（通信与信息系统专业论文）dplc通信中的双数字调解器及其dsp实现.pdf

电子 科技大学硕士论文 英文摘要 abs tract p l c i s t h e c o m m u n i c a t i o n m e a n s o f t r a n s m it t i n g c a r r i e r w a v e s i g n a l w it h m u l t i p l e x in g h i g h v o lt a g e p o w e r l i n e s , w h i c h i s s p e c i a l c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y i n e l e c t r ic p o w e r s y s t e m s . p l c h a s b e e n u s e d w i d e l y in e l e c t r i c p o w e r in d u s t ry in lo n g - t e r m d e v e lo p m e n t . t r a d it io n a l p l c i s s i n g l e t o n e c h a n n e l s s t r u c t u r e . a t t h e p r e c o n d it io n t h a t t h e m o d e r n c o m m u n ic a t i o n s a r e d e v e lo p i n g a l o n g w it h i s d n o f w i d e b a n d a n d i n t e l l i g e n c e , p l c i s f a c in g c h a l l e n g e o f f r e q u e n c y r e s o u r c e u t i li z a t i o n , a n t i - i n t e rv e n i n g c h a r a c t e r i s t ic , c o n n e c t i o n t o i s d n , i n t e l l ig e n t m a n a g e m e n t o f n e t w o r k s a n d e l e c t r i c p o w e r d i s t r i b u t i o n . d p l c j u s t e m e r g e a s t im e s r e q u i r e . b e c a u s e d p l c o v e r c o m e s s o m e d i s a d v a n t a g e s o f p l c a n d i m p r o v e s m a n y c h a r a c t e r i s t i c s o f p l c , it i s i m p o r t a n c e a n d b e c o m e r a p i d l y t h e m a i n s t r e a m o f p l c c o m m u n i c a t i o n i n wo r l d d p l c i s c o m m u n i c a t i o n s y s t e m , w h i c h c o n v e rt s i n f o r m a t i o n i n t o d a t a s ig n a l s a n d t r a n s m it s i n p o w e r l i n e s b y u s in g m a n y a d v a n c e d t e c h n o l o g i e s . d p l c d o e s n t s e n d d a t a s ig n a l s t o p o w e r l i n e s d ir e c t l y , b u t m o d u l a t e s t h e c a r r i e r w a v e t o a n a l o g s ig n a l s a n d t h e n t r a n s m it s i t i n p o w e r l i n e s . m o d u l a t i o n , d e m o d u l a t i o n a n d b a s e b a n d s ig n a l s p r o c e s s i n g a r e t h e c o r e o f d p l c , t h e d u a l m o d e m w e d e s ig n e d j u s t r e a l i z e t h e c o r e o f d p l c . f i r s t , w e d is c u s s e t h e r e l e v a n t t h e o ry o f d a t a c