《串行数据通信接口》PPT课件.ppt

第三章 智能仪器通信接口,在自动化测量和控制系统中，各台仪表之间需要不断地进行各种信息的交换和传输，这种信息地交换和传输是通过仪表的通信接口，按照一定的协议进行的。 通信接口是各台仪表之间或者是仪表与计算机之间进行信息交换和传输的联络装置。 目前国际上采用的仪器标准接口有IEEE488（并行总线），RS232C（串行总线），USB（串行总线）等。,3.1 串行数据通信接口课本101-106,一通信与总线的相关概念 二串行通信方式 同步通信(SYNC)与异步通信（ASYNC）两种方式 三串行通信总线接口 RS-232C标准 、RS-423A总线、RS-422A总线、 RS-485总线,1、数据通信 是指不同设备之间进行的数字量传输和交换，例如 计算机与计算机之间、计算机与智能仪器之间、智 能仪器与智能仪器之间，经常需要传输各种不同的 数据。数据通信是计算机及智能设备联成网络必不 可少的手段。 2、通信接口 通信接口是各台仪表之间或者是仪表与计算机之间 进行信息交换和传输的联络装置，是进行信息交换 的中转站，提供信息交换的环境和条件。,一、通信和总线的相关概念,3、通信协议（通信规程） 是通信双方约定的一些规则。 4、接口（Interface）和端口（Port）是两个不同的概念。端口是指接口电路中的一些寄存器，这些寄存器分别用来存放数据信息，控制信息和状态信息，与其相对应的就是数据端口、控制端口和状态端口。 若干个端口加上相应的控制逻辑才能组成接口。CPU通过输入指令，从端口读入信息，通过输出指令，可将信息写入到端口中。,一、通信和总线的相关概念,5、芯片总线、内部总线、系统总线与外部总线 芯片总线（片内总线）：位于集成电路内部，是集成电路内部个功能单元之间的连线，芯片总线通过集成电路的引脚延伸到外部与系统相连。 内部总线（前端总线）：是控制器与其他一些部件之间直接连接而进行数据通信的总线，用于芯片一级的连接。常用内部总线：I2C、SPI、UART、SCI等。 系统总线：用于控制器与接口卡的连接。使各种接口卡能够在各种系统中实现“即插即用”。常见总线标准有ISA总线、EISA总线、VESA总线、PCI总线、AGP总线等。 外部总线（通信接口）：计算机之间或计算机与外围设备之间进行数据通信的连接线。用于设备一级的互连。如RS232C、RS485总线、IEEE-488总线和USB总线。,一、通信和总线的相关概念,一、通信和总线的相关概念,6、数据通信方式 并行通信：指利用多条数据传输线将一个数据的各位同时传送。通常以8位、16 位或32位的数据宽度同时进行传输。每一位都要有自己的数据传输线和发送接收器件，在时钟脉冲的作用下数据从一端送往另一端。 特点：传输速度快，适用于短距离通信。 串行通信：指利用一条传输线将二进制数据一位位地顺序传送。 在二个站（点对点）之间进行传送 特点：是通信线路简单，利用电话或电报线路就可实现 通信，降低成本，适用于远距离通信，但传输速度慢。,一、通信和总线的相关概念,7、串行通信的数据通路形式 单工通信：信息只能向一个方向传送，单工通信。,半双工通信：使用同一根传输线，既可发送数据又可接收数据，但不能同时发送和接收数据，通信双方可以轮流地进行发送和接收。 全双工通信：允许通信双方同时进行发送和接收，需要两条传输线，,在计算机串行通信中主要使用半双工和全双工方式。,二串行通信方式,分为同步串行通信(SYNC)与异步串行通信（ASYNC）两种方式。,1异步串行通信 数据通常是以字符为单位组成字符帧传送的； 字符帧由发送端一帧一帧地发送，每一帧数据是低位在前，高位在后，通过传输线被接收端一帧一帧地接收。 发送端和接收端可以由各自独立的时钟来控制数据的发送和接收，这两个时钟彼此独立，互不同步。 在异步通信中，接收端是依靠字符帧格式来判断发送端是何时开始发送何时结束发送的。字符帧格式是异步通信的一个重要指标。,通信协议（通信规程）： 是通信双方约定的一些规则。