2022年通信工程专业综述 .pdf

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1、通信工程专业综述引言通信工程（也作电信工程，旧称远距离通信工程，弱电工程）是电子工程的一个重要分支， 同时也是其中一个基础学科， 通信工程关注的是通信过程中的信息传输和信号处理的原理和应用。 通信方式从大的方面说可以分为并口通信和串口通信。从计算机问世开始， 串口通信技术就开始发展。 采用计算机进行控制的各种设备通常都使用串口通信技术与计算机通信。随着现代信息技术的飞速发展和计算机网络的普遍， 实现计算机通信的方式越来越多。考虑到现有网络和设备的状况，新技术的使用目前只能在部分领域和地区使用。而占主导地位的串行通信技术因其连接简单、使用灵活方便、数据传递可靠，造价低廉等优点，在工业监控、数据采

2、集、智能控制和实时控制系统中得到普遍应用1 。接下来将对串行通信做简要介绍，包括串行通信的方式、接口标准和通信协议。1 串行通信简介串行通信是指通信的发送端和接收端之间数据信息的传输是在单根数据线上，以每次一个二进制的0、1 为最小单位逐位进行传输，如图1 所示。图 1 串行通信串行数据传输 2 的特点是：数据传输按位顺序进行，仅需一根传输线即可完成节省传输线。与并行通信相比，串行通信还有较为明显的优点：传输距离长，可以从几米到几千米； 串行通信的通信时钟频率容易提高；串行通信的抗干扰能力十分强，其信号间的相互干扰完全可以忽略。但是串行通信的传输速度比并行通信慢得多。正是串行通信的连线少、 成

3、本低，因此它在数据采集和控制系统中得到了广泛的应用，产品也是多种多样。1.1 串行通信的工作模式通过单线传输信息是串行数据通信的基础。数据通常是在两个站 (点对点 ) 之间进行传输，按照数据流的方向可分为三种传输模式3 ：单工、半双工、全双工。1.1.1 单工通信单工模式的数据传输是单向的。通信双方中， 一方固定为发送端， 另一方则固定为接收端。信息只能沿一个方向传输，使用一根传输线。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 7 页 - - - - - - - -

4、- 单工模式一般用在只向一个方向传输数据的场合。例如计算机与打印机之间的通信是单工模式， 因为只有计算机向打印机传输数据，而没有相反方向的数据传输。还有在某些通信信道中，如单工无线发送等。1.1.2 半双工通信半双工使用同一根传输线， 既可发生数据又可接收数据， 但不能同时进行发送和接收。在任何时刻只能由其中的一方发送数据，另一方接收数据。 因此半双工模式既可以使用一条数据线，也可以使用两条数据线。半双工通信中每一端需有一个收发切换电子开关，通过切换来决定数据向哪个方向传输。因为有切换，所以会产生时间延迟，信息传输效率低些。1.1.3 全双工通信全双工数据通信分别由两根可以在两个不同的站点同时

5、发送和接收的传输线进行传输，通信双方都能在同一时刻进行发送和接收操作。在全双工模式中， 每一端都有发送器和接收器， 有两条传输线， 可在交互式应用和远程监控系统中使用，信息传输效率较高。1.2 串口通信的方式串口进行通信的方式有两种： 同步通信方式和异步通信方式。 同步通信方式要求通信双方以相同的时钟频率进行，而且准确协调， 通过共享一个单个时钟或定时脉冲源保证发送方和接收方的准确同步，效率较高；异步通信方式不要求双方同步，收发方可采用各自的时钟源，双方遵循异步的通信协议， 以字符为数据传输单位，发送方传送字符的时间间隔不确定，发送效率比同步传送效率低。1.2.1 同步通信方式同步通信的通信双

