）(3)RS-232C电平与TTL电平之间的转换TTL：–+5V：1–0V：0RS-232：–-15V～-3V：1–+3V～+15V：0TTL电平→RS-232C电平：MC1488RS-232C电平→TTL电平：MC1489（a）MC1488（b）MC1489MC1488/1489是功能单一的发送/接受器，在双向数据传输中各端都要同时使用这两个器件，此外，又必须同时具备正负两组电源，因此在很多场合很不方便。现在有一些新型的RS-232C电平转换电路芯片。例如：美国MAXIM公司生产的MAXRS-232C收发器芯片系列十分丰富。MAX220,MAX222,MAX223,MAX225,MAX230,MAX231,MAX232,MAX232A,MAX233,MAX233A,MAX234,MAX235,MAX236,MAX237,MAX238,MAX239,MAX240，MAX241,MAX242,MAX243,MAX244,MAX245,MAX246,MAX247,MAX248,MAX249标准最初制定时采用25根线25个功能引脚仅定义了22个，22个信号分成两个信道组——主信道组（第一信道）和辅信道组（第二信道，较少使用）3.接口信号分类符号名称引脚说明地线机架保护地（屏蔽地）1信号地（公共地）7数据信号线TXD数据发送线2在无数据信息传输或收/发信息间隔期，RXD/TXD电平为1。辅助信道传输速率较主信道低。其余同RXD数据接收线3TXD辅助信道数据发送线14RXD辅助信道数据接收线16定时信号线DCE发送信号定时15指示被传输的每个bit信息的中心位置DCE接收信号定时17DTE发送信号定时24控制线RTS请求发送4DTE发给DCECTS允许发送5DCE发给DTEDSRDCE装置就绪6DTRDTE装置就绪20DTE发给DCEDCD接收信号（载波）检测8DTE收到满足标准的信号时置位振铃指示22由DCE收到振铃时置位信号质量检测21由DCE根据数据信息是否有错而置位/复位数据信号速率选择23指定两种传输速率中的一种RTS辅助信道请求发送19CTS辅助信道允许发送13RCD辅助信道接收检测12备用线9未定义，保留供DCE装置测试使用10111825DB-9andDB-25RS-232PinDesignationsSignalDB-9DB-25DCD18RxD23TxD32DTR420GND57DSR66RTS74CTS85RI922硬件握手使用DSR、CTS、DTR和RTS四条硬件线路。其中DTR和RTS指的是计算机上的RS-232端；而DSR和CTS则是指带有RS-232接口的智能设备。通过四条线的交互作用，计算机主控端与被控的设备端可以进行数据的交流，而在数据传输太快而无法处理时，可以通过这四条握手线的高低电位的变化来控制数据是继续发送还是暂停发送。右图描述了计算机向设备传输数据时的硬件流量控制。PCMCIA56KINSERTTHISEND计算机设备RS-232DSR下降DSR升高设备缓冲区快满计算机暂停发送数据设备持续处理数据设备缓冲区已降计算机再向设备发送数据CTS下降CTS升高直接连接的最长距离为15米（50英尺）超过15米需连MODEM最高传输速率为20Kbps12513141596DB－9连接器DB－25连接器4.机械接口特性(1)全双向标准电缆(2)三线经济方式(3)零调制解调器（NullModem）采用交叉(2-3,20-6)反馈(4-5)方式进行连接5.通信系统结构全双向标准电缆连接计算机与Modem相连本地Modem远程Modem计算机终端123456782022机壳地发送数据接收数据请求发送允许发送Modem就绪信号地载波检测终端就绪呼叫指示载波检测呼叫指示电话线三线方式信号连接简单的应用场合，如双机通信等三线方式信号连接Nullmodem方式信号连接零调制解调器（NullModem）采用交叉(2-3,20-6)反馈(4-5)方式进行连接(1)EIARS-422A，采用“平衡接口电路”，输入差分电压，平衡驱动（全双工）传输率——10Mbps传输距离——10m(10Mbps)～1000m（100kbps）(2)EIARS-423A，采用“非平衡接口电路”传输率——300kbps传输距离——10m（300kbps）～1000m（3kbps）RS-422A，RS-423A和RS-485采用平衡式发送，差分式接收的数据收发器来驱动总线速度（最大10MB/S）,传送距离（90KB/S下可传1200米）以差分平衡方式传输信号具有很强的抗共模干扰的能力降低传输线成本允许一对双绞线上一个发送器驱动多个负载设备当前自动控制系统中常用的网络，如现场总线CAN、Profibus、INTERBUS-S以及ARCNet的物理层都是基于RS-485的总线进行总结和研究(3)EIARS-485A，采用“平衡接口电路”RS-232C，RS-422和RS-485比较RS232C:2条数据线、单端输入、全双工方式RS422:4条数据线、差动输入、全双工方式RS485:2条数据线、差动输入、半双工方式串行通信是靠发送器、接收器、控制器和线缆等部分来实现的。在程序控制下它主要完成以下任务：数据的串——并及并——串转换。线路和MODEM的控制及状态检测。信号电平TTL与EIA电平的转换。发送和接收数据。5.2.4典型的串行通信接口器件(1)芯片类型标准LSI芯片按功能分为:USART－通用同步异步接收器/发送器UniversalSynchronousAsyn