（机械电子工程专业论文）串行总线接口仿真系统的研究.pdf

摘要 摘要 随着p c 机与串行通信技术的发展 很多公司都利用p c 机的r s 2 3 2 串口与外部的 各种设备连接 使p c 机能与设备进行数据的通信 监控或控制等操作 在实际生产中 为了不影响企业的工作进度 往往在设备购进之前就需要对与新设备或器件的连接的相 关设备进行开发 通信连接中如果没有了硬件的支持就很难实现调试的过程 这时需要 一个串行通信仿真系统来仿真模拟新设备或器件的通信 仿真系统可以模拟新进设备或 器件的通信状况与需要开发的设备进行连接与调试 还有一种情况是在两个设备或器件 进行串行通信失败时 无法判断错误出在哪里 调试仿真系统可以分别对每个设备或器 件进行通讯测试 找出问题出在哪并解决问题 所以串行通信仿真系统对于通信设备或 器件之间的连接和调试具有重要意义 本文的主要内容有两大部分 一个是通过在w i n d o w s 系统下用v i s u a lb a s i c6 0 设计的r s 4 8 5 串行通信软 件仿真系统 有m o d b u s 协议通讯和通用通讯两种 该软件的重点为m o d b u s 协议 的串行通讯规则的设计 软件分主机和从机两部分 这样与仿真软件通信的设备即可以 是主机也可以是从机 满足实际通信的需要 主机的任务是发送数据和接收从机发送来 的回应并判断对错 从机的任务是接收主机发送过来的数据 判断对错 再根据接收到 的数据确定发送的数据并将其发送回主机 本软件的设计主要用于设备之间的通信测 试 一个是s p i 串行接口仿真系统的设计 该部分主要以硬件为主 根据串行接口的特 点 充分利用了每个管脚的特性 用管脚模拟s p i 通讯的四条通讯线路 连接a d d a 转换器等带s p i 串行接口的硬件 同时以十位a d 转换器t l c l 5 4 9 和十二位a d 转换器 t l c 2 5 4 3 为例 详细介绍了硬件的设计 及其t l c l 5 4 9 相应的用v b 开发的软件 本 硬件的设计及思路主要用于器件之间的通信测试等 通过例子可举一反三 对教学等也 具有一定的意义 在设计了r s 4 8 5 串行通信测试软件之后 通过一个带r s 2 3 2 4 8 5 转换模块支持 m o d b u s 串行通信协议协议的某仪器仪表厂的一台温控仪表进行了通信测试 测试结 果是软件都能顺利的完成通信 满足通信要求 关键词 串行总线 r s 2 3 2 m o d b u s 协议 s p 大连交通大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i mt h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g yo fp cs e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o n m a n y c o m p a n i e su s er s 2 3 2o ft h ep ct oc o n n e c tw i t ho t h e re q u i p m e n t st oc o m m u n i c a t ew i t ho r c o n t r o lt h e m i np r a c t i c a lu s e f o rn o tt oi n f l u e n c et h ep r o g r e s s c o m p a n i e sa l w a y sh a v et o d e v e l o pt h ee q u i p m e n tb e f o r eb r i n gi nn e we q u i p m e n t so rc o m p o n e n t s i t sh a r dt or e a l i z e c o m m u n i c a t i o nw i t h o u th a r d w a r es u p p o r t s ow en e e das i m u l a t i o ns y s t e mo fs e r i a lp o r t c o m m u n i c a t i o nt oe m u l a t en e we q u i p m e n t so rc o m p o n e n t s t h ee m u l a t i o n a ls y s t e mc a n s i m u l a t i o nt h ec o m m u n i c a t i o ns t a t u st oc o n n e c ta n dd e b u gw i t he x p l o i t i v ee q u i p m e n to r c o m p o n e