6、方必须先建立同步，即双方的时钟要调整到同一个频率。收发双方不停地发送和接收连续的同步比特流。但这时还有两种不同的同步方式。一种是使用全网同步， 用一个非常精确的主时钟对全网所有结点上的时钟进行同步。另一种是使用准同步， 各结点的时钟之间允许有微小的误差，然后采用其他措施实现同步传输。同步通信的好处是传输效率高，传输线布置简单、经济，但同步设备复杂，要获得精准的同步时钟较困难。1.2.2 异步通信方式异步通信是一种很常用的通信方式。异步通信在发送字符时， 所发送的字符之间的时间间隔可以是任意的。当然，接收端必须时刻做好接收的准备(如果接收端主机的电源都没有加上， 那么发送端发送字符就没有意义，因

7、为接收端根本无法接收 ) 。发送端可以在任意时刻开始发送字符，因此必须在每一个字符的开始和结束的地方加上标志， 即加上开始位和停止位， 以便使接收端能够正确地将每名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 7 页 - - - - - - - - - 一个字符接收下来。 异步通信的好处是通信设备简单、 便宜，但传输效率较低 (因为开始位和停止位的开销所占比例较大)。1.3 串口通信的重要参数串口的通信方式是将字节拆分成一个接着一个的位后再进行传输。接到此电位信号的一方将

8、此一个一个的位组合成原来的字节，如此形成一个字节的完整传输。在传输进行的过程中， 双方明确传输信息的具体方式，否则双方就会没有一套共同的译码方式， 从而无法了解对方所传输过来的信息的意义。因此双方为了进行通信，必须遵守一定的通信规则这个共同的规则就是串口的初始化。串口的初始化必须对以下几项参数进行设置。1.3.1 波特率这是一个衡量通信速度的参数。它表示每秒钟传送的bit的个数。例如300波特表示每秒钟发送300 个 bit 。当我们提到时钟周期时，我们就是指波特率例如果协议需要 4800 波特率，那么时钟是4800Hz 。这意味着串口通信在数据线上的采样率为 4800Hz 。通常电话线的波特

9、率为14400，28800和 36600。波特率可以远远大于这些值，但是波特率和距离成反比1.3.2 数据位这是衡量通信中实际数据位的参数。当计算机发送一个信息包， 实际的数据不会是 8 位的，标准的值是 5、7 和 8 位。如何设置取决于你想传送的信息。比如，标准的 ASCII 码是 0127(7 位) 。扩展的 ASCII 码是 0255(8 位) 。如果数据使用简单的文本 ( 标准 ASCII 码) ，那么每个数据包使用7 位数据。每个包是指一个字节，包括开始 / 停止位，数据位和奇偶校验位。由于实际数据位取决于通信协议的选取，术语“包”指任何通信的情况。1.3.3 停止位用于表示单个包

10、的最后一位。典型的值为1，1.5 和 2 位。由于数据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。 适用于停止位的位数越多， 不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率同时也越慢。1.3.4 校验位在串口通信中一种简单的检错方式。有四种检错方式：偶、奇、高和低。当然没有校验位也是可以的。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

11、果是奇校验，校验位位1，这样就有 3 个逻辑高位。高位和低位不真正的检查数据，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 7 页 - - - - - - - - - 简单置位逻辑高或者逻辑低校验。这样使得接收设备能够知道一个位的状态，有机会判断是否有噪声干扰了通信或者是否传输和接收数据是否不同步。2 串行接口标准简介在进行串行通信的线路连接时， 通常要解决两个问题。 一是计算机与外设之间要共同遵守的某种约定，这种约定称为物理接口标准，它包括电缆的机械特性、电气特性、信

12、号功能及传输过程的定义。EIA RS-232、RS-422及 RS-485标准所包含的接口电缆及连接器均属此类。 二是按接口标准设置计算机与外设之间进行串行通信的接口电路。下面介绍常见的几种接口标准。2.1 EIA RS-232c标准目前 RS-2323 是 PC 机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。它是个人计 算 机 上 的 通 讯 接 口 之 一 ， 由 电 子 工 业 协 会 (Electronic Industries Association，EIA) 所制定的异步传输标准接口。 通常 RS-232 接口以 9 个接脚(DB-9) 或是 25 个接脚 (DB-25) 的型态出现在一