包括对数据格式、同步 方式，传送速度、传送步骤、检纠错方式等问题作出统一规 定。也称通信控制规程。 异步通信协议起止式通信协议 1）特点： 字符随机出现在数据流中 字符之间有不定长的空闲位 靠起始位和停止位定界1帧数据 2）帧格式： 起始位:1位,低电平 数据位:58位,先低位后高位，高电平或低电平 校验位:1位/0位,奇偶校验，高电平或低电平 停止位:1位、1.5位或2位,高电平，,传送一个字符的信息格式：规定有起始位、数据位、 奇偶校验位、停止位等，其中各位的意义如下：, 起始位：先发出一个逻辑”0”信号，表示传输字符的开始。 数据位：紧接着起始位之后。数据位的个数可以是5、6、 7、8等，构成一个字符。通常采用ASCII码。从最低位开始传送，靠时钟定位。 奇偶校验位：数据位加上这一位后，使得“1”的位数应为偶数(偶校验)或奇数(奇校验)，以此来校验数据传送的正确性。 停止位：它是一个字符数据的结束标志。可以是1位、1.5 位、2位的高电平。 空闲位：处于逻辑“1”状态，表示当前线路上没有数据传送。,为了确保传输正确，异步串行通信采用相反极性的起始位和结束位来提供时间基准； 异步通讯，发送和接收双方必须使用相同的字符数据帧格式，否则会造成数据错误，进而导致通信失败。 异步通信通常用于信息传送量不太大、传输速度不太高的场合，如每秒50115200位。 波特率用于描述串行通讯数据传送速率，规定为：每秒钟传送二进制数码的位数，单位为波特，即：1波特=1位/秒，通常用bps表示,接收时钟和发送时钟： 接收和发送双方通过时钟信号对传送的数据进行定位及采样。 接收和发送时钟能够用来控制通信设备接收和发送字符数据速度。 该时钟信号通常由外部时钟电路产生。 收/发时钟直接决定了通信线路上数据传输的 速率，对于收发双方之间数据传输的同步有 十分重要的意义。,发送数据时，在发送时钟的下降沿，发送设备将移位寄存器中保存的数据串行移位输出； 接收数据时，在接收时钟的上升沿，接收器对接收数据采样，即数据位检测。从而，获得了最大的时钟频率偏差容限。,为了提高串行通信的抗干扰能力，往往用多个时钟调制一个二进制数据，调制一个二进制数据的收/发时钟个数称为波特率系数n。 收/发时钟频率与波特率之间的关系： 收/发时钟频率=n波特率 一般n取1,16,32,64等。对于异步通信，常采用n=16；对于同步通信,则必须取n=1。,发送方利用发送时钟来决定发送每个位的时刻； 接收器在每一个接收时钟的上升沿接收数据线，当发现接收数据线上出现低电平时认为是起始位，此后，如果在连续的8个时钟周期内检测到接收数据线上仍保持为低电平，确定为起始位。再间隔16个时钟周期检测下一位； 采用这种方法，能够排除接收线上的噪声干扰并识别假起始位，较精确地确定起始位的中间点，从而提供一个准确的时间基准。,17,异步通信的时钟,数据 （62H）,0,0,0,0,1,1,停止位,异步传输先发送低位(LSB),发送方利用发送时钟来决定发送每个位的时刻,接收方检测起始位的下降沿，并用它来同步接收时钟，然后利用接收时钟从每一位的中间接收该位,1,起始位,LSB,MSB,0,奇偶 校验位,0,0/1,1 1,接收/发送 时钟,例如：以1k波特率传送8位数据45H（0100,0101B），奇校验，1个停止位，传送1个字符需要多少时间？画出信号线上的波形图。,波特率：每秒传送二进制数的位数，即1波特=bit/s （位/秒） 1k=1000bit/s，每秒传输1000个二进制数， 传输1位需要1ms,2个二进制数之间的间隔是1ms。 传送一个字符共传送11位，需要111ms=11ms,2同步串行通信,同步通信是一种连续串行传送数据的通信方式，一次通信只 传输一帧信息。这里的信息帧和异步通信的字符帧不同，通 常有若干个数据字符，数据字符由同步字符、数据字符和校 验字符CRC三部分组成。在同步通信中，同步字符可以采用 统一的标准格式，也可以由用户约定。