n t a n o t h e rp r o b l e mi s t h a tw h e nt w oe q u i p m e n t so rc o m p o n e n t sf a i lt os e r i a l c o m m u n i c a t i o na n dc a nn o td e c i d ew h i c hi sw r o n g d e b u gs i m u l a t i o ns y s t e mc a nt e s te a c h e q u i p m e n to rc o m p o n e n ta n df i n dt h ep r o b l e ma n ds o l v ei t s oi th a sa ni m p o r t a n tm e a n i n go f t h es e r i a ls i m u l a t i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e mt o t e s ta n dd e b u gt h ec o m m u n i c a t i o no ft h e s e e q u i p m e n t s t h e r ea r et w om a i np a r t so ft h ea r t i c l e o n ei st h ed e s i g no fr s 4 8 5s e r i a lc o m m u n i c a t i o nt e s t i n gs o f t w a r ei nt h eu s eo fv i s u a l b a s i c6 0i nt h ee n v i r o n m e n to fw i n d o w ss y s t e m i tc o n t a i n sb o t hm o d b u sc o m m u n i c a t i o n a n dc o m m o nc o m m u n i c a t i o n a n dt h em o d b u sc o m m u n i c a t i o ni si m p o r t a n ti nt h es o f t w a r e d e s i g n t h es o f t w a r ec o n t a i n so fh o s tf r a m ea n ds u b o r d i n a t ef r a m e a n dt h i sc a ns a t i s l yt h e p r a c t i c a lu s e 刃始t a s ko ft h eh o s tf r a m ei ss e n d i n gd a t aa n d 坊e nr e c e i v i n gd a t af r o m s u b o r d i n a t ef r a m ea n dj u d g i n gt h ed a t ai sr i g h to rw r o n g t h et a s ko ft h es u b o r d i n a t ef r a m ei s r e c e i v i n gt h ed a t as e n d i n gb yh o s tf r a m ea n dt h e ns e n d i n gc o r r e s p o n d e n c ed a t ab a s e do n r e c e i v i n gd a t a 1 1 1 es o f t w a r ei sm a i n l yu s e di nt e s t i n gt h ec o m m u n i c a t i o no fe q u i p m e n t s a n o t h e rd e s i g ni sc a l l e ds p is i m u l a t i o ns y s t e mo fs e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o n t h i sp a r ti s h a r d w a r ed e s i g n 1 1 1 ed e s i g nm a k e sf u l lu s go ft h ec h a r a c t e r so ft h ep i n so fs e r i a lp o r tt o s i m u l a t et h ef o u rl i n e so ft h es p ic o m m u n i c a t i o n a n dt h e nc o n n e c t i n gt h e mw i t ha d d