常用串口通讯技术.ppt

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1、2/16/2023现场总线技术常用串口通信技术仲崇权大连理工大学电子与信息工程学院2/16/2023现场总线技术串口通信标准串行通信需完成的基本任务RS-232C标准RS-422/RS-485RS-422与RS-485串行接口标准RS-422与RS-485的网络安装注意要点RS-422与RS-485传输线上匹配的一些说明RS-422与RS-485的接地问题RS-422与RS-485的网络失效保护RS-422与RS-485的瞬态保护用RS485构成总线型多点数据采集系统2/16/2023现场总线技术串口通讯协议所谓通信协议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、

2、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ISO/OSI七层参考模型中的数据链路层。2/16/2023现场总线技术串口通讯协议通常采用的通信协议有两类：异步协议同步协议同步协议又有面向字符面向比特面向字节计数其中，面向字节计数的同步协议主要用于DEC公司的网络体系结构中。2/16/2023现场总线技术同步通信协议同步通信协议 采用同步通信时，将许多字符组成一个信息组，这样，字符可以一个接一个地传输，但是，在每组信息（通常称为帧）的开始处要加上同步字符，在没有信息要传输时，要填上空字符，因为同步传输不允许有间隙。在同步传

3、输过程中，一个字符可以对应58位。2/16/2023现场总线技术同步通信协议同步通信协议 同步传输时，一个信息帧中包含许多字符，每个信息帧用同步字符作为开始，一般同步字符和空字符共用同一个代码。在整个系统中，由一个统一的时钟控制发送端发送代码。接收端检测到有一串数位和同步字符相匹配时，就认为开始一个信息帧，于是，把此后的数位作为实际传输信息来处理。2/16/2023现场总线技术RS232/RS422/RS485通讯技术RS-232、RS-422与RS-485都是串行数据接口标准，最初都是由电子工业协会（EIA）制订并发布的，RS-232在1962年发布，命名为EIA-232-E，作为工业标准，

4、以保证不同厂家产品之间的兼容。为弥补RS-232通信距离短、速率低等不足，EIA又提出了RS-422。2/16/2023现场总线技术RS232/RS422/RS485通讯技术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。它是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范。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。2/16

5、/2023现场总线技术RS232/RS422/RS485通讯技术RS-232、RS-422与RS-485标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。2/16/2023现场总线技术串行通讯的基本任务实现数据格式化实现数据格式化进行串并转换控制数据传输速率进行错误检测进行TTL与EIA电平转换提供接口标准所要求的信号线2/16/2023现场总线技术实现数据格式化实现数据格式化实现数据格式化：因为来自CPU的是普通的并行数据，所以接口电路应具有实现不同串行通信方式下的数据格式化的任务。在异步通信方式下，接口自动生成起止式的帧数据格式。在面向字

6、符的同步方式下，接口要在待传送的数据块前加上同步字符。2/16/2023现场总线技术 串行通讯的基本任务进行串并转换：串行传送，数据是一位一位串行传送的，而计算机处理数据是并行数据。所以当数据由计算机送至数据发送器时，首先把串行数据转换为并行数才能送入计算机处理。因此串并转换是串行接口电路的重要任务。2/16/2023现场总线技术 串行通讯的基本任务控制数据传输速率：串行通信接口电路应具有对数据传输速率波特率进行选择和控制的能力。2/16/2023现场总线技术 串行通讯的基本任务进行错误检测：在发送时接口电路对传送的字符数据自动生成奇偶校验位或其他校验码。在接收时，接口电路检查字符的奇偶校验或

7、其他校验码，确定是否发生传送错误。2/16/2023现场总线技术 串行通讯的基本任务进行TTL与EIA电平转换：CPU和终端均采用TTL电平及正逻辑，它们与EIA采用的电平及负逻辑不兼容，需在接口电路中进行转换。2/16/2023现场总线技术 串行通讯的基本任务提供接口标准所要求的信号线：远距离通信采用MODEM时，需要9根信号线；近距离零MODEM方式，只需要3根信号线。这些信号线由接口电路提供，以便与MODEM或终端进行联络与控制。2/16/2023现场总线技术RS-232串行接口标准串行接口标准 RS-232被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准采取不平衡传输方式，即所谓单

8、端通讯典型的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2/16/2023现场总线技术RS-232串行接口标准串行接口标准 接收器典型的工作电平在+3+12V与-3-12V。由于发送电平与接收电平的差仅为2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，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/sRS-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37k。所以RS-232适合本地设备之