13、般个人计算机上一般会有两组 RS-232 接口，分别称为 COM1 和 COM2 。RS-232-C是美国电子工业协会EIA(Electronic Industry Association)制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写，232 为标识号， C表示修改次数。 RS-232-C总线标准设有 25 条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道。在多数情况下主要使用主通道， 对于一般双工通信， 仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。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

14、、19200波特。RS-232-C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用 150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15m ；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送， 存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于 20m以内的通信。串行通信接口标准经过使用和发展，目前已经有几种。但都是在RS-232标准的基础上经过改进而形成的。所以，以RS-232C为主来讨论。 RS-323C标准是美国EIA( 电子工业联合会 ) 与 BELL等公司一起开发的1969 年公布的通信协议。 它适合于数据传输速率在

15、020000b/s 范围内的通信。这个标准对串行通信接口的有关问题，如信号线功能、 电器特性都作了明确规定。 由于通行设备厂商都生产与RS-232C制式兼容的通信设备，因此，它作为一种标准，目前已在微机通信接口中广泛采用。在讨论 RS-232C接口标准的内容之前，先说明两点：首先， RS-232-C 标准最初是远程通信连接数据终端设备DTE(Data Terminal Equipment) 与数据通信设备 DCE(Data Communication Equipment) 而制定的。因此这个标准的制定， 并未考虑计算机系统的应用要求。但目前它又广泛地被借来名师资料总结 - - -精品资料欢迎下

16、载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 7 页 - - - - - - - - - 用于计算机 ( 更准确的说，是计算机接口 ) 与终端或外设之间的近端连接标准。显然，这个标准的有些规定即和计算机系统是不一致的，甚至是相矛盾的。 有了对这种背景的了解，我们对RS-232C标准与计算机不兼容的地方就不难理解了其次， RS-232C标准中所提到的“发送”和“接收”，都是站在DTE立场上，而不是站在 DCE的立场来定义的。 由于在计算机系统中， 往往是 CPU 和 I/O 设备之间传送信息，两者都是DTE

17、，因此双方都能发送和接收。2.2 RS-422 标准RS-422 由 RS-232 发展而来，它是为弥补 RS-232 之不足而提出的。为改进RS-232通信距离短、速率低的缺点，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。2.3 RS-485 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

18、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。3 串行通信的通信协议所谓通信协议 4,5 是指通信双方的一种约定。约定包括对数据格式、同步方式、传送速度、传送步骤、检纠错方式以及控制字符定义等问题做出统一规定，通信双方必须共同遵守。因此，也叫做通信控制规程，或称传输控制规程，它属于 ISOS OSI 七层参考模型中的数据链路层6 。串行通信协议分为同步协议和异步协议。下面着重讨论面向字符的同步协议。3.1 异步通信协议的实例起止式异步

19、协议起止式异步协议的特点是一个字符一个字符地传输，并且传送一个字符总是以起始位开始， 以停止位结束， 字符之间没有固定的时间间隔要求。每一个字符的前面都有一位起始位 ( 低电平，逻辑值0) ，字符本身有57 位数据位组成，接着字符后面是一位校验位(也可以没有校验位 ) ，最后是一位， 或意味半， 或二位停止位，停止位后面是不定长度的空闲位。停止位和空闲位都规定为高电平(逻辑值) ，这样就保证起始位开始处一定有一个下跳沿。异步通信是按字符传输的， 每传输一个字符， 就用起始位来通知收方， 以此来重新核对收发双方同步。 若接收设备和发送设备两者的时钟频率略有偏差，这也不会因偏差的累积而导致错位，

20、加之字符之间的空闲位也为这种偏差提供一种缓冲，所以异步串行通信的可靠性高。 但由于要在每个字符的前后加上起始位和停止位这样一些附加位，使得传输效率变低了，只有约80% 。因此，起止协议一般名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 7 页 - - - - - - - - - 用在数据速率较慢的场合(小于 19.2kbit/s)。在高速传送时，一般要采用同步协议。3.2 面向比特的同步协议特点与格式：面向比特的协议中最具有代表性的是IBM的同步数据链路控制规程 SDLC