a c o n v e r t e ro rs o m eo t h e rh a r d w a r et h a ts u p p o r t i n gs p is e r i a lp o r t a tt h es a m et i m e t h ea r t i c l e t a k e s10 b i ta dc o n v e r t e rt l c15 4 9a n d12 b i ta dc o n v e r t e rt l c 2 5 4 3f o re x a m p l et o d e s c r i b eh a r d w a r ed e s i g n si nd e t a i l a n dd e s i g n st h ec o r r e s p o n ds o f t w a r eo ft l c15 4 9i nt h e u s eo f 馏 砀ei d e a so ft h ed e s i g na r em a i n l yu s e di nt e s t i n gt h ec o m m u n i c a t i o no f c o m p o n e n t sa n da l s oh a v ei m p o r t a n tm e a n i n g si nt e a c h i n g a f t e rt h ed e s i g no fr s 4 8 5s e r i a lc o m m u n i c a t i o nt e s t i n gs o f t w a r e t h ea r t i c l eu e sa t e m p e r a t u r e c o n t r o la p p a r a t u so fac o m p a n yt h a ts u p p o r t i n gm o d b u sc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o la n d 晰mr s 2 3 2 4 8 5c o n v e r t e rt om a k es o m et e s t s t h er e s u l t i st h es o f t w a r ec a n f i n i s ht h ec o m m u n i c a t i o ns u c c e s s f u l l y k e yw o r d s s e r i a lb u s r s 2 3 2 m o d b u sp r o t o c o l s p i i l 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整塞通太堂有关保护知识产权及保 留 使用学位论文的规定 即 研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太董童通太堂 本人保证毕业离校后 发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整塞通太堂 学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档 允许论文被查 阅和借阅 本人授权太整銮通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所 中国学位论文全文数据库 等相关数据库 进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编学位论 又 保密的学位论文在解密后应遵守此规定 学位论文作者签名 奄易讽 日期 砷多年 月9 日 导师签名 日期 切分年多月幺日 学位论文作者毕业后去向 工作单位 唐山客车轨道责任有限公司电话 1 3 0 8 4 1 2 3 0 2 0 通讯地址 河北省唐山丰润区2 号邮编 0 6 4 0 0 0 电子信箱 1 2 1 9 3 7 2 4 0 1 6 3 c o r n 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外 论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果 也不包含为获得太整銮通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意 本人完全意识到本声明的法律效力 申请学位论文与资料若有不 实之处 由本人承担一切相关责任 学位论文作者签名 奄云氓 日期 郴年多月乒日 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀了匕 1 1 串行总线的发展 在工业控制过程中经常会用到串行总线进行通信 