o m m u n i c a t i o n fr o m t h e b a s a l m o d e l o f d a t a c o m m u n ic a t i o n s y s t e m s i n t h i s p a p e r , a n d t h e n s t r e s s o n t h e s c h e m e o f t h e m o d u l a t i o n a n d d e m o d u l a t i o n , t h e d e s ig n o f f i l t e r a n d t h e t e c h n o l o g y o f c o d e s y n c h r o n i z a t i o n i n s y s t e m . b a s e d o n t h e t h e o ry t h a t t h e d a t a o f b a s e b a n d e m b o d y t i m i n g i n f o r m a t i o n i n z e r o p o i n t o f i n t e r s e c t io n , w e p u t f o r w a r d t h e m e t h o d o f c o d e s y n c h r o n i z a t i o n b y u s i n g i n f o r m a t i o n o f t h e c r o s s - z e r o p o i n t . we d i s c u s s e t h e p r o t o c o l o f c o n t r o l l i n g e r r o r s b a s e d o n i t u- t v. 4 2 a n d t h e e s s e n t i a l o f ds p r e a l i z a t i o n . t h e d u a l mo d e m u s e l s i a n d r e a l i z e t h e m o d u la t i o n o f d p s k a n d q p s k b y u s i n g d s p t e c h n o lo g y , a n d o f f e r t h e c o u p l i n g t r a n s f o r m e r i n t e r f a c e o f c o u n t e r p o i s e f o u r l i n e s , w h i c h c o n n e c t s t h e c a r r i e r e q u i p m e n t , a n d f it i n c h a n n e l b y u s i n g t h e r o o t r a i s e d c o s i n e - s h a p in g f i lt e r . ke y wo r d :p l c , d p l c , d a t a c o m mu n i c a t i o n , d p s k, d u a l mo d e m, h o t s w i t c h , d s p , s h a p i n g f i l t e r 第i f 页 电子科技大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 . 1 d p l c用的双数字调制解调器 通信及计算机技术的发展使得通信产品的自 动化程度越来越高， 利 用计算机软件， 使许多自 动检测、 数据采集、 状态控制等功能得以实现。 此外， 智能化程度的提高也使得远程访问及远程控制等功能被不断的提 出，由此调制解调器 ( mo d e m)的应用也得到进一步的推广。 随着电力工业的 发展， 对电力通信提出越来越高的要求，电力通信 系统目前正朝着业务综合化、 生产调度自 动化方面发展， 用于电力系统 自 动控制及电网调度管理等数据传输的调制解调器也越用越广。 电力系 统 用 调 制 解 调器 有如 下 特点: 传 输 速 率 低， 通 常 为6 0 0 6 p s ; 信 噪比 要求1 5 d b以 保证 传输质量: 使 用传输通道类型丰富，较大一部分 采用电力线的载波机的载波通道传送远动信p , ，且多为上音频通道。 p l c就是复用高压输电线路传输载波信号的 通信方式， 是电力系统 特有的一种通信技术。 p l c经过长 期的发展， 具有技术成熟、 运行经济、 稳定、可靠等优点，己 被电力行业广泛应用。 但传统的电力线载波都是 模拟式的单话音通道结构， 在现代通信沿着宽带化、 智能化等综合业务 方向发展的前提下， p l c面临着频率资源利用、 抗干扰特性、 数字综合 业务接入、智能网络管理和调度等技术方面的挑战。数字电力线载波 ( d a t a p o w e r l i n e c a r r i e r , d p l c ) 正是由 此应运而生的， 它克服了p l c 存在的某些缺点， 改善了p l c的许多特性而倍受重视， 并迅速成为国内 外电力线载波通信发展的主流方 一 向。 