浅析现场通讯技术

现场通讯技术摘要 本文对通讯的基本概念介绍，加以分析了常见的现场通讯接口，并且以我厂的电能表协议为例详细的介绍了通讯的协议关键字 通讯 串行 接口 协议1 通讯的概念 1.1 通讯基础通讯简而言之就是两个计算机之间进行通讯或以一个计算机与外部设备进行通讯。它一般分为串行通讯与并行通讯并行通讯数据各位同时传送串行通讯数据一位一位顺序传送，如（图1-1）。图1-1 并行通信与串行通信 从图中可以看到，并行通讯数据有多少位就要有多少条传送线，而串行通讯只要一条传送线。串行通讯节省传送线，特别是当位数很多，传输距离很长时，这个优点更突出。但串行通讯速度慢。若并行通讯传送需要的时间为T，则串行传送至少为NT（其中N为位数）。电子式多功能电能表与外界通讯都是串行的。下面将对串行通讯进一步介绍。1.2 波特率（Baud rate）CPU要想把自已内部的数据以数据流的方式串行传送给外界，必须规定一个发送速度，外界要想收到这些串行数据也必须按同一速度接收。这个传送速度就叫波特率。如CPU以每积1200位二进制数码的发送速度向外发送，外界设备也必须以每秒1200位速度才能把这些二进制数码接收下来，我们称其传送速度为1200波特，每位传送时间Td为波特率的倒数： 波特率是串行通讯重要参数，波特率也是衡量信道频宽的指标。1.3同步传送与异步传送假设计算机从传送开始到传送结束都以同样的波特率把自己的所有数据串行传送给外界，这种传送方式称为串行同步传送。串行同步传送一般用两条传送线，一条传同步信号，一条传数据。 图1-2 同步传送 上图CPU可把10010一串数据源源不断地传送给外界。用同步信号前沿辩认数据是“1”还是“0”，同步信号起着协调计算机与外界的收发速率的作用。两条线对远距离传输也是不可取的，成本很高，如果取消同步信号，只是规定相同的波特率，由于计算机与外界之间速率差异，积累误差越来越大，可能发生“认错”现象。为了解决“错认”问题提出异步通讯概念。 异步通讯基本方法是把串行数据流分成若干组，每组二进制数目个数相等。一组二进制数组成一个字节或一个字符。典型的字符格式下图（1-3） 图1-3 字符格式一个字符由一个起始位，一个停止位，8-12数据位和一个奇偶校验位组成。起始位下降边指示传送开始。从这一时刻开始按双方约定的波特率传送数据位和奇偶校验位。停止位数据变为“1”，下边是空闲位，等待下一个起始位再传送。从上面介绍中我们知道所谓异步串行通讯是字符与字符之间异步的，字符内部以起始位下降边为起点，还是同步的。1.4 单工与双工 （a）单工 （b）半双工 （c）双工 图1-4 通信方式 串行通讯中，数据在通讯线路上传送方式有三种：单工方式、半双工方式和全双工方式。单工方式：如（图1-4a）只允许数据按一个固定方向传送，A只能发送，叫发送器，B方只能接受，叫接收器。 （图1-4b）为半双工：数据既能从A传到B，也能由B传到A，因此A、B都是收发器，但由于A、B之间只有一条线，信号只能分时在两个方向传输，不能同时双向传输，所以称为半双工。在待命时，A、B双方向都处于接受方式以便随时响应对方的呼叫。 （图1-4c）为全双工：A、B都是收发器，且由于相互之间有两根线，A、B可同时接收或发送。显然，为了实现全双工传输，发、收资源必须完全独立，数据通道必须完全分开。在A、B双方控制逻辑的协调下，才可以实现真正的双工方式。2 常用的接口RS-232、RS-422与RS-485都是PCM设备上常用的串行数据接口标准，都是由电子工业协会（EIA）制订并发布的，RS-232在1962年发布。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，RS是英文“推荐标准”的缩写，422为标识号，A表示修改次数。RS-422是由RS-232发展而来的，改进RS-232通信距离短、速率低的缺点，而且抗干扰能力强。RS-422定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到10Mbps，传输距离延长到4000英尺（速率低于100Kbps时），并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器。