其中常用的串行总线有r s 2 3 2 r s 4 2 2 r s 4 8 5 s p i 总线 1 2 c 总线以及现场总线等 r s 2 3 2 是使用得最早最多的一种异步串行通信总线 它由美国电子工业协会 e l e c t r o n i ci n d u s t r i e sa s s o c i a t i o n 于1 9 6 2 年公布 于1 9 6 9 年最后一次修订而成 其中 r s 是r e c o m m e n d e ds t a n d a r d 的缩写 2 3 2 是该标准的标识 c 表示最后一次修订 r s 2 3 2 c 主要用来定义计算机系统的一些数据终端设备 d t e 和数据通信设备 d c e 之 间接口的电器特性 c r t 打印机与c p u 的通信大都采用r s 2 3 2 c 总线 由于大部分 单片机系列本身都有异步串行通信接口 因此单片机使用r s 2 3 2 c 串行总线更加方便 数据线t x d r x d 的电平使用负逻辑 低电平表示逻辑1 高电平表示逻辑0 其他控 制线均采用正逻辑 最高能承受 3 0 v 的信号电平 r s 2 3 2 虽然使用很广 但由于现代通信网络中已暴露出传送速度不够快 传送距 离不够远 电器性能不佳 接口处个信号间容易产生串扰等明显的缺点 e i a 对它做了 部分改进 于1 9 7 7 年制订出新标准r s 4 9 9 1 9 8 0 年它成为美国标准 与r s 4 4 9 一起 推出的还有r s 4 2 3 a 和r s 4 2 2 a 与r s 2 3 2 c 类似 r s 4 2 3 a 也是一种单端的 双 极性电源的电路标准 但它提高了传送设备的传送数据速率 在速率为1 0 0 0 b p s 时 距 离可达1 2 0 0 m 速率为1 0 0 k p s 时 距离可达9 0 m r s 4 2 3 a r s 一4 2 2 a 也是负逻辑控制且参考电平为地 但不同的是r s 2 3 2 c 规定 为 1 5 v 1 5 v 而这两个标准规定为 6 v 6 v r s 一4 2 2 a 规定了差分平衡的电器接 口 能够在较长距离传输时明显地提高数据传送速率 这种性能的改善源于平衡结构的 优点 这种差分平衡结构能够从地线的干扰中分离出有效信号 r s 4 2 3 a r s 4 2 2 一a 的 另一个优点是允许传送线上连接多个接收器 在r s 2 3 2 c 系统中可以使用多个接收器 循环工作 但它每一时刻只允许一个接收器工作 而r s 4 2 3 a r s 4 2 2 a 可允许1 0 个 以上接收器同时工作 在许多工业过程控中 广泛应用的是r s 4 8 5 它实际上是r s 4 2 2 总线的变型 区 别在于 r s 4 2 2 为全双工 而r s 4 8 5 为半双工 r s 4 2 2 采用两对平衡差分信号线 r s 4 8 5 只需其中的一对 r s 4 8 5 更适合多站互连 发展到现在可以达到一个发送驱动 最多可连接2 5 6 个负载设备 负载设备可以是被动发送器 接收器和收发器 大连交通大学工学硕士学位论文 s p i 是英语s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e 的缩写 顾名思义就是串行外围设备接口 是 一种高速同步串行口 3 4 线接口 收发独立 可同步进行 s p i 是m o t o r o l a 首先在其 m c 6 8 h c 碳系列处理器上定义的 s p i 接口主要应用在e e p r o m f l a s h 实时时钟 a d 转换器 还有数字信号处 理器和数字信号解码器之间 s p i 是一种高速的 全双工 同步的通信总线 并且在芯 片的管脚上只占用四根线 节约了芯片的管脚 同时为p c b 的布局上节省空间 提供 方便 正是出于这种简单易用的特性 现在越来越多的芯片集成了这种通信协议 比如 a t 9 1 r m 9 2 0 0 1 2 c 总线是p h i l i p s 公司推出的一种串行总线 它是具备多主机系统所需的包括总 线裁决和高低速设备同步等功能的高性能串行总线 是一种近年来应用较多的串行总 线 该总线只有两根信号线 一根是双向的数据线s d a 另一根是时钟线s c l 1 2 c 总 线支持所有的n m o s c m o s 1 2 c 工艺制造的器件 所有连接到1 2 c 总线上的设备的 串行数据都接到总线的s d a 上 而各设备的时钟均接到总线的s c l 上 在多主机系统 中 可能同时有几个主机企图启动总线传送数据 为了避免这种情况引起的混乱 保证 数据的可靠传送 任一时刻总线只能由某一台主机控制 为此 该总线需要通过总线裁 决过程 决定哪台主机控制总线 如果有两个或者两个以上的主机企图占用总线 一旦 一个主机送 1 而另一个 或多个 