d p l c是利用多 种先进技术， 将信息转换成数字信号，在电力线上 传送的通信设备。 d p l c并不直接把数字信号送往电力线，而是先对载 波进行调制，形成模拟信号，再向电力线发送。其中基带处理与调制解 调部分为d p l c全数字化的核心， 本次设计的双调制解调器正是这一核 心部 分的 实 现。 我 国 的 现 有p l c通 信 设 备 传 输 速 率 近 几 年从1 5 0 b p s . 3 0 0 b p s 发展到目 前的6 0 0 b p s ， 己 经 有了 较快的 提 高。 但是与 其他通信 手 段相比， 速率与可靠性仍是制约电力通信发展的一个瓶颈。由于电力系 统的运行和控制对通信的可靠性， 保护控制信息传送的快速性和准确性 具有极严格的要求。为此电力部门规定:在重要的电力通信场合，必须 至少有两条通信线路， 两条线路能实现自 动切换， 互为热备份，以 此来 第6 页 电子科技大学硕士论文 第一章绪论 共同保证通信的可靠性。 本次设计的d p l c通信用的双调制解调器除了 在传输速率和可靠性方面有了较大的提高之外， 还能满足两条线路互为 热备份。 双调制解调系统mm是由 两个对称的全双工特定数传mo d e m组 成， 分别经过两个物理信道与远端的m m对通。 两个物理信道视为一个 逻辑信道使用， 其上的通信可视为一种特定的“ 路间选择性切换” 方式。 切换的基本准则是哪一路信道误码率p 。 小则选用该路。如图1 . 1 所示， 两路通信线路既可独立工作，又可协同作热备份工作。 作热备份工作时 相当于用两条线路来传输一路信息。 它能根据两条线路的接收质量智能 决定接收哪路信息，自 动切换， 确保数据的高 可靠性传输。 信道a d t e d t e 图1 . 1 双调制解调的系统组成 1 . 2课题研究的主要内容和结果 本课题是与电 力部门 合作研究的横向 课题， 针对电 力通信的 特殊 性，我们将具体讨论研究电力通信系统中数字电 力线载波 ( d p l c )通 信用的数字调制解调器及其d s p 实现技术。 为此， 我们通过数字滤波器 的 设计以 及码元同 步技术的 研究， 采用d p s k , q p s k数字调制， 利用 数字信号处理技术使得两个mo d e m在同一d s p 平台上得以实施， 利用 软件无线电技术实现了多种选择灵活搭配， 采用相对切换方案， 避免了 使用绝对误码率指标。 并以d s p 实现技术实现了d p l c通信的关键设备 一 一 双数字调制解调器。 由于电力线载波的远动通道频带仅有 1 k h z ，目 前的设备至多能够 传 送6 0 0 6 p s ， 显 然 它 满 足 不了 现 在电 网自 动 化 监 控 对 数据 传 输 速率 的 要 求。本次课题利用 d s p技术， 采用 q p s k调制在国内首次实现了 在 2 4 0 0 - 3 4 0 0 h z 的电 力 线 上 进行1 2 0 0 b p s 的 传 输: 在 可 靠性方面 ， 本 次 设 计误码率 p e -1 x 1 0 -6 与 现有同类电 力 载波通信设备 ( p e -1 x1 0 3 ) 相 第7 页 .曰. 电子科技大学硕士论文 第一幸绪论 比， 误码率降低了 一个量级， 同时通过两条线路的自 动切换和互为热备 份保证了 通信的高可靠进行。 课题研究的最终结果为样机，其主要技术特点如下: 双路全双工调制解调器，可以独立使用、联合使用、数字/ 模拟混 合使用; 联合使用中具备信道全自 动热切换; 数字/ 模拟混合使用中具备数字/ 模拟双信道全自 动热切换; 具有四状态误码显示， 定性反映信道质量。( 刷新周期: 约4 - 1 0秒) ; 信息速率:6 0 0 6 p s 或1 2 0 0 b p s ; 频带:3 0 0 -3 4 0 0 h z 或2 4 0 0 -3 4 0 0 h z ; 输入输出阻抗:6 0 0 。 平衡式，反射衰耗)1 7 d b ; 发送电平:0 - 1 8 d b m ( 6 d b m 步进)可调; 接收电 平范围:多 - 4 0 d b ; 接收端具有自 动增益控制 ( a g c )功能; 误码率: 在工作条件范围内，当归一化信噪比妻1 7 d b时，对5 1 1 伪随机码的 误码率p e 1 x 1 了; 接口 特性:r s - 2 3 2 ( 0 b 2 5 ); 通过对样机的实际测试与线路实验结果表明， 本次设计达到了课题 的预期要求。 双调制解调器的开发研制为电网 调度自 动化通道提高数据 传输速率提供了强有力的技术支持， 也为电力线载波通信提供了广泛的 应用前景。 1 . 3 相关技术研究动态简述 现代通信网正在向着数字化、综合化、宽带化、 智能化方向发展。 数字电力载波通信 ( d p l c )在数字化方面具备一定的基础，但它不能 提供c c i t t n o . 7 信令系统要求的公共信令通道，制约了数字综合业务 的发展; 在数字传输能力上， 它最多只能提供6 4 k b l s 基带速率， 也不满 足宽带化发展要求; d p l c引入的监控系统，对网 络管理的作用十分明 显，但它还不具备智能化管理的全部特征。 