9、间的通信2/16/2023现场总线技术RS232/RS485/RS422的电气参数表的电气参数表 规定RS232RS422R485工作方式单端差分差分节点数1收、1发1发10收1发32收最大传输电缆长度50英尺400英尺400英尺最大传输速率20Kb/S10Mb/s10Mb/s最大驱动输出电压+/-25V-0.25V+6V-7V+12V驱动器输出信号电平(负载最小值)负载+/-5V+/-15V+/-2.0V+/-1.5V驱动器输出信号电平(空载最大值)空载+/-25V+/-6V+/-6V驱动器负载阻抗()3K7K10054摆率(最大值)30V/sN/AN/A接收器输入电压范围+/-15V-10

10、V+10V-7V+12V接收器输入门限+/-3V+/-200mV+/-200mV接收器输入电阻()3K7K4K(最小)12K驱动器共模电压-3V+3V-1V+3V接收器共模电压-7V+7V-7V+12V2/16/2023现场总线技术RS-422与与RS-485串行接口标准串行接口标准 平衡传输 RS-422、RS-485与RS-232不一样，数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为B，如图 GND ENABLE 使能端对RS485是必须的对RS422可选ABC+6V+2V-2V-6V2/16/2023现场总线技术平衡传输平衡传输发送端发送端正

11、电平在+2+6V，是一个逻辑状态负电平在-2-6V，是另一个逻辑状态另有一个信号地C，在RS-485中还有一“使能”端，而在RS-422中这个“使能”端是可用可不用的“使能”端是用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。当“使能”端起作用时，发送驱动器处于高阻状态，称作“第三态”，即它是有别于逻辑“1”与“0”的第三态。2/16/2023现场总线技术平衡传输平衡传输接收器接收器接收端也作与发送端相对的规定收、发端通过平衡双绞线将A-A、B-B对应相连，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

12、之间。2/16/2023现场总线技术RS-422电气规定电气规定 RS-422标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器比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个节点即一个主设备（Master），其余为从设备（Salve），从设备之间不能通信，所以RS-422支持点对多的双向通信。接收器输入阻抗为4k，故发端最大负载能力是104k+100（终接电阻）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

13、现。2/16/2023现场总线技术RS-422电气规定电气规定RS422的四线接口 RS422的DB9引脚定义 2/16/2023现场总线技术RS-422电气规定电气规定RS-422的最大传输距离为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/sRS-422需要一终接电阻，要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。在矩距离传输时（一般在300米以下）可不需终接电阻。终接电阻接在传输电缆的最远端。2/16/2

14、023现场总线技术RS-485电气规定电气规定 由于RS-485是从RS-422基础上发展而来的，所以RS-485许多电气规定与RS-422相仿。如都采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终接电阻等。RS-485可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信。而采用四线连接时，与RS-422一样只能实现点对多的通信，即只能有一个主（Master）设备，其余为从设备但它比RS-422有改进，无论四线还是二线连接方式总线上可多接到32个设备。2/16/2023现场总线技术图图RS485的二线制接线RS485的四线制接线方式2/16/2023现场总线技术RS-485电气规定电气规定 RS-48

15、5与RS-422的不同还在于其共模输出电压是不同的RS-485是-7V至+12V之间，而RS-422在-7V至+7V之间RS-485接收器最小输入阻抗为12k，RS-422是4kRS-485满足所有RS-422的规范所以RS-485的驱动器可以用在RS-422网络中应用。2/16/2023现场总线技术RS-485电气规定电气规定 RS-485与RS-422一样，其最大传输距离约为1219米，最大传输速率为10Mb/s。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长双绞线最大传输速率仅为1Mb/s。

16、RS-485需要2个终接电阻，其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗。在矩距离传输时可不接。2/16/2023现场总线技术RS-422与与RS-485的网络安装注意要点的网络安装注意要点 RS-422可支持10个节点，RS-485支持32个节点，因此多节点构成网络。网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，不支持环形或星形网络。在构建网络时，应注意如下几点：2/16/2023现场总线技术RS-422与与RS-485的网络安装注的网络安装注意要点意要点 采用一条双绞线电缆作总线，将各个节点串接起来从总线到每个节点的引出线长度应尽量短，以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。a，b，c这三种网络连接尽

17、管不正确，在短距离、低速率仍可能正常工作但随着通信距离的延长或通信速率的提高，其不良影响会越来越严重主要原因是信号在各支路末端反射后与原信号叠加，会造成信号质量下降。2/16/2023现场总线技术RS-422与与RS-485的网络安装注意要点的网络安装注意要点应注意总线特性阻抗的连续性，在阻抗不连续点就会发生信号的反射下列几种情况易产生这种不连续性：总线的不同区段采用了不同电缆或某一段总线上有过多收发器紧靠在一起安装再者是过长的分支线引出到总线总之，应该提供一条单一、连续的信号通道作为总线。2/16/2023现场总线技术RS-422与与RS-485传输线上匹配的一些说明传输线上匹配的一些说明