送 0 这个主机即退出总线竞争 除了上述串行总线外还有c a n 总线等 这些总线都有各自的优缺点 在实际的应 用中可根据实际的情况选择合适的串行总线进行传输 1 2 研究的必要性和意义 串行通信端口在系统控制的范畴中一直占据着极其重要的地位 随着时代的进步 应用也越来越广泛 r s 2 3 2 串行通信端口是每台计算机上的必要配备 与p c 机上的串 行口相连接 从而用p c 机对设备进行监控等控制也越来越多 近年来盛行的u s b 和 i e e e l 3 9 4 也属于串行通信的扩展 1 公司为了达到效益的最大化 缩短不必要中间的设备调试时间 经常会在购进 新设备或器件之前就会对与该设备相关联的设备器件等进行相对应的开发 以方便在新 设备或器件买进来之后可以直接使用 不影响公司的生产进度 而在新设备购进之前需要开发的设备通信连接及其调制的过程中没有了硬件的配 合和支持就很难实现 如果为此再购进用来调试的硬件 成本也会提高 2 在实际的工业串行通信中往往还会遇到各种各样的通讯的问题 比如 两个已 经开发出来的模块 这里所说的模块是指可以包括硬件和软件的结合体 或者是支持串 2 第一章绪论 行通信的各种各样的仪器仪表或者设备 这两者需要进行连接来实现工作需要 但是由 于各种原因两者无法进行正常通讯和连接 这个时候有以下几种可能 两个模块的通信都出现了问题 其中一个模块的通信出现了问题 导致另一个通讯正常的模块无法与之进行正 常通信 两个模块都没有通信问题 但是可能是因为两者的通信数据和参数以及通讯规 则的不同等差异从而导致通信的不正常 在这种情况下就需要一个除了这两个模块之外的一个串行通讯仿真工具来检验每 一个模块 具体看出每一个模块的通信数据和通讯参数等详细情况 并可以由此来判断 出是哪个模块出了问题 或能找出两个模块不能正常通信的原因 重点解决问题 本文中的r s 4 8 5 串行通信仿真系统的设计就可对设备进行仿真通讯 对设备之间的 通信问题有所帮助 该仿真系统可以模拟设备的通信状况 包括参数的设置 数据的发 送 校验位的计算 传输模式的转换等 本文中的s p i 串行通讯仿真系统的硬件的设计 通过p c 机的串行接口控制s p i 总 线通信 该设计主要是对器件间的通讯的调试起到作用 通过这一系列的模拟仿真与需要开发的设备进行连接与调试 实现了没有新进设备 硬件的支持也可以对原有的设备或器件进行开发的目的 1 3 本文的主要研究工作 本文要实现的就是根据串行通信的特点设计了两个串行总线仿真系统 r s 4 8 5 串行 通信仿真系统和s p i 串行通信仿真系统 1 r s 4 8 5 串行通信仿真系统作为一种串行通讯工具来实现检验串行通讯的功能 该通讯工具主要以软件为主体 软件部分以v b v i s u a lb a s i c6 o 为编程平台 利用r s 4 8 5 串行总线进行串行通信 系统的设计内容包括两大通讯部分 m o d b u s 串行通信协议通讯和通用通讯 为 了更全面的进行测试 编制了两套系统 主机系统和从机系统 每一套系统中都包含这 两大部分通讯方式 每一套系统都包含数据发送和数据接收两个部分 两个系统之间已 经经过测试 都可以进行正常串行通信 在m o d b u s 通信部分中 软件详细的编制了1 2 4 范围内的常用公共功能码的通 信格式 在这部分中 软件可以在使用者输入数据的同时 根据用户输入的数据自动调 整校验数据 在要发送的数据的正确位置上加上正确的c r c l 6 或l r c 校验 并会根据 大连交通大学工学硕士学位论文 r t u 和a s c i i 两种输入模式的不同自动改变成相应的校验方式 在通信过程中的软件 通过选择功能码 系统可以自动显示相应功能码的通讯格式 有些特殊的功能码可以根 据用户输入的数据 对其下面即将输入的其它数据进行实时的变化和调整 该部分的格 式等是严格按照m o d b u s 协议的格式而进行编制的 为用户提供了良好的通讯界面 使用户使用时减少了繁复的细节 通用通讯部分里面又分为两个部分 一部分是m o d b u s 协议更多数据的输入 这 部分是m o d b u s 协议的扩展 在前面协议中输入的内容有限 如果想输入更多的数据 则可以在这部分的文本框里接着前面协议中的内容继续添加数据 另一部分是自由格式 通讯 用户可以选择几种传输数据的内容 h e x 码 o 9 a f d e c 码 o 9 和a s c i i 码 校验方式有c r c l 6 校验 l r c 校验 s u m 校验和无需校验四种选择 2 s p i 串行通信仿真系统的设计 该部分主要是硬件的设计 根据p c 机上的r s 2 3 2 接口的引脚的特性 将r s 2 3 2 引脚与支持s p i 串行通信规则的外围设备进行连接 连接 的中间需要硬件的设计和调制 并以单通道1 0 位a d 转换器t l c l 5 4 9 