d p l c要适应现代通信网的 发展趋势， 还得解决i s d n接口 ， 扩展 传输频带， 提高传输速率，完善 智能管理系统。 其中难点是展宽频带问 题， 根据i e c建议，电 力线可利 用的频带是3 0 -5 0 k h z 。目 前的电力线载波机，均采用8 k h z 频带工作 方式， 主要原因在于: 利用的频带越宽， 线路的噪声越高。 在提高传输 频带的同时， 如何保证s n r 不低于门限值， 是一个 值得探讨的问 题12 5 1 随着数字技术的迅速发展和全面应用以及各种通信协议与标准的 逐渐统一， 开发和利用电力配电网进行数据通信正成为世界各国开发与 第8 页 电子科技大学硕士论文 第一章绪论 研究的热点。 在世界上电 信市场开放的国家中， 各大电力公司利用电力 网现有的资源优势， 迅速、 经济地建立了自己的电 力通信网络。 而d p l c 用的数字调制解调器是实现电力数据通信的一个重要技术环节， 长期以 来，由于技术与实现水平的落后，利用电力线载波 p l c )进行数据通 信一直没有得到很好的利用和开发。 d p l c在我国还处于应用初期，如果组织得当，将会使电力通信成 为电 信市场的强大竞争对手。近6 7 万k m的3 5 k v及以上输电线路为 发展应用d p l c 创造了良 好的客观环境; 遍布全国各大城市的电缆管道 和电杆是架设光纤接入网的极好资源;进入千家万户的配电网 ( 3 8 0 ! 2 2 0 v ) 是应用电网数据通信技术的潜在载体。目 前应用于电力网 中的各种设备，如电力线载波机、 调度交换机、专用及复用保护收发信 机、 光纤、扩频和无线传输等，为顺应电力自 动化的发展要求，均纷纷 提高各自 的智能化程度。 但是， 它们这些功能的实现无一例外地需借助 于mo d e m进行数据传送，因此开发全数字化的电力载波mo d e m具 有相当高的实用价值、 广阔的市场潜力和良 好的发展机遇。 然而，由于电力线载波信道具有时变性，衰减较大 ( 尤其是电力负 载为容 性时对载波通信信号 近似短路)，各 种干扰噪声复杂等特点 1 2 4 1 要在干扰严重的电力线上实现可靠的数据通信并非易事。由于我国电器 上网的电磁兼容性没有欧美控制的严格，因此我国电力网的干扰要比欧 美等国 严重的多，电 力线的 通信环境也就更加恶劣。 如何选择调制解调 方式及采用何种通信协议， 对从事电力通信技术研究的工作者来说将是 一项严峻的挑战。 第9 页 电子科技大学硕士论文 第二章数据通信概论 第二章数据通信概论 随着世界新技术革命的蓬勃发展， 现代社会将进入一个信息化的新 时代。信息化最重要的内容是建立一个现代化的信息系统，该系统的基 础是通信技术与计算机技术的结合。 而这种结合与渗透己经兴起了一种 新的通信方式数据通信。 数据通信就是通过某种传输媒介进行数据 交换的过程， 通常指终端与计算机之间的通信或计算机与计算机之间的 通信。 本次的设计就是利用电力线作为传输媒介的数据通信系统，因此 本章将首先讨论数据通信的相关理论。 2 . 1数据通信系统的基本组成 2 . 1 . 1 通信系统的 基本模型 要实现数据通信，通信设备必须成为由软硬件组合成的通信系统。 对任何一个通信系统，我们都可以借助通信系统模型来抽象地描述它， 该模型框图如图2 . 1 所示。 输入数据 d 或信号d ( t )发送信号s ( t ) m a n 少一 气i # t 图 2 . 1 传输媒体 输出数据d 接 收信号r ( t )或 信号d ( t ) 飞 一 一 研, r 面11 - + i x i 噪声n ( t ) 噪 声 源! 通信系统的一般模型 在图2 . 1 中， 信息源产生的待交换信息可用数据d 来表示， 而d通 常是一个随时间变化的 信号d ( t ) ， 它作为发信机的 输入信号。由 于 信号 d ( t ) 往 往不 适合在传输媒体中 传送， 因 此， 必须由 发信机 将它转 换 成适 合 于 传 输媒体 传送的 发 送 信号9 ( t ) 。 当 该 信号通 过 传 输媒体 进行 传送时， 信号 将会受到来自 各种噪声源的干 扰， 从而引 起畸 变和失 真， 因而在接 收 端收 信 机收到的 信号 是r ( t ) ， 它 可能 不同 于发 送 信号s ( t ) 。 收 信 机 将依 据r ( t ) 和传输媒体的特性， 把r ( t ) 转换成输出数据d 或信号d ( t ) 。 当 然转 换后 的 数 据d 或信号d ( t ) 只是 输入 数 据d 或 信号d ( t ) 的 近似 值或 估计 值。最后，受信者将从输出数据d或信号d ( t ) 中识别出被交换的信息。 第1 0 页 电子科技大学硕士论文第二章数据通信概论 2 . 1 . 2 数据通信系统的基本构成 要实现数据通信， 通信设各必须成为由软硬件组合成的数据通信系 统。数据通信系统的有效性基于以下三个基本方面。 传递系统必须能将数据传递到正确的目的地，且只能 由所期望的设备或用户接收。 正确系统必须能正确地传递数据，在传输中被改变并 未被纠正的数据是无用的。 及时系统必须能及时将数据传递，迟到的数据是无效 的。