第2章串行接口

计算机接口与通信主讲：杨柳松TEL:1394601113022.1RS232C2.2RS4222.3RS4852.4UART2串行接口原理PC与工业设备的通讯连接哪些工业设备用到了通讯接口？•工厂的大部分自动化设备均配备有通讯接口，便于联机进行诊断调试等。一般带有NC,PLC,FC等的设备会带有通用的通讯接口。•数控机床的通讯端口除了用于传输加工程序之外，还用于同NC,PLC与PC之间的通讯。图示为西门子数控系统的串行通讯端口。哪些工业设备用到了通讯接口？•三菱FX系列的PLC普遍采用RS422端口同编程器或PC连接通讯哪些工业设备用到了通讯接口？•欧姆龙PLC可以根据客户要求选定不同类型的通讯端口，图示为RS232端口。哪些工业设备用到了通讯接口？•西门子S7PLC的通讯端口以RS485为主，当然，代理商也可以为客户提供其它类型的接口模块，不过，价格不菲。图示为西门子的RS485通讯端口。哪些工业设备用到了通讯接口？•该设备为一个变频器，可以直接通过串行通讯口同其它控制设备进行通讯。哪些工业设备用到了通讯接口？•个人PC一般不会带有支持RS485或422通讯方式的通讯端口，但台式机一般还保留有9针串行端口，而目前的笔记本电脑几乎都取消了9针串行通讯端口，而改成了USB接口。25针的异步串行通讯端口目前一般只能在一些早期的数控设备上见到。PS2口并行端口MPIRS485端口串行端口串行端口VGA输出端口2.1RS232C•1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。•全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准”。•该标准规定采用一个25个脚的DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。随着设备的不断改进，出现了代替DB25的DB9接口，现在都把RS232接口叫做DB9。9针串口25针串口9针串口针脚定义PinNo.DesignationDescriptionInput/Output1DCDDatacarrierdetectInput2RxDReceivedataInput3TxDTransmitdataOutput4DTRDataterminalreadyOutput5GNDGround–6DSRDatasetreadyInput7RTSRequesttosendOutput8CTSCleartosendInput9RIIncomingcallInputRS232的握手方式•在进行数据通讯的设备之间，需要有一个统一的传输协议以协调数据传输的规律，使得数据传输井然有序。通讯双方以某种协议方式来告诉对方何时开始传送数据，或根据对方的信号来进入数据接收状态以控制数据流的启停。RS232可以用硬件握手或软件握手方式来进行通讯。RS232的硬件握手方式2RxDReceivedataInput数据接收端3TxDTransmitdataOutput数据发送端4DTRDataterminalreadyOutput数据接收端准备完毕6DSRDatasetreadyInput接收来自数据接收端是否准备完毕的信号7RTSRequesttosendOutput请求发送数据8CTSCleartosendInput接收是否发送数据的请求信号RxDTxDDSRDTRRTSCTSCTSRTSDTRDSRTxDRxDRS232软件握手的形式•在软件握手方面，端口不再需要硬件流控制的几条控制线，数据流的启停通过数据ASCII代码表示：字符19（停止传送）和字符17（继续传送）。这种只需三线（地，发送，接收）的通讯协议方式应用较为广泛。RxDTxDDSRDTRRTSCTSCTSRTSDSRDTRRxDTxDTRGND共模传输RS232三线通讯示例（软握）•图示电缆为一RS232通讯电缆，大家可以发现电缆的一头为9孔母头，而公头一端仅仅有三极，这就是采用了软握方式的通讯电缆。9Pin~9Pin的端口跳线软握方式的跳线图兼容软/硬握方式的跳线图RS232C的电气特性最远距离是50英尺=15m双向传输，全双工通讯，最高传输速率20kbps传送的数字量采用负逻辑，且与地对称逻辑1：-3～-15V逻辑0：+3～+15V所以与单片机连接时常常需要加入电平转换芯片。•该芯片可以承受±15kVESD（静电）冲击采用普通电话交换线采用专用电话线通信串口通信参数•波特率：RS-232-C标准规定的数据传输速率为每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。•数据位：标准的值是5、7和8位。•奇偶校验位：在串口通信中一种简单的检错方式。对于偶和奇校验的情况，串口会设置校验位（数据位后面的一位），用一个值确保传输的数据有偶个或者奇个逻辑高位。例如，如果数据是011，那么对于偶校验，校验位为0，保证逻辑高的位数是偶数个。如果是奇校验，校验位为1，这样就有3个逻辑高位。•停止位：用于表示单个包的最后一位，典型的值为1，1.5和2位。•由于数是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会。串口通信参数EIA规定之RS232电气参数•该表规定了标准RS232端口的一些极限电气参数。•在某些非标准场合，RS232或RS422/485不遵循标准电压参数。串口通信的传输格式•线路空闲时，线路的TTL电平总是高，经反向RS232的电平总是低。一个数据的开始RS232线路为高电平，结束时Rs232为低电平。数据总是从低位向高位一位一位的传输。示波器读数时，左边是数据的高位。•例如，对于16进制数据55aaH，当采用8位数据位、1位停止位传输时，它的帧结构如下：55H=01010101B，取反后10101010B，加入一个起始位1，一个停止位0，55H的数据格式为0101010101,aaH=10101010B，取反后01010101B，加入一个起始位1，一个停止位0，aaH的数据格式为0010101011。