和多通道1 2 位 a d 转换器t l c 2 5 4 3 为实例 对相应设计的硬件电路图进行了详细说明 同时又根据制 作出的t l c l 5 4 9 硬件电路为例 以v b 为平台设计了相应的软件 通过硬件的电压信号 的模拟量的输入 在p c 机上用软件显示s p i 串行通信的输入数据和串口数据通信过程 对串行s p i 通信进行仿真 在软件设计的同时用了某仪器仪表厂生产的支持r s 4 8 5 总线串行通信的温控仪表 对r s 4 8 5 串行通信仿真系统进行了四个功能码的五个通信功能的测试 并在文中列出了 通信的具体格式以及通讯情况 测试结果完全符合要求 在通信中 由于r s 2 3 2 总线协议只能挂接一个下位机 而r s 4 8 5 串行通信仿真软 件中设计的m o d u s 协议是在硬件的r s 4 8 5 总线下实现的 该标准可同时挂接2 5 6 个 单位负载 该总线是实际生产中最常用的一种总线 方便实用并且可以满足实际工业的 需要 所以与该软件的连接的设备都需要支持r s 4 8 5 总线的通信 如果原设备支持的是 r s 2 3 2 总线 在实际需要的情况下可以用r s 2 3 2 4 8 5 转换模块将之转换为r s 4 8 5 总线标 准 实现与软件与设备间的正常通信 本章小结 本章的主要内容为分别对串行总线的发展情况以及各种串行总线的特点及其通讯 方式进行了介绍 阐明了本文的研究的必要性和意义以及本文的主要研究工作 4 第二章串行通信接口 第二章串行通信接口 接口是c p u 与外界的连接部件 电路 是c p u 与外界进行信息交换的中转站 从广义上讲 接口技术是研究c p u 如何与外界进行最佳结合与匹配 将计算机系统中 的各种功能部件连接起来构成一个完整的 实用的计算机系统 并能实现与外界高速 可靠地交换信息的一门软硬件相结合的技术 是软硬件结合的体现 是微型计算机应用 的关键 关键的基本功能有 数据缓冲 信号转换 设备选择 中断管理和变成功能等 常见的接口有并行接口 串行接口 磁盘接口 u s b 口等 c p u 通过接口对外设进行控制的方式有 1 程序查询方式 c p u 通过i o 指令查询外设状态 若外设准备就绪 则进行数据交换 否则c p u 等待 循环查询 2 中断处理方式 外设备就绪 向c p u 发出服务请求 c p u 如果相应请求 则暂停当前程序的执行 转去执行于该请求相对应的服务程序 完成后 再去执行被中断的程序 3 d m a 直接存储器存取 方式 采用专门的硬件电路 d m a 控制器来控制内存与外设之间的数据交流 本文的系统选用的是串口通信方式和程序查询控制方式完成主机与从机的通信 计 算机的一种标准接口是串行口 现在的p c 机一般至少有两个硬件9 针串行口c o m l 和 c o m 2 串行通信指的是两个欲交换信息者的信息流动 而且其信息流动的方式是一个 位接着一个位 有顺序地由一个方向向另一个方向流动 2 2 1 串口通信相关概念 2 1 1 串行通信模式 1 单工模式 s i m p l e xm o d e 在这种方式中 只允许数据按一个固定的方向传送 如a 只能发送数据 称为发送 器 t r a n s f e r b 只能接收数据 叫做接收器 r e c e i v e r 而数据不能从b 向a 传送 2 半双工模式 h a l f d u p l e xm o d e 半双工方式下 数据既可以从a 传向b 也可以从b 向a 传输 因此 a b 既可 作为发送器 又可作为接收器 通常称为收发器 t r a n s c e i v e r 从这个意义上讲 这种 方式似乎为双向工作方式 但是由于a b 之间只有一根传输线 所以信号只能分时传 送 即在同一时刻 只能进行一个方向传送 不能双向同时传输 在这种工作方式下 大连交通大学工学硕士学位论文 要么a 发送 b 接收 要么b 发送 a 接收 当不工作时 令a b 均处于接收方式 以便随时响应对方的呼叫 3 全双工模式 f u l l d u p l e xm o d e 虽然半双工方式比单双工方式灵活 但它的效率依然比较低 主要原因是从发送方 式切换到接收方式需要一定的时间 大约为数毫秒 重复线路切换所引起的延迟积累时 间是相当可观的 另一方面 也是更重要的 就是在同一时刻只能工作在某一种方式下 这是半双工效率不高的根本原因所在 解决的方法是增加一条线 使a b 两段均可同 时工作在收发方式虽然对每个站来讲 都有发送器和接收器 但由于有两条传输线 用 不着收发切换 因而传送速率可成倍增长 全双工与半双工方式比较 虽然信号传送速度大增 但它的线路也要增加一条 因 此系统称本将增加 在实际应用中 特别是在异步通信中 大多数情况都采用半双工方 式 这样 虽然发送效率较低 但线路简单 实用 对于一般系统业基本够用 r s 2 3 2 上拥有两条特殊的线路 