及时传递意味着不失真地，按照数据创建时的相 同顺序，并没有很大延迟地送达目 的地。 一个典型数据通信系统的基本构成如图2 .2 所示。 数据通信发送方 称为信源，接收方称为信宿;连接信源和信宿的通道称为通信信道;为 了使计算机与终端设备之间能够正确地传递信息， 必须有一套关于信息 传输顺序、 信息格式和信息内容等方面的约定， 这一整套约定称为通信 协议。 数据 电路 接口 月一 一 目 一 一 叭 接 口 数据链路 图2 .2数据通信系统的基本构成 在图 2 .2中，信源/ 信宿通常是数据终端设备 ( d a t a t e r m i n a l e q u i p m e n t ， 简称为d t e ) ， 在数 据 通 信系统中 将完 成 对数 据的 发 送和 接收;通信控制器主要完成传输数据的控制规程，最常用的是 r s - 2 3 2 串口 规程; 数据通信设备 ( d a t a c o m m u n i c a t i o n s e q u ip m e n t ， 简称为 d c e ) ， 在数据通信系统中 既可以 是调制解调器， 也可以 是一个简单的 线路 驱动器。 数据电 路加上 传输控制规程就称为 数据链路。 本次课题涉 及到的数据通信主要指数据链路层和物理层的实现。 第1 1 页 电子科技大学硕士论文 第二章数据通信概论 互 2 . 2 数据的传输过程可能是单工、 数据传输 半双工或全双工的，在单工模式中， 通信是单向进行的， 一条链路的两个站点中只有一个可以 进行传输，另 一个只能接收; 在半双工模式中， 每个站点都可以发送和接收， 但不能 同时发送和接收，当 其中一个设备在发送时， 另一个只能接收; 在全双 工模式中， 两个站点同时都可以发送和接收， 两个方向的信号共享链路 带宽，要么链路具有两条物理上独立的传输路径，一条发送一条接收， 要么为同时传输两个方向的信号将信道带宽一分为二。 本次设计采用全 双工数据传输。 2 . 2 . 1 同步传输与异步传输 通过链路传输二进制数据可以采用并行传输或串行传输。 在并行传 输中，在每个时钟脉冲到来时多个比特同时发送。 在这种方式下，每个 比特都使用专用的线路， 传输n 个比 特需要n 条导线， 因此费用成本高， 但有传输速度的优势。在串行传输中，每个时钟脉冲只发送一个比 特， 串行传输又分同步传输和异步传输。 c 1 同步传输 在同步传输中比特流被组装成 “ 帧”，一帧包含许多个字节， 数据 被当作不间断的0 , 1 比 特流传输，而由 接收方来将比 特流分割成重建 信息所需的一个个字节。 因为没有间隙和起始( 1# 止位， 就没有比特流内 部的同步机制帮助接收端设备在处理比特流时调整比特同步， 所以时序 变的十分重要。同步通信方式要求通信双方以相同的速率进行，而且要 准确地协调， 它通过共享一个单个时钟或定时脉冲源以保证发送方和接 收方准确同步。其主要优点是速度快，常用于计算机间的数据传输。 ( 2 )异步传输 它与同步方式不同的是， 信息是以一种约定的模式来接收和翻译的， 只要遵照约定模式， 接收设备就可以 不理会信息发送的 节奏而能正 确获 取信息。 约定模式是基于将比特组成字节， 每一组比 特作为一个单位通 过链路传输。发送端单独处理每个组， 每处理完一个组就将其转发到链 路上，并不理会时钟信号。 因为没有同步脉冲， 接收方不可能通过计时方式来预测下一组比 特 何时到达。 因而为了 通知接收方有新的比 特组到达， 在每字节的开头都 要附加一个比特， 这个比特被称为起始位。 为了让接收方知道一个字节 已经结束，在每字节尾部还要加上一个或多个比特， 这个比特被称为停 止位。另外，每发送完一个字节可能还要跟上一段可变长的时间间隙， 第抢页 电子科技大学硕士论文 第二章数据通信概论 这段时间间隙通过信道空闲状态代表，或者通过附加的停止比特流代 表。 起始位、 停止位和间隙将一个字节的起始和终止提示给接收方， 使 得接收方可以 根据数据流进行同步。 当接收方检测到一个起始位后， 就 启动一个时钟，并随着到来的比 特开始计数，在接收完n 个比特后，接 收方就等待停止位到达， 当检测到停止位时， 接收方在下一个起始位到 达前忽略接收的所有信号。 相对于不需要控制信息的传输方式，异步传输由于加入了起始位、 停止位以及比特流间插入了间隙而显得慢一些。 但这种方式既便宜又有 效，使得在低速通信这一类情形下异步传输方式显得很有吸引力。 2 . 2 . 2 数据率与带宽之间的关系 ( 1 ) 比特率和波特率 比 特率和波特率是数据通信中常用的两个术语。比特率是每秒传 输的比特数，又叫信息速率;波特率又叫码元速率，用来表示每秒传 输的信号单元数， 其中信号单元由一些比 特所组成。 若码元速率为r s , 信息速率为r b ， 每个码元有n 种可能采用的符号， 则它们之间的关系 为 r b = r s lo g 2 n ( b / s ) 或r s = r b / lo g 2 n ( b a u d ) 信息速率用 b / s( 比特/ 秒)作单位;码元速率的单位为波特 ( b a u d )，故常称为波特率。 ( 2 ) 频带利用率 这是描述数据传输速率和带宽之间的关系的一个指标，它也是衡 量数据通信系统有效性的指标。 