串口通信 课件

专题 串行通信 1、串行通信的基本概念 o通信：计算机与外部设备交换信息 o串行通信：将数据分解成二进制位用一条信号线，一位一 位顺序传送的方式 o串行通信的优势：用于通信的线路少，因而在远距离通信 时可以极大地降低成本 o串行通信适合于远距离数据传送，也常用于速度要求不高 的近距离数据传送 oPC系列机上有两个串行异步通信接口，键盘、鼠标器与主 机间采用串行数据传送 一、串行通信与并行通信的比较 从通信距离上看：并行通信适宜于近距离的数据传送 ，通常小于30米。而串行通信适宜于远距离传送，可以从 几米到数千公里。 从通信速率上看：一般应用中，在短距离内，并行接 口的数据传输速率显然比串行接口的传输速率高得多，但长 距离内串行数据传送速率会比并行数据传送速率快。 由于串行通信的通信时钟频率较并行通信容易提高，因 此许多高速外部设备，如数字摄像机与计算机之间的通信也 往往使用串行通信方式。 从抗干扰性能上看：串行通信由于只有一两根信号线 ，信号间的互相干扰完全可以忽略。 从设备和费用上看：随着大规模和超大规模集成电路 的发展，逻辑器件价格趋低，而通信线路费用趋高，因 此对远距离通信而言，串行通信的费用显然会低得多。 另一方面串行通信还可利用现有的电话网络来实现远程 通信，降低了通信费用。 串行通信与并行通信相比,虽然有许多优点,但也随 之带来了数据的串/并及并/串转换、数据格式的要求以 及位计数等问题，使之比并行通信实现起来更复杂。 一、数据传送方向 1、全双工方式（full duplex） 通信双方都能在同一时刻进行发送和接收操作，这 样的传送方式就是全双工制，如图1所示。在全双 工方式下，通信系统的每一端都设置了发送器和接 收器，因此，能控制数据同时在两个方向上传送。 全双工方式无需进行方向的切换，因此，没有切换 操作所产生的时间延迟，这对那些不能有时间延误 的交互式应用（例如远程监测和控制系统）十分有 利。 2、半双式方式（half duplex） 若使用同一根传输线既作接收又作发送，虽然数 据可以在两个方向上传送，但通信双方不能同 时收发数据，这样的传送方式就是半双工制， 如图2所示。采用半双工方式时，通信系统每一 端的发送器和接收器，通过收/发开关转接到通 信线上，进行方向的切换，因此，会产生时间 延迟。收/发开关实际上是由软件控制的电子开 关。 3、单工方式 二、串行传送的两种基本工作方式 o异步方式:接收端的时钟完全独立于发送端。由自己 内部的时钟发生器产生，但它的标称频率必须与发送 端一致。 o同步方式：接受端的时钟与发送端严格一致。只要使 第一位的相位关系正确，以后就可以在一次传输中始 终保持这个正确的关系，不会产生任何积累误差。 1. 异步方式 o串行通信时的数据、控制和状态信息都使用同一根信号线 传送 o收发双方必须遵守共同的通信协议（通信规程），才能解 决传送速率、信息格式、位同步、字符同步、数据校验等 问题 o串行异步通信以字符为单位进行传输，其通信协议是起止 式异步通信协议 异步串行数据发送格式 o起始位 每个字 符开始传 送的标志 ，起始位 采用逻辑0 电平 起始位 校验位停止位空闲位数据位 低位 高位 字符 0/10/10/10/110111 数据位数据位 紧跟着起始位传 送。由58个二 进制位组成，低 位先传送 校验位 用于校验是 否传送正确 ；可选择奇 检验、偶校 验或不传送 校验位 停止位表 示该字符传送 结束。停止位 采用逻辑1电平 ，可选择1、 1.5或2位 空闲位传送字符之 间的逻辑1电平，表示没 有进行传送 例：传送8位数据45H（0100,0101B）， 奇校验，1个停止位，则信号线上的波形为 2. 同步方式 o以一个数据块（帧）为传输单位，每个数据块附加1个或 2个同步字符，最后以校验字符结束 o同步通信的数据传输效率和传输速率较高，但硬件电路 比较复杂 o串行同步通信主要应用在网络当中 o最常使用高级数据链路控制协议HDLC 同步字符数据数据数据校验字符 三、数据传输速率 o数据传输速率称为波特率(Baud Rate) n每秒传输的二进制位数bps n字符中每个二进制位持续的时间长度都一样，为 数据传输速率的倒数 【例】如果一个串行字符由1个起始位，7个数据位， 1个奇偶校验位和1个停止位等10个数位构成，每秒钟 传送120个字符，则数据传送的波特率为： 10位/字符120字符/秒=1200位秒=1200波特 传送每位信息所占用的时间为： 1秒/1200=0.833毫秒 常用的波特率为110、300、600、1200、2400、 4800、9600和19200波特，它也是国际上规定的标准 波特率。同步传送的波特率高于异步传送方式，可达 到64000波特。 RS-232C 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。 RS-232C采取不平衡传输方式 ，收、发端的数据信 号是相对于信号地。 1.电气特性 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)=+315V 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-15V 2、连接器的机械特性： 连接器：由于RS-232C并未定义连接器的物理特性， 因此，出现了DB-25、DB-15和DB-9各种类型的 连接器，其引脚的定义也各不相同。