串行端口的通讯参数设定通讯设备双方的传输速率必须一致欧美设备一般为8位，日本产品几乎都为7位数据校验方式（数据纠错方式），设备双方设定须一致每字节间的区分符的位数，通常为1位或2位选择设备通讯的握手方式RS232接口的缺点•（1）接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。•（2）传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps；•（3）接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。•（4）传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺，实际上也只能用在15米左右。我的笔记本计算机没有支持RS232的通讯端口怎么办？•目前大多数新产的笔记本电脑，为了节省空间，打造所谓的“超轻超薄”，便取消了RS232的端口，但一般会配有通用串行通讯端口(USB)。需要的同学可以上电脑城买一条USB-RS232的转接电缆，安装完驱动后即可正常使用。我的计算机没有RS422/485的端口怎么办？•个人计算机一般都不会配备有RS422/485端口的，如果资金并不短缺的话，建议直接买一块转接头来使用就行了。•注意：目前还很少有USB转RS422/485的转接块，但通常都有RS232/RS422/RS485互相转换的转接块，所以有些时候电缆要转接两次：USB-RS232-RS422/485。利用转接头：USB-RS232-RS422/485转接示例RS232转RS422接头USB转RS232接头2.2RS422•由于工业现场的环境较为恶劣，比如各种射频干扰均比其他场合来得大，为了保证工业现场较长传输距离的情况下数据的正确性，一般工业现场设备会采用RS422/485进行通讯。•全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”；•接收器采用高输入阻抗和发送驱动器具有比RS232更强的驱动能力，故允许在相同传输线上连接多个接收节点，最多可接10个节点。•RS-422四线接口由于采用单独的发送和接收通道,因此不必控制数据方向,各装置之间任何必须的信号交换均可以按软件方式（XON/XOFF握手）或硬件方式（一对单独的双绞线）实现。RS422/485的发送电路原理•从图中可以看出，RS422/485的发送方式是先将信号分解成A/B两个相反的信号再发送出去，RS422的信号电平为±2~7V,RS485的信号电平扩展为+12~-7V.通常RS485要求有控制端引线，而RS422的控制引线是可选的。•信号分解：Y=A+-B-数据源信号分解为相互倒相180度A与BRS422/485的接收电路原理•RS422/485的接收电路将A/B端的信号进行合成，将信号还原为初始信号。在考虑到干扰量的前提下，信号合成公式如下：•(A++Noise)-(B-+Noise)=A+-B-=Y,此时，大家可以看出RS422/485对干扰信号的抑制原理了。RS422电气特性•最大传输距离为4000英尺（约1219米）•最大传输速率为10Mb/s。•其平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能达到最大传输距离。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。•一般100米长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为1Mb/s。•通常情况下，发送驱动器A、B之间的正电平在+2～+6V，是一个逻辑状态，负电平在-2～6V，是另一个逻辑状态。•当在收端AB之间有大于+200mV的电平时，输出正逻辑电平，小于-200mV时，输出负逻辑电平。接收器接收平衡线上的电平范围通常在200mV至6V之间。RS422电气特性RS422信号引脚定义•通常我们将A/B(Y/Z)端又标注为RD-与RD+或TD-与TD+.RS422端口定义•RS422一般不带使能控制线，上图为典型四线全双工通讯原理。三菱RS422接口标示•1RxD-•2RxD+•3+Vcc•4TxD+•5GND•6+Vcc•7TxD-•8GND87635124EIA规定RS422电气参数•大家可以发现RS422的信号电平小于RS232的信号电平，所以这两种端口不可直接连接，否则可能引起端口芯片损坏。2.3RS485•RS232无法实现联网，而RS422的驱动能力有限，因此推出方便联网的RS485；•其基本特征与RS422接近；•DB9。RS-485的电气特性•逻辑“1”以两线间的电压差为+（2—6）V表示；•逻辑“0”以两线间的电压差为-（2—6）V表示。•接口信号电平比RS-232-C低，不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。RS485的电缆连接要求•低速、短距离、无干扰的场合：普通双绞线；•高速、长线传输：采用阻抗匹配（一般为120Ω）的RS485专用电缆（STP-120Ω（forRS485&CAN）onepair18AWG）；•干扰恶劣的环境：采用铠装型双绞屏蔽电缆（ASTP-120Ω（forRS485&CAN）onepair18AWG）。RS485性能参数•最高数据传输速率为10Mbps。•RS-485最大的通信距离约为1219M；•100Kb/S的传输速率下，才可以达到最大的通信距离，如果需传输更长的距离，需要加485中继器。•一般最大支持32个节点，如果使用特制的485芯片，可以达到128个或者256个节点，最大的可以支持到400个节点。Max485芯片RS422/485的接口ICMAX488需采用双绞传输线EIA规定RS485电气参数常用串行口基本参数比较UART•UART：UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter，通用异步接收/发送装置，UART是一个并行输入成为串行输出的芯片，通常集成在主板上，多数是16550AFN芯片。•一种通用串行数据总线，用于异步通信。该总线双向通信