所谓频带利用率就是单位传输带宽所能 实现的传输速率. 对于无失真传输码元周期为t 的抽样序列时， 其奈奎 斯特带宽为1 / ( 2 t ) ， 因而 采用理想低通滤 波器冲激响 应作为接收波形 且抽样序列为二元信号时，其频带利用率为2 b / s / h z . 若抽样值序列为 n 元 信号， 则 频带 利用 率为2 1 o g 2 n b / s / h z 。 这是 在 抽样值 无失 真条 件下， 所能达到的最高频带利用率。 显然， 数据速率和带宽之间存在一种直接的关系，即信号传输的数 据速率越高，信号的带宽允许越大。反过来， 信号的带宽越大， 信号传 输的数据速率允许越高。 第1 3 页 电子科技大学硕士论 文 第二章 数据通信概论 2 .3 数据终端设备和数据通信设备接口 在数据通信中经常涉及到四个基本功能单元， 如图2 .3 所示。 两端 各 有一个 数据终 端设备 ( d a t a t e r m in a l e q u ip m e n t ，简 称为d t e ) ， 数 据通 信设备 ( d a t a c o m m u n i c a t i o n s e q u ip m e n t ， 简 称为d c e ) ， 这一 节 主要介绍数据终端设备和数据通信设备的功能及其接口。 数据终 端设备 数据电路 终接设备 数据电路 终接设备 数据终 端设备 图2 . 3 数据终端设备和数据电路终接设备 2 . 3 . 1 数据终端设备与数据通信设备 数据终端设备 ( d t e )产生数据，并连同必要的控制字符一起传送 给数据通信设备 ( d c e );数据通信设备 ( d c e )将信号转换成适用于 传输介质的形式并将它发送到网络链路中。 数据终端设备包括所有具有作为二进制数字数据源点或终点能力 的单元， 数据终端设备之间并不经常直接通信， 它们只产生或处理数据， 然而通信需要一种能 够用于传输的中间形式。 任何能够通过网络发送和 接收模拟或数字形式 数据的功能单元都是数据通 信设备( d c e ) ， 在 物 理层， 一个数据通信设备接收从数据终端设备中 产生的数据， 将它们转 换成相应信号，然后将这些信号发送到传输链路上。 在任何一个网 络中， 一个d t e 设备产生 数字数据并将它传送到d c e 设备， d c e设备将这些数据转化为可以 在传输媒体上传送的格式并将转 化后的信号发送给网络上另一个d c e设备。 第二个d c e设备从线路上 接收信号，将信号转化为与它相连的 d t e设备的可用格式，然后转发 信息。为实现这一通信，发送和接收的 d c e设备必须采用一样的编码 技术，这将在第三章的数字模拟编码中详细讨论。 2 . 3 . 2 接口标准 为定义d t e设备与d c e 设备之间的接口 发展了许多标准。 尽管它 们的解决方案不同， 但每种标准都提供了关于连接的机械、 电气和功能 第1 4 页 电子科技大学硕士论文 第二章数据通信概论 特性的 樟型. 存参与制宁d t e - d c e 标准有关的组织中，电子工业联合 会 ( e i a ) 和国际电信联盟电信标准化部 ( i t u - t ) 是wa 7 y d fx 13j e i 1m 将主要讨论e i a制定的e i a - 2 3 2 , e i a - 4 4 9 标准。 2 . 3 . 3 e i a - 2 3 2 接口 e i a 制定的一种重要的接口标准是e i a - 2 3 2 标准( 又叫r s - 2 3 2 标准) ， 它定义了d t e设备和d c e设备之间接口的机械、电气以及功能特性。 ( 1 ) 机械、电气特性 e i a - 2 3 2标准的机械规范规定接口是一端有d b - 2 5公连接头而另 一端有d b - 2 5母连接头的2 5 线电缆，电缆长度不可超过 1 5 米。一个 d b - 2 5 连接头是一个带有2 5 根针或是孔的插头. 每个针/ 孔都与一根有 特定功能的导线相连。 通过这种设计方式， e i a建立了d t e 设备与d c e 设备之间 2 5种独立交互操作的可能性，现在的实际应用中只用了很少 一部分， 但是该标准使将来引入新功能成为可能。 标准的电气规范规定了在d t e 设备与d c e 设备之间任何一个方向 上传输数据所采用的电压值和信号类型。e i a - 2 3 2规定所有数据必须以 双极性逻辑电平0 , 1 形式传输，编码采用非归零电平编码 ( n r z - l )， 其中输入的逻辑电平0 对应正电压( + 3 v 到+ 1 5 v ) ， 而1 对应负电压( - 3 v 到一 1 5 v )，电压一 3 v到+ 3 v之间属于不确定的。 输出的逻辑电 平是+ 5 v 到+ 1 5 v 和- 5 v 到一 1 5 v ，电压一 5 v 到+ 5 v 之间属于不确定的。 ( 2 )功能特性 e i a - 2 3 2 对d b - 2 5 连接头上每一根针功能都进行了 定义。 因为母连 接头就是公连接头的镜象， 所以公 连接头插头上1 号针的功能就是母连 接头i 号插孔的功能，依此类推。为实现全双工传输，每个传输功能在 反向 上必然存在一个镜象或是回 应功能。 