其信号标准电位是参考接地端所得到的 分别用于数据的发送 和接收 因此是全双工的模式 i 2 1 2 异步通信 串行通信还分为同步通信和异步通信 因为异步通信比较常用 所以在这里只介绍 异步通信 异步通信是指通信中两个字符之间的时间间隔是不固定的 而在一个字符内 各位的时间间隔是固定的 异步通信是字符的同步传输技术 在异步通信中 传输的数据以字符 c h a r a c t e r 为 单位 当发送一个字符代码时 字符前面要加一个 起始 信号 其长度为一位 极性 为 0 即空号 s p a c e 状态 规定在线路不传送数据时全部为 1 即传号 m a r k 状 态 字符后边要加一个 停止 信号 其长度为1 位 1 5 位或2 位 极性为 l 字 符本身的长度为5 8 位数据 视传输的数据格式而定 例如 当传送的数字 或字符 用a s c i i 码表示时 其长度为7 位 在某些传输中为了减少误码率 经常在数据之后还 加一位 校验位 由此可见 一个字符由起始位 o 开始 到停止位 1 结束 其长度 为7 1 2 位 起始位和停止位用来区分字符 传送时 字符可以连续发送 也可以断续 发送 不发送字符时线路保持 l 状态 字符发送的顺序为先低位后高位 从以上叙述可以看出 在异步通信中 每接收一个字符 接收方都要重新与发送主 同步一次 所以接收端的同步时钟信号并不需要严格地与发送方同步 只要它们在一个 字符的传输时间范围内能保持同步即可 这意味着时钟信号漂移的要求要比同步信号低 得多 硬件成本也要低的多 但是异步传送一个字符 要增加大约2 0 的附加信息位 6 第二章串行通信接口 所以传送效率比较低 异步通信方式简单可靠 也容易实现 故广泛的应用于各种微型 机系统中 纠o l 2 2r s 2 3 2 c 通信标准 2 2 1 串行接口的引脚 串口通信接口标准经过使用和发展 目前已经有多种 但都是在r s 2 3 2 标准的基础 上经改进而形成的 r s 2 3 2 c 标准是美国e i a 与b e l l 等公司一起开发并于1 9 6 9 年公 布的通信协议 它适合于数据传输速率在o 2 0 0 0 0 b i t s 范围内的通信 它最初是为远程 通信连接数据终端设备d t e d a t at e r m i n a le q u i p m e n t 与数据通信设备d c e d a t a c o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t 而制定的i 引 这个标准对串行通信接口的有关问题 如信号线 功能 电气特性都作了明确规定 由于通信设备厂商都生产与r s 2 3 2 c 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 它不仅已被内置于每一台计算机 同时也被内 置于从微控制器到主机的多种类型的计算机及其相连的设型2 1 计算机上的c o m l 串行 接口的连接器提供异步通信的9 个信号 引脚说明如表2 1 所示 表2 1 引脚编号及意义 t a b l e2 1p i n sn u m b e ra n ds i g i l i f i c a n c e 引脚简写意义 引脚1 c d 载波检测 c a r r i e rd e t e c t 引脚2 r x d 接收字符 r e c e i v e 引脚3t x d发送字符 t r a n s m i t 引脚4 d t r 数据端备妥 d a t at e r m i n a lr e a d y 引脚5g n d接地端 g r o u n d 引脚6 d s r 数据备妥 d a t as e tr e a d y 引脚7r t s 要求发送 r e q u e s tt os e n d 引脚8 c t s 清除以发送 c l e a rt os e n d 引脚9 r i 响铃检测 r i n gi n d i c a t o r r s 2 3 2 接口是目前最常用的一种串口通信接口 它的全名是 数据终端设备 d t e 和数据通信设备 d c e 之间串行二进制数据交换接口技术标准 该标准规定采用一个2 5 个脚的d b 2 5 连接器 对连接器的每个引脚的信号内容加以规定 还对各种信号的电平 加以规定 实际上r s 2 3 2 的2 5 条引线中有许多是很少使用的 在计算机与终端通信中 7 大连交通大学工学硕士学位论文 一般只使用3 9 条引线 2 5 针型也是早期计算机串口的针数 现在的计算机配置的串口 引脚普遍为9 针型 一些设备与p c 机连接的r s 2 3 2 接口 因为不使用对方的传送控制 信号 只需要三条线 即 发送数据 接收数据 和 信号地 2 1 9 针引脚1 9 针引脚2 1 c d 1 c d 2 r x d 2 r x d 3 t x d3 t x d 4 d t r 4 d t