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，后命名为TIA/EIA-485-A标准。2.1 RS-232标准串行接口RS-232是美国电子工业协会EIA制定的一种串行物理接口标准。RS-232的机械特性要求：规定使用一个25芯标准连接头，每个引脚有固定的定义，结合功能特性，给出在（表1-1）（表1-1）RS-232接口插头引脚信号引脚号说明引脚号说明*1保护地14（辅信道）发送数据*2发送数据*15发送信号无定时（DCE为源）*3接收数据16（辅信道）接收数据*4请求发送（RTS）17接收信号无定时（DCE）为源*5允许发送（CTS，或清除发送）18未定义*6数传机（DCE）准备好19（辅信道）请求发送（RTS）*7信号地（公共回线）*20数据终端准备好*8接收线信号检测*21信号质量检测*9（保留供数传机测试）*22振铃指示10（保留供数传机测试）*23数据信号速率选择（DTE/DCE为源）11未定义*24发送信号无定时（DTE为源）12（辅信道）接收线信号检测25未定义注：表中打有*号的引脚为主信道引脚，其它为未定义或辅助信道引脚。RS-232电气特性：如（表1-2）（表1-2）RS-232电气特性表电气特性参数范围电气特性参数范围带3-7K负载时驱动器的输出电平逻辑1：+5V到+15V逻辑0：-5V到-15V接收器输入电压的允许范围输入开路时接收器的输出-25V到+25V逻辑1不带负载时驱动器的输出电平-25V到+25V输入经300接地接收器的输出逻辑1驱动器通断时的输出阻抗300-3V输入时接收器的输出逻辑0输出短路电流05A-3V输入时接收器的输出逻辑1驱动器转换速率30V/s最大负载电容2500pF RS232接口采用负逻辑，与CMOS、TTL电路的相连需用专用集成电路进行电平转换。如发送器MC1488（SN75150）和接收器电路MC1489（SN75154）。RS-232接口电平转换电路。如（图1-5） 图1-5 RS232接口电平转换通过MC1488和MC1489的交换，在RS-232互连线路上传送的信号电平达到12V，因此具有比TTL电平更强的抗干扰能力。尽管如此，由于RS-232的发送端与接收端之间有公共信号地，不能使用双端信号，因此，共模噪声会耦合到信号系统中。所以，采用RS-232最大距离仅为30米，信号传输速率最高可达到20kb/s。只有符合这些条件，才能在RS-232标准接口下可靠地进行数据传输。 RS-232使用方法： 使用RS-232接口标准进行串行传输时，一般并不是使用全部的22条引线，而是根据实际需要选择其中的一部分。一般常用的信号线只有8条，除数据线和信号地线共3条之外，其它5条均为联络控制信号线。分别是：请示发送信号：引脚4，通知接收端，表明发送端已做好准备，可以开始发送，并等待回答。a 准许发送信号：引脚5,表明已做好接收准备，在接收到发送请求信号 之后，以有效做为应答。b数据终端准备的信号：引脚20，是一个“被动方”的“请求”信号。表明接收端已做好接收准备，通知发送端可以送数据。c数据装置准备好信号：引脚6，表明在接到接收端发来的数据终端准备好信号之后，当作好发送准备，可以发送时的应答信号，即“主动方”的“应答”信号。d载波检测信号：引脚8，表明载波正常，由发送端通知接收端，有时也与作同样功能的安排。 图1-6 两种RS232-C连接方式按照通常使用8条信号线连接的RS-232接口引线如（图1-6a）所示。上述的5条信号线传送的是联络控制信息。若在发送端与接收端之间已“协议”好了发送时间，且均在规定时间到来之前做好了相应的准备时，只需3条信号线即可实现使用RS-232的接口标准传送，如（图1-32b）所示。在这种情况下，通常多使用9脚插头。电子式多功能电能表一般只用3条信号线。2.2 RS485接口RS485是一种电气标准。