e i a - 2 3 2 标准定义的 接口电 路 可分为4类:地、数据、控制和定时。所有的电路名称都是从d t e的 角度出发定义的。一般进行数据通信时所用到的引脚如表2 - 1 所示: 显然，d t e和d c e之间如果要正常通信，必须要3 根线:t x d. r x d和信号 地s g 。 但是在实际 数据通信中， 收 / 发双方有时会因为发送 数据速度比接收数据速度快从而出现接收数据 “ 超越错”， 所以 此时需 要一种控制数据流的方法， 即接收方可以 控制发送方的数据发送; 反之， 如果接收数据速度快于发送速度， 则可以略去该控制方法。 在异步串 行 通信中，该种控制数据流的方法称为握手 ( h a n d s h a k i n g ) 或流量控制 ( f l o w c o n t r o l )。流量控制具体可以分为硬件流控和软件流控。在本 次课题设计中， 流量控制既使用硬件流控又使用软件流控， 流控的实现 是难点之一。 第1 5 页 第二章 电子科技大学硕士论文 数据通信概论 表2 . 1 常用的 引脚信号名称 数据发送 数据接收 请求发送 信号方向 e i a - 2 3 2 信号线 简称 信号功能 dt e - - dc e d t e - dc e dt e - - dc e 内乙-，j 清除发送 d s r就绪 信号地 数据载波 检测 d t r就绪 振铃指示 dt e- - dc e dt e- - dc e j一ro dte-dce c t s ds r s g dcd dt e-dc e dte- dce dtr d t e 发送数据 d t e接收数据 d t e 通知d c e 请求发送数 据 d c e 切换到接收模式 d c e 准备就绪，可接收 公共信号地 d c e接收到远程载波，通 信链路建立 d t e准备就绪 通知d t e ，有远程呼叫 20一22 硬件流控是使用专门的握手信号线去控制数据的传输。 因此为了实 现硬件握手， 还必须增加一条传送握手信号的电 路。为了 控制 d t e发 送数据， d c e 使用c t s 信号 作为 流控信号去通知d t e 可发数据， 如果 通知d t e暂停发送， d c e置c t s 无效; 为了控制d c e发送数据， d t e 使用r t s 信号作为流控信号去通知d c e可发数据， 如果通知d c e暂停 发 送， d t e 置r t s 无效。同 时， 要使收/ 发双方的 数据收发正确， 还必 须设置d t r , d s r . 软件流控的原理与 硬件流控基本相同， 不同的是流控信号 通过数据 线t x d和r x d进行传输而不是在专门握手信号线上传送。这是因为软 件流控字符是由 特殊字符组成的数据， 因此传送这些字符必须使用数据 电路，而不是使用专门的握手电路。软件流控最常用的协议是 x o n i x o f f 协议， 该 协议主要 解决 通信双方处理速度不匹配的问题， 规 定发送x o f f表示暂停发送数据，发送x o n表示继续发送数据。实际 应用中，经常使用一个数据接收缓冲区。当接收缓冲区的数据达到高水 位时， 接收方发送一个x o f f 字符给发送方;当 接收缓冲区的数据下落 到低水位时，接收方向发送方发送x o n字符。 2 . 3 .4其他接口 标准 e i a - 2 3 2 对数据速率和电缆长 度 ( 信号有效传输距离)都有限制， 数据速率最大到2 0 k b p s ，电 缆 最长只能到1 5 米。 为满足需要更高 数据 速率和更远传输距离的要求， e i a和i t u - t还制定了附加的接口标准: e i a - 4 4 9 , e i a - 5 3 0以及 x . 2 1 0 第1 6 页 电子科技大学硕士论文 第二章数据通信概论 ( 1 )e i a - 4 4 9 标准 e i a - 4 4 9 标准的机械规范定义了两种连接头， 一种是3 7 针的d b 3 7 , 另一种是9 针的d b - 9 ,两种组合成一种4 6 针的配置。e i a - 4 4 9 的功能 规范给 d b - 3 7中连接头定义了与d b - 2 5类似的功能，这两者之间最大 的不同在于在d b - 3 7 中没有与辅助信道相关的功能。 因为辅助信道很少 用到，e i a - 4 4 9将这些功能分离出来单独用一个辅助的 9针连接头 ( d b - 9 ) 来提供这些功能， 通过这种方式， 需要辅助信道的系统也可以 方便地使用。 e i a - 4 4 9 采用另外两种标准来定义自己的电气规范， 它们是r s - 4 2 3 ( 对于非平衡线路)和r s - 4 2 2( 对于平衡线路)。 1 . r s - 4 2 3 标准: 非平衡模式 r s - 4 2 3 是一种非平衡电 路规范， 所规定的 数据速率( 可达i o m b p s ) 与传输距离比r s - 2 3 2要高。 它只为信号传播定义了一条线路，在该标 准中所有信号都要通过使用共回线 ( 或是地线) 来完成一次流程， 如图 2 .4所示。 逻辑 0 馨 簇簇鬓蒙珊照瑞 逻辑 1 拓+2-2-6 图2 .4 非平衡模式: r s - 4 2 3 非归零电平码 +6+4-4石 共回线 图2 . 