21、(Synchronous Data Link Control),国际标准化组织 ISO (International Standard organization)的高级数据链路控制规程HDLC (High Level Data link Control),美国国家标准协会 (American National Standard Institute)的先进数据通信规程ADCCP(Advanced Data Communication Control Procedure)。这些协议的特点是所传输的一帧数据可以是任意位，而且它是靠约定的位组合模式，而不是靠特定字符来标志帧的开始和结束，故称“面向比特

22、”的协议。3.3 面向字符的同步协议特点与格式：这种协议的典型代表是IBM公司的二进制同步通信协议(BSC)。它的特点是一次传送由若干个字符组成的数据块，而不是只传送一个字符， 并规定了 10 个字符作为这个数据块的开头与结束标志以及整个传输过程的控制信息，它们也叫做通信控制字。 由于被传送的数据块是由字符组成，故被称作面向字符的协议。特定字符 ( 控制字符 )的定义：由上面的格式可以看出， 数据块的前后都加了几个特定字符。 SYN 是同步字 (synchronous Character)，每一帧开始处都有SYN ，加一个 SYN的称单同步，加两个SYN的称双同步，设置同步字符是起联络作用,传

23、送数据时 , 接收端不断检测 , 一旦出现同步字符 , 就知道是一帧开始了。接着的SOH是序始字符 (Start Of Header)，它表示标题的开始。标题中包括院地址、目的地址和路由指示等信息。STX 是文始字符 (Start Of Text)，它标志着传送的正文 ( 数据块 ) 开始。数据块就是被传送的正文内容，由多个字符组成。 数据块后面是组终字符 ETB(End Of Transmission Block) 或文终字符 ETX(End Of Text) ，其中 ETB用在正文很长、需要分成若干个分数据块、 分别在不同帧中发送的场合，这时在每个分数据块后面用文终字符ETX 。一帧的最后

24、是校验码，它对从SOH 开始到 ETX(或 ETB)字段进行校验，校验方式可以是纵横奇偶校验或CRC 。另外，在面向字符协议中还采用了一些其他通信控制字，分别是ACK( 确认 )，NAK( 否认)，DLE(转义) ，EOT( 送毕) 。数据透明的实现： 面向字符的同步协议， 不像异步起止协议那样， 需要在每个字符前后附加起始和停止位，因此，传输效率提高了。同时，由于采用了一些传输控制字，故增强了通信控制能力和校验功能。但也存在一些问题，例如，如何区别数据字符代码和特定字符代码的问题，因为在数据块中完全有可能出现与特定字符代码相同的数据字符，这就会发生误解。比如正文有个与文终字符ETX的代码相同

25、的数据字符， 接收端就不会把它当作为普通数据处理，而误认为是正文结束，因而产生差错。 因此，协议应具有将特定字符作为普通数据处理的能力，这种能力叫做“数据透明”。为此，协议中设置了转移字符DLE(Data Link 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 7 页 - - - - - - - - - Escape)。当把一个特定字符看成数据时，在它前面要加一个DLE ，这样接收器收到一个 DLE就可预知下一个字符是数据字符， 而不会把它当作控制字符来处理了。DLE本

26、身也是特定字符，当它出现在数据块中时，也要在它前面加上另一个DLE 。这种方法叫字符填充。 字符填充实现起来相当麻烦，且依赖于字符的编码。结语串行通信自身的优点和现有网络与设备的普遍应用使得在几十年内串行通信得以保留。 串行通信技术已经相当成熟，然而串行通信协议仍没有统一。研究出新的通信协议， 对于串行通信技术的应用和提高都具有重大的意义。研究出高效低价的串行通信协议是研究者们孜孜以求的目标。参考文献1 姚予疆 . 通信设备接口协议手册M. 2005. 2 赵炯等 . 串行数据传输协议的剖析研究. 计算机工程 .2004 ，5. 3 周韧研，商斌. 串口通信开发入门与编程实践M. 电子工业出版社,2009,4 4 马玉春 . 串行通信协议的研究及应用J-计算机应用研究，2004. 5 孙光 . 高效率串行通信协议的设计J.仪表技术， 2002. 6 张雷等 . 串行通信协议的研究与实现D. 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 7 页 - - - - - - - - -