(表1-3)列举了RS-485的特性数据 接口项目RS-485动作方式差动方式可连接的台数32台驱动器32台接收器最大距离1200m传送速率的最大值12m10Mbps120m1Mbps1200m100kbps同相电压的最大值+12V -7V驱动器的输出电压无负载时有负载时5V1.5V驱动器的负载阻抗54驱动器的输出阻抗(高阻抗状态)POWER-ON100A最大-7vVcom12VPOWER-OFF100A最大-7vVcom12V接收器输入电压范围-7V+12v接收器输入敏感度200mv接收器输入阻抗12kRS485标准规定了差分平衡电气接口平衡驱动和差分接收的方法（图1-7），从根本上消除了信号地线，这相当于两个单端驱动器，输入同一个信号时，其中一个驱动器输出永远是另 图1-7 平衡驱动和差分接收电路一个驱动器的反相信号。于是两条线上传送的信号电平，当一条表示逻辑“1”时，另一条为逻辑“0”。在干扰信号作为共模信号出现时，接收器接收差分输入电压，只要接收器有足够的抗共模电压工作范围，就能识别两个信号并正确接收传送的信息。因此，RS-485能在长距离、高速率下传输数据，它能够在1200米距离内把速率提高到100kbps；在较短距离内，其传输速率可高达10Mbps。这种性能的改善是由于平衡结构而产生的，差分平衡结构可以从地线的干扰中分离出有效信号，其最大可区分0.20V的电位差值。因此一般不受地电位的波动和共模电磁干扰。 RS-485为半双工工作方式，因而可采用一对平衡差分信号线来连接。采用RS-485进行两点间通讯的连接图，如（图1-8）。 图1-8 RS485两点传输电路RS-485还可以用于多点互连系统和主从环形通讯链路。如（图1-9）RS485多点互连系统和（图1-10）RS485环形数据链路系统。 图1-9 RS-485多点互连系统 图1-10 RS485环形数据链路系统 2.3 RS-422接口RS-422 的电气性能与RS-485完全一样。主要的区别在于：RS-422 有4 根信号线：两根发送（Y、Z）、两根接收（A、B）。由于RS-422 的收与发是分开的所以可以同时收和发（全双工）。RS-485 有2 根信号线：发送和接收都是A 和B。由于RS-485 的收与发是共用两根线所以不能够同时收和发（半双工）。能否将RS-422 的Y-A 短接作为RS-485 的A、将RS-422 的Z-B 短接作为RS-485 的B呢？回答：不一定。条件是RS-422 必须是能够支持多机通信的。波士电子的所有接口转换器的RS-422 口都能够支持全双工多机通信，所以可以这样简单转换为RS-485。2.4 红外光学接口 在IEC1107-1992中，就直接本地数据交换问题，规定了手持单元与费率装置间的联接规范，该标准规定这种连接可以是永久的，也可以是暂时的，可以是电气的，也可以是光学的。 IEC1107的光学接口是直接红外光。由于这种连接方式，信噪比小，抗干扰力差，因此标准要求读数头用磁吸附的形式，紧贴到复费率单元的光学接口上。 读数头的结构形式定义于（图1-11）。 图1-11 读数头的结构形式光学特性规定为：波长在800nm与1000nm之间信号发射时，不论是复费率单元还是读数接收头，在发光头10mm（1mm）处，参考面上的幅照度E，极限值为：ON状态：500W/cm2E50000W/cm2 OFF状态：E10W/cm2 信号接收时，在红外接收头10mm（1mm）处，接收器在满足如下辐照度E的前提下，应该可靠的接收状态：ON状态：E200W/cm2 OFF状态：E20W/cm2 最大传输速度应至少为2400波特虽然没有规定机械调准法，但在实验条件下仍可取得最佳的数据传输，方法为：当读数头位于正确位置（电缆下垂）时，调准费率装置中的红外线接收器使其正对着读数头中的红外线发射器，读数头中的红外线接收器使其正对着费率装置中的红外线发射器。位置上的微小偏差应不会对性能有较大的影响，但若是有较大的偏差可能会引起光学性能的降低。3 通讯协议通讯协议是发、收双方事先约定的共同遵守则的规则。主要规定： 通讯方式; .通讯接口; .字符格式; 通讯速率 ；.差错控制；.帧格式。 电子式多功能电能表与外界的通讯方式大都采用串行异步半双工的通讯方式.通讯接口主要有RS-232,RS-485和直接光学接口三种.字符格式,如（图1-29）。起始与停止位是功能码。奇偶校验位判断是否存在传输错误，叫差错控制码。D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7为数据码，是传送的主体。其D0D7为0、1两种状态。连续8个0/1，如在不同的码制中代表不同的含义。