,SYN：同步字符（Synchronous），表示一帧的开始； SOH：序起字符（Start of Header），表示标题的开始； 标题：包括原地址，目的地址，路由指示等信息； STX：文始字符（Start of Text），表示正文开始。 FTB/ETX：组终/文终字符（End of Text） ETB（End of Transmission Block）,在同步传送过程中，必须规定各个数据单元的 长度（n位）。全部被传送字符组成数据块，用10个同 步字符指示数据块的开始和结束。同步字符可用单字 符或双字符。数据块之后是CRC-循环冗余校验字符， 它用于检验同步传送的数据是否出错。 同步传送的速度要高于异步传送，但是它要求 用同一个时钟实现发送与接收之间的同步，因此硬 件要复杂。,22,同步串行通信的时钟定时方法,数据（62H）,0,1,1,0,0,0,1,0,同步传输先发送高位(MSB),发送方在时钟信号的下降沿发送字节,接收方在时钟信号的上升沿接收字节,时钟 （发送时钟与接收时钟完全同步）,LSB,MSB,收/发时钟频率=1波特率,在单片机应用系统中，数据通信主要采用异步 串行通信。在设计通信接口时，必须根据需要选择 标准接口，并考虑传输介质、电平转换等问题。采 用标准接口后，能够方便地把单片机和外设、测量 仪器等有机地连接起来，从而构成一个测控系统。 异步串行通信接口主要有： RS-232C； RS-449， RS-422A， RS-423A和 RS-485。,三串行通信总线接口,1RS-232C标准 RS-232C是使用最早、应用最多的一种异步串行通信总线标准。它是美国电子工业协会（EIA）1962年公布、1969年最后修定而成的。其中RS表示Recommended Standard，232是该标准的标识号，C表示修改的次数。 RS-232C主要用来定义计算机系统的一些数据终端设备（DTE：Data Terminal Equipment ）和数据通信设备（DCE：Data Communication Equipment ）之间的电气性能。MCS-51单片机与PC机的通信也是采用该种类型的接口。由于MCS-51系列单片机本身有一个全双工的串行接口，因此该系列单片机用RS-232C串行接口总线非常方便。,（1）主要特点 数据传输速率不超过20kbit/s; 传输距离最好小于15m; 每个信号只有一根导线，两个传输方向共用一个信号地线； 只适用于点对点通信； 电气上与TTL电平不同，与TTL电路接口时必须经过电平转换电路；,（2）RS-232C信息格式标准 RS-232C采用串行格式，该标准规定:信息的开 始为起始位,信息的结束为停止位;信息本身可以是 5、6、7、8位再加一位奇偶位。如果两个信息之间 无信息，则写“1”，表示空。,RS-232C信息格式,（3）RS-232C电气标准和机械连接 RS-232C是一种标准接口，D型插座，采用25 芯引脚或9芯引脚的连接器，如图所示。,RS232 DB25针脚,25个功能引脚仅定义了21个，21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）,2. RS232 DB9针脚,DB-25型： 数据线4条（2，3，14，16） 控制线11条（4，5，6，8，12，13，19，20，21，22，23） 定时信号线3条（15，17，24） 地线2条（1，7） 备用5条，未定义（9，10，11，18，25）,RS-232C标准规定接口有25根连线。只有以 下9个信号经常使用。,RS-232C另一种常用的插头是9芯，它的引脚信号功能为:,（4）RS-232C电气特性及电平转换器 RS-232C规定了自己的电气标准，由于它是在TTL 电路之前研制的，所以它的电平不是+5V和地，而 是采用负逻辑，即： 逻辑“0”：+3V+15V 逻辑“1”：-3V-15V 因此，RS-232C不能和TTL电平直接相连，使用时 必须进行电平转换，否则将使TTL电路烧坏，实际 应用时必须注意！