5 r s - 4 2 2 平衡模式 2 . r s - 4 2 2 标准:平衡模式 r s - 4 2 2 是一种平衡电 路规范，它为每个信号传播定义了两条线路， 信号的返回仍然采用共回线方式，图2 . 5 给出了 概验图形和标准规范。 第1 7 页 电子科技大学硕士论文 第二章数据通信概论 在平衡模式中， 两条线路承载相同的传输， 但是它们并不传输相同的信 号。 在一条线路上的信号是另一条线路上信号的互补值， 此时接收方并 不监听其中任何一个实际的信号， 而是检测两个信号之间的差值。 这种 机制使的得平衡线路具有比 非平衡线路更好的抗噪声干扰能力， 并提高 7性能。 ( 2 ) e i a - 5 3 0 和 x . 2 1 标准 e i a - 4 4 9 标准提供了比e i a - 2 3 2 强得多的功能。 但是由于工业界早 己在 d b - 2 5连接头上进行了投资，导致大家不愿意接受标准所需要的 d b - 3 7连接头。因此，为了 促进新标准的应用， e i a研究了一种使用 d b - 2 5电缆的e i a - 4 4 9 标准版本:e i a - 5 3 0 标准。e i a - 5 3 0 标准的针脚 其实是e i a - 4 4 9 的所有i 类针 脚再加上i i 类针脚的三个回馈功能针脚。 而对于e i a - 2 3 2 中的针脚， 忽略了 振铃指示、 信号质量检测和数据信号 速率选择。 e i a - 5 3 0 不支持辅助传输线路。 x . 2 1 标准是 i t u - t制定的，它的目 的是为了解决 e i a接口中存在 的问题同时为完全的数字通信铺平道路。x . 2 1 标准撤消了e i a标准中 大多数控制线路，并将控制信息导向数据线路。为实现这种功能合并， d t e 设 备 和d c e 设备必须 增加可以 将控制码转换成可以 通过数据线路传 输的比特流的线路逻辑， 同时也都需要用于在接收时识别控制信息和数 据的附 加线路逻辑。 x . 2 1 标准定义了d b - 1 5 的 连接头，因此只使用较 少的针脚，就可用于数字化的远程通信。与e i a标准相比，x . 2 1 标准 除了提供比特同步之外还提供用于控制字节同步的时钟线， 增加字节时 钟脉冲，改进了整个传输的同步过程。 2 . 4数据通信u a r t - - a m8 5 c 3 0 为了 实现异步串 行通信， 要求p c 机串 行口 符合r s - 2 3 2 c标准， 并 按该标准进行信息控制和数据传输。 能够实现该功能的集成电 路通常称 为通用异步接收发送器 ( u a r t )。深入理解u a r t内部结构以及内 部 寄存器各位的含义， 详细了解数据的发送和接收过程， 有助于编写出高 效、 稳定的程序。 因此， 这一节将介绍本次设计所选用的通信控制芯片 u a r t - - a m8 5 c 3 0 的内部寄存器操作、中断控制以 及串行通信操作。 a m 8 5 c 3 0 是a md公司的z i l o g 系列产品， 采用c m o s 结构， 是 一种全双工双通道、多数据协议的数据通信控制器 ( s c c 。可以通过 软设置实现多种数据通信方式， 包括: 总线结构 ( 半/ 全双工)、 令牌环 ( s d l c环回模式)、星型结构。a m8 5 c 3 0可以 应用于多种数据通信 第1 8 页 电子科技大学硕士论文 第二章数据通信概论 协议下，包括:异步方式， 面向字符同步方式， 面向比 特同步方式。其 中面向 字符同 步方式有i b m的b i s y n c ，面向比 特同步方式有h d l c . s d l c 、扩展数据通信控制 ( a d c c p )等。 内波特率发生器、数字锁相环和一个晶振。 a m8 5 c 3 0内部包括一个片 在a m8 5 c 3 0 中， 对数据通信方式的软件设置都是通过读/ 写相关寄 存器来实现的， 同时采用中断通信方式进行实时数据收发。 因此，本节 将描述a m8 5 c 3 0 的寄存器控制和中断控制两方面内容。 2 . 4 . 1 寄存器控制 a m8 5 c 3 0的所有通信模式都是通过操作可写寄存器来实现的，同 时所有状态判断都是通过操作读寄存器来实现的。随着数据接收 / 发送， 读寄存器的值可能会发生变化， 这些变化能触发程序活动或内部硬件设 置变化。在a m 8 5 c 3 0 中共有2 个通信通道，每个通道都有一套自己的 寄存器集。由于所有的寄存器都没有自己 独立的地址， 即是说所有的寄 存器地址都是一样的，因此对寄存器的操作必须通过寄存器指针来完 成。 一般对寄存器的操作有两个步骤。 为了访问 特定的寄存器， 第一步 编程员必须向写寄存器 wr o设置正确的寄存器指针值，该寄存器指针 是由wr o 的d o -d 2 位决定的， 如果要访问的寄存器是wr 8 至wr 1 5 , 还要必须同 时 设置 命令 位( c o m m a n d , w r o 的d 3 - d 5 ) 为0 0 1 。当寄 存 器指针值设置好后， 下一个读 / 写周期到来时就可以 操纵要访问的寄存器 了， 而此时d i 引脚为 低电