18、对RS-422与RS-485总线网络一般要使用终接电阻进行匹配但在短距离与低速率下可以不用考虑终端匹配那么在什么情况下不用考虑匹配呢？理论上，在每个接收数据信号的中点进行采样时，只要反射信号在开始采样时衰减到足够低就可以不考虑匹配。但这在实际上难以掌握，可以用一条经验性的原则来判断在什么样的数据传输速率和电缆长度时需要进行匹配：当信号的转换时间（上升或下降时间）超过电信号沿总线单向传输所需时间的3倍以上时就可以不加匹配。2/16/2023现场总线技术RS-422与与RS-485传输线上匹配的一些说明传输线上匹配的一些说明一般终端匹配采用终接电阻方法RS-422在总线电缆的远端并接电阻RS-48

19、5则应在总线电缆的开始和末端都需并接终接电阻。终接电阻一般在RS-422网络中取100，在RS-485网络中取120。相当于电缆特性阻抗的电阻，因为大多数双绞线电缆特性阻抗大约在100120。这种匹配方法简单有效，但有一个缺点，匹配电阻要消耗较大功率，对于功耗限制比较严格的系统不太适合。2/16/2023现场总线技术RS-422与与RS-485传输线上匹配的一传输线上匹配的一些说明些说明比较省电的匹配方式是RC匹配：利用一只电容C隔断直流成分可以节省大部分功率但电容C的取值是个难点，需要在功耗和匹配质量间进行折衷还有一种采用二极管的匹配方法这种方案虽未实现真正的“匹配”，但它利用二极管的钳位作

20、用能迅速削弱反射信号，达到改善信号质量的目的。节能效果显著。RS485网络的RC匹配法 RS485网络的二极管匹配法 2/16/2023现场总线技术RS-422与与RS-485的接地问题的接地问题 系统接地是个很重要的问题，但常常被忽视。接地处理不当往往会导致系统不能稳定工作甚至危及系统安全。因为接地系统不合理会影响整个网络的稳定性，尤其是在工作环境比较恶劣和传输距离较远的情况下，对于接地的要求更为严格。否则接口损坏率较高。很多情况下，连接RS-422、RS-485通信链路时只是简单地用一对双绞线将各个接口的“A”、“B”端连接起来。而忽略了信号地的连接，这种连接方法在许多场合是能正常工作的，

21、但却埋下了很大的隐患，这有下面二个原因：2/16/2023现场总线技术共模干扰问题共模干扰问题 RS-422与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。2/16/2023现场总线技术共模干扰问题（续）共模干扰问题（续）当发送驱动器A向接收器B发送数据时，发送驱动器A的输出共模电压为VOS，由于两个

22、系统具有各自独立的接地系统，存在着地电位差VGPD。接收器输入端的共模电压VCM就会达到VCM=VOS+VGPD。RS-422与RS-485标准均规定VOS3V但VGPD可能会有很大幅度（十几伏甚至数十伏），并可能伴有强干扰信号，致使接收器共模输入VCM超出正常范围，并在传输线路上产生干扰电流，轻则影响正常通信，重则损坏通信接口电路。2/16/2023现场总线技术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。RS-422、RS-485尽管采用差分平衡传输方式，但对整个RS

23、-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2/16/2023现场总线技术EMI问题问题值得注意的是，这种做法仅对高阻型共模干扰有效，由于干扰源内阻大，短接后不会形成很大的接地环路电流，对于通信不会有很大影响。当共模干扰源内阻较低时，会在接地线上形成较大的环路电流，影响正常通信。因此，可以采取以下三种措施：2/16/2023现场总线技术EMI问题问题如果干扰源内阻不是非常小，可以在接地线上加限流电阻以限制干扰电流。接地电阻

24、的增加可能会使共模电压升高，但只要控制在适当的范围内就不会影响正常通信。采用浮地技术，隔断接地环路。这是较常用也是十分有效的一种方法，当共模干扰内阻很小时上述方法已不能奏效，此时可以考虑将引入干扰的节点（例如处于恶劣的工作环境的现场设备）浮置起来（也就是系统的电路地与机壳或大地隔离），这样就隔断了接地环路，不会形成很大的环路电流2/16/2023现场总线技术EMI问题问题采用隔离接口。有些情况下，出于安全或其它方面的考虑，电路地必须与机壳或大地相连，不能悬浮，这时可以采用隔离接口来隔断接地回路，但是仍然应该有一条地线将隔离侧的公共端与其它接口的工作地相连。2/16/2023现场总线技术RS-4