实现电平转换的方法可用分立元 件，也可用集成电路芯片。,目前较广泛地使用集成电路转换器件： MC1488、SN75150芯片可完成TTL电平到 232C电平的转换，被称为总线发送器。 MC1489、SN75154芯片可实现RS-232C 电平到TTL电平的转换，称为总线接收器。 MAX232芯片可完成TTL- RS-232C双向电 平转换 。,RS232C与TTL电平变换器,管脚说明如下： C1+、C1-、C2+、C2-是外接电容端； R1IN、R2IN是2路RS-232C电平信号接收输入端； RlOUT、R2OUT是2路转换后的TTL电平接收信号输出端，送8051的RXD接收端； TlIN、T2IN是2路TTL电平发送输入端，接8051的TxD发送端； TlOUT、T2OUT是2路转换后的发送RS-232C电平信号输出端，接传输线； V+经电容接电源+5V； V-经电容接地。,MAX232芯片的引脚,MAX232应用电路原理图,MAX232应用电路原理图,（5）RS-232C接口标准最大传输距离的说明 RS-232C标准规定，若不使用MODEM，则在码元畸变小于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。例如，采用每0.3m（约1英尺）的电 容值为4050 pF的普通非屏蔽多芯电缆作传输线，则传输线的 长度，即传输距离为： L = 2500 pF/170 pF/m 15m 然而，在实际应用中，码元畸变超过4，而为1020时， 也能正常传输信息，这意味着驱动器的负载电容可以超过 2500pF，因而传输距离可大大超过15m，这说明了RS232C标准所 规定的直接传送最大距离为15m是偏于保守的。,（6） RS-232C接口的常用系统连接,近距离（15m以内）通信： 不采用调制解调器，通信双方可以直接连接，这种情况下，只需使用少数几根信号线。在最简单的全双工系统中，仅用发送数据、接收数据和信号地三根线即可 。,单片机之间很近距离通信接线图,单片机之间近距离通信接线图,计算机之间近距离通信接线图,计算机与单片机之间近距离通信接线图,计算机串口设置,全双工标准连接图（双交叉环回接口）,远距离（15m以上 ）通信：,一般要加调制解调器MODEM，通过专用电话线进行通信。如图4-27所示。,信号的调制和解调 计算机的通信是要求传送数字信号，而在进行远程数据通 信时，线路往往是借用现有的公用电话网，但是，电话网是为 音频模拟信号的设计的。一般为3003400Hz，不适合于数据 信号。 因此需要对二进制信号进行调制，以适合在电话网上传输 相应的音频信号，在接收时，需要进行解调，还原成数字信号。,）. 什么叫调制? 所谓调制就是进行波形变换。或者说进行频谱变换，就是将基带数字信号的频谱变换成适合于在模拟信道中传输的频谱。 ）. 作用: 调制器(Modulator)是一个波形变换器,它将基带数字的波形变换成适合于模拟信道传输的波形。 解调器是一个波形识别器,将模拟信号恢复成原来的数字信号。,最基本的调制方法有以下几种： （1）调幅（AM） 即载波的振幅随基带数字信号而变化. “1”对应有载波 “0” 对应无载波,）. 调制方法:,（2）调频（FM） 即载波频率随数字信号而变化 “0”对应”f1” “1”对应“f2”,(3)调相（PM） 即载波初始相位随基带数字信号而变化. “ 0”对应相位0度 “1”对应相位180度,RS-232C标准的不足： 1、数据传输速率慢； 2、传送距离短，一般局限于15m，即使使用较好的同轴电缆，最大距离也不应超过60m； 3、没有规定标准的连接器，因而产生了25 插针和9插针等多种设计方案； 4、信号传输电路为单端电路，共模抑制比小，抗 干扰能力较差。,2RS-422A接口标准,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