下面分别介绍 两种连接器。 （1）DB-25： PC和XT机采用DB-25型连接器。DB -25连接器定义了25根信号线，分为4组： 异步通信的9个电压信号（含信号地SG）2，3，4 ，5，6，7，8，20，22 20mA电流环信号 9个（12，13，14，15，16， 17，19,23，24） 空6个（9，10，11，18，21，25） 保护地（PE）1个，作为设备接地端（1脚） DB-25型连接器的外形及信号线分配如图3所示。注 意，20mA电流环信号仅IBM PC和IBM PC/XT机 提供，至AT机及以后，已不支持。 （2）DB-9连接器 在AT机及以后，不支持20mA电流环接口，使用DB- 9连接器，作为提供多功能I/O卡或主板上COM1 和COM2两个串行接口的连接器。它只提供异步通 信的9个信号。DB-25型连接器的引脚分配与DB- 25型引脚信号完全不同。因此，若与配接DB-25 型连接器的DCE设备连接，必须使用专门的电缆线 。 电缆长度：在通信速率低于20kb/s时，RS-232C所 直接连接的最大物理距离为15m（50英尺）。 最大直接传输距离说明：RS-232C标准规定，若不使 用MODEM，在码元畸变小于4%的情况下，DTE 和DCE之间最大传输距离为15m（50英尺）。可 见这个最大的距离是在码元畸变小于4%的前提下 给出的。为了保证码元畸变小于4%的要求，接口 标准在电气特性中规定，驱动器的负载电容应小于 2500pF。 引脚序号信号名称符号流向功能 2发发送数据TXD DTEDC E DTE发发送串行数据 3接收数据RXD DTEDC E DTE接收串行数据 4请请求发发送RTS DTEDC E DTE请请求DCE将线线路切换换到 发发送方式 5允许发许发 送CTS DTEDC E DCE告诉诉DTE线线路已接通可以 发发送数据 6 数据设备设备 准 备备好 DSR DTEDC E DCE准备备好 7信号地SG信号公共地 8载载波检测检测DCD DTEDC E 表示DCE接收到远远程载载波 20 数据终终端准 备备好 DTR DTEDC E DTE准备备好 22振铃铃指示RI DTEDC E 表示DCE与线线路接通,出现现振 铃铃 RS-422与RS-485串行接口标准 1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2。 图2 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。另有一个 信号地C，在RS-485中还有一“使能”端，而在RS-422中这是 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。 接收器也作与发送端相对的规定，收、发端通过平衡 双绞线将AA与BB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之间。参见图3 。 2RS-422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”，它定义了接口电路的特性。图5是典型的 RS-422四线接口。实际上还有一根信号地线，共 5根线。图4是其DB9连接器引脚定义。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）实现。 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/s。 RS-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。在矩距离传输时可不需终接电阻， 即一般在300米以下不需终接电阻。终接电阻接在 传输电缆的最远端。 3RS-485电气规定 o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，参见图6 。 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。参见图7 。 oRS-485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4k； oRS-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。 oRS-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需终接电阻 ，即一般在300米以下不需终接电阻。终接电阻接 在传输总线的两端。 四、RS-422与RS-485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： 1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。图8所示为实际应用中常见的一些错 误连接方式（a，c，e）和正确的连接方式（b，d，f）。a，c ，e这三种网络连接尽管不正确，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。 五、RS-422与RS-485传输线上匹配的一些说明 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。 一般终端