在16进制中代表4F。在ASCIIC码中，代表英文字母“0”；一般在数码后加B代表二进制，加H代表16进制、ASCII码后不加后缀。 所谓帧格式就是上述四条命令及其回答的格式。不同的通讯协议帧格式的规定不同。下面以我厂电能表所采用的部颁DL/T645-1997协议为例概要叙述。DL/T645-1997协议通讯协议概要通讯方式；串行异步半双工通讯接口：RS-232，RS-485，IEC1107直接红外光字符格式；1位起始位，1位停止位，8位数据位偶校验。帧是传送信息的基本单元。帧格式如下图所示。说 明代 码帧起始符68H地址域A0A1A2A3A4A5帧起始符68H控制码C数据长度域L数据域DATA校验码CS结束符16Ha帧起始符68H：标识一帧信息的开始，其值为68H=B。b.地址域A0A5：地址域由6个字节构成，每字节2位BCD码。地址长度可达12位十进制数，可以为表号、资产号、用户号、设备号等。具体使用可由用户自行决定。当使用的地址码长度不足6字节时，用十六进制AAH补足6字节。低地址位在先，高地址位在后。当地址为9H时，为广播地址。c.控制码C：控制码的格式如下所示。D7D6D5D4D3D2D1D0 后续帧标志 功能码 从站异常标志 传送方向D7=0：由主站发出的命令帧D7=1：由从站发出的应答帧D6=0：从站正确应答D6=1：从站对异常信息的应答D5=0：无后续数据帧D5=1：有后续数据帧D4 D0：请求及应答功能码 00000：保留 00001；读数据 00010：读后续数据 00011：重读数据 00100：写数据 01000：广播校时 01010：写设备地址 01100：更改通信速率 01111：修改密码 10000：最大需量清零d.数据长度L；L为数据域的字节数。读数据时L200，写数据时，L50，L=0表示无数据域。e.数据域DATA：数据域包括数据标识和数据、密码等，其结构随控制码的功能而改变。传输时发送方按字节进行加33H处理，接收方按字节进行减33H处理。f.校验码CS：从帧起始符开始到校验码之前的所有各字节的模256的和，即各字节二进制算术和，不计超过256的溢出值。g.结束符16H：标识一帧信息的结束，其值为16H=B。传输特性a前导字节在发送帧信息之前，先发送14个字节FEH，以唤醒接收方。b.传输次序所有数据项均先传送低位字节，后传送高字节。c.传输响应每次通信都是由主站向按信息帧地址域选择的从站发出请求命令开始，被请求的从站根据命令帧中控制码的要求作出响应。收到命令帧后的响应延时Td：20msTd500ms字节之间停顿时间Tb：Tb500ms。d.传输速率初始速率：1200bps标准速率：300、600、1200、2400、4800、9600bps特殊速率：由厂家规定差错控制字节校验为偶校验，帧校验为纵向信息校验和，接收方无论检测到偶校验出错或纵向信息校验和出错，均放弃该信息帧，不予响应。数据标识举例：四级树状标识法，如电能量数据标识为：DI1DI0DI1HDI1LDI0HDI0LD7D6D5D4D3D2D1D0D7 D6D5D4D3 D2D1D0 1001电能量 00 当前 00 有功 0001 正向电能 0000 总电能 01 上月 01 无功 0010 反向电能 0001 费率1 10 上上月 10 保留 0011 一象限无功 0010 费率2 11 集合 11 集合 0100 四象限无功 . 0101 二象限无功 1110 费率K 0110 三象限无功 1111 本数据块集合 01111110 保留 1111集合 数据标识符中由标识字段DI1H、DI1L、DI0H分别相同，而DI0L取值不同0，1，2，k(k为可能的最大取值)的各连续数据组成的一组数据,称数据块.数据块的标识特征为DI0L=1111B. 由1个或多个数据块构成一个数据集合.在数据标识符中,较高级标识字段DI1H、DI1L、DI0H标识为1111B或11B时表示一个数据集合，代表该字段所有可能的取值范围与其下一级标识字段的多个数据块所组成的数据集合。此时不论其下一级标识字段为何值，均视为数据集标识，即11B或1111B。 数据传输时组成的数据集的各数据块之间用分隔符AAH分隔，两个连续的数据块分隔符表示一个空数据块