25、22与与RS-485的网络失效保护的网络失效保护 由于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A-B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。除上述所述的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。2/16/2023现场总线技术RS-422与与RS-485的网络失效保护的

26、网络失效保护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）。将A上拉到地，B下拉到5V，电阻的典型值是1k，具体数值随电缆的电容变化而变化。比较经典的方法，仍然不能解决总线短路时的问题，有些厂家将接收门限移到-200mV/-50mV，可解决这个问题。不仅省去了外部偏置电阻，而且解决了总线短路情况下的失效保护问题。2/16/2023现场总线技术RS-422与与RS-485的瞬态保护的瞬态保护 信号接地措施，只对低频率的共模干扰有保护作用，对于频率很高的瞬态干扰就无能为力了。由于传输线对高频信号而言就是相当于电感，因此对于高频瞬态干扰，接地线实际等

27、同于开路。这样的瞬态干扰虽然持续时间短暂，但可能会有成百上千伏的电压。2/16/2023现场总线技术RS-422与与RS-485的瞬态保护的瞬态保护 一般在切换大功率感性负载如电机、变压器、继电器等或闪电过程中都会产生幅度很高的瞬态干扰，如果不加以适当防护就会损坏RS-422或RS-485通信接口。对于这种瞬态干扰可以采用隔离或旁路的方法加以防护。2/16/2023现场总线技术隔离保护方法隔离保护方法 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通常采用高频变压器、光耦等元件实现接口的电气隔离优点是可以承受高电压、持续时间较长的瞬

28、态干扰，实现起来也比较容易缺点是成本较高2/16/2023现场总线技术旁路保护方法旁路保护方法 这种方案利用瞬态抑制元件（如TVS、MOV、气体放电管等）将危害性的瞬态能量旁路到大地优点是成本较低缺点是保护能力有限，只能保护一定能量以内的瞬态干扰，持续时间不能很长，而且需要有一条良好的连接大地的通道，实现起来比较困难2/16/2023现场总线技术综合方案综合方案实际应用中是将上述两种方案结合起来灵活加以运用隔离接口对大幅度瞬态干扰进行隔离，旁路元件则保护隔离接口不被过高的瞬态电压击穿。2/16/2023现场总线技术用用RS485构成总线型多点数据采集系统构成总线型多点数据采集系统 在数据通信、

29、计算机网络以及工业上的分布式控制系统中，RS-485总线标准得到了越来越广泛的应用。RS485网络的互连方式如下图所示。2/16/2023现场总线技术硬件电路设计硬件电路设计 分布式多点数据采集系统或集中控制系统的网络拓扑一般采用总线方式，传送数据采用主从站的方法。采用主从方式进行多机通信。主机可以是PC机、工控机或单片机，从机一般是单片机。每个从机拥有自己固定的地址，由主机控制完成网上的每一次通信。R为平衡电阻（又称匹配电阻），通常取为120欧。2/16/2023现场总线技术网络协议网络协议通信开始前，所有的从机处于复位状态，监听主机的地址呼叫。如果有地址呼叫，则中断所有的从机。每个从机都把

30、接收到的呼叫地址和本机地址相比较，如果相符，则该从机开始接收数据帧。其他从机则保持不变，它们不接收，继续监听地址呼叫。通信的从机完成通信后自动转入复位状态。2/16/2023现场总线技术服务软件服务软件 按照网络协议的帧格式编写的通信软件通过物理层最终完成主机与从机之间的数据交换。在总线型拓扑结构构成的分布式数据采集系统中，主机和各从机间传送的命令和数据是二进制的直接传送，并且从机还要完成采集数据和控制的任务，主机要完成集中处理的任务所以2/16/2023现场总线技术服务软件服务软件服务软件要使主机和各从机协调一致地工作，尽量减小通信对其他工作的影响网络协议是保证通信畅通的关键，在一定程度上也影响着网络通信的可靠性，即它必须能够抵抗实际运作环境的干扰通信只是整个系统中的一个部分，系统还必须完成诸如数据采集和控制的功能。这就要求通信占用尽量少的时间，以求达到整个系统的高效率。2/16/2023现场总线技术服务软件服务软件在通信数据量一定的情况下，采用较高的波特率当然比较好，但高的波特率必定要降低传输距离，在实际应用中必须仔细衡量。更好的办法就是采用数据压缩算法，在传输前对数据进行压缩，可使通信数据量大大减少，网络效率成倍提高。