r 5 g n d5 g n d 6 d s r6 d s r 7 r t s 7 r t s 8 c t s8 c t s 9 i u 9 图2 1 引脚接线 f i g 2 1p i n sc o n n e c t i o n 2 2 2 电气特性 r s 2 3 2 c 对电气特性 逻辑电平和各种信号线功能都作了规定 在t x d 和r x d 数 据线上 逻辑1 3 15 v 逻辑0 3 1 5 v 在r t s c t s d s r d t r 和d c d 等控制线上 信号有效 接通 o n 状态 正电压 3 1 5 v 信号无效 断开 o f f 状态 负电压 3 1 5 v 以上规定说明了r s 2 3 2 c 标准对逻辑电平的定义 对于数据 逻辑 1 的电平低 于 3 v 逻辑 0 的电平高于 3 v 对于控制信号 接通状态 o 即信号有效的电平高 于 3 v 断开状态 o f f i l j 信号无效的电平低于 3 v 也就是当传输电平的绝对值大于3 v 时 电路可以有效地检查出来 介于 3 3 v 之间的电压无意义 低于 1 5 v 或高于 1 5 v 的电压也认为无意义 因此 实际工作时 应保证电平在 3 1 5 v 之间 一般采用 1 2 v t 3 1 以上所规定的各种信号传输的逻辑电平 称作e i a 电平 它与计算机采用的 t t l t r a n s i s t o r t r a n s i s t o rl o g i c 电平不兼容 r 丌l 标准是 用 5 v 表示逻辑 l 用 0 v 表示逻辑 0 因此 在r s 2 3 2 c 与计算机连接时 必须进行e i a 电平与t t l 电 8 第二章串行通信接口 平之间的转换 可用的电平转换芯片有m c l 4 8 8 m c l 4 8 9 和s n 7 5 1 5 0 s n 7 5 1 5 4 f 3 随着 芯片制作技术的提高前面所说的芯片已经被渐渐淘汰 又生产出更简单方便的1 v r l 2 3 2 电平转换芯片如m a x 2 3 2 等 该芯片供电简单 一个芯片就可完成双向转换 线空闲时状态为逻辑1 即低电平 1 2 v 起始位的接收标志着字符传输的开始 起 始位通常是逻辑o 即高电平 1 2 v 以当前的波特率发出 起始位后是8 个 有时少于 8 个 数据位 从最低为开始 最后发出一个或多个停止位逻辑1 即低电平 1 2 v r s 2 3 2 线中传输数据的格式如图2 2 所示 a o x 4 l 0 1 0 0 0 0 0 1 b 图2 2 通过r s 2 3 2 传输一个数 f i g 2 2o n ed a t a0 1 1r s 2 3 2 本章小结 本章主要叙述的内容有 了解了串口通信的三种模式 它们分别是单工模式 半双 工模式和全双工模式 同时还介绍了异步串行通信方式 以及详细介绍了r s 2 3 2 串行接 口的通信电气标准及其串行接口各个引脚意义 还有该串行接口在一般情况下的最基本 的通信方法 对串行总线通信及其接口有了一定的了解 9 大连交通大学t 学硕十学位论文 第三章r s 4 8 5 串行通信软件仿真系统的设计 本软件的设计是在v b 6 0 的平台上设计的 该软件的可视化特点使设计后的程序简 便易用 大大提高了用户友好度 该软件的通讯中分为两大部分 第一部分是m o d b u s 串行协议通讯 第二部分是通用通讯 第一部分是在m o d b u s 协议下 能进行串行通信 使p c 机能顺利的与外界的各 种带串口的设备进行通信测试 软件中对1 2 4 范围中常用的公共功能码的传输格式进 行了详细的编程 并可以在程序中自动进行相对应模式时的c r c l 6 校验和l r c 校验 为了满足更广泛范围的通讯 设计了第二部分的通用通讯部分 除了m o d b u s 协 议之外 有些用户喜欢自己设定通讯规则或者对原来的m o d b u s 协议规则有所改动 在该部分中输入的数据格式有 十进制 十六进制和a s c 码 在a s c 码格式下还可以 传输汉字或者英文等文本文件 校验方式有 c r c l 6 校验 l r c 校验和s u m 校验 在 该部分中用户可以任意选择组合传输格式和校验方式 为了更好的体现模拟传输过程 编制了两套软件 一套为主机使用的主机界面 主 机向从机发送数据 然后接收从机返回的数据 在该套软件中主界面的菜单选项中提供 帮助文件 以方便用户查询 另一套为从机使用的从机界面 即从机接收主机发送过来 的数据后返回相应的数据 在实际串行通信的应用中可以根据实际需要选择不同的界 面 每套界面也可以单独使用 主机界面可以单独与带串行通信仪器仪表等从机进行通 信 或一台主机控制多台从机时也可以 3 1 软件简介 3 1 1v ls u a lb a s ic6 o 软件介绍 自从w i n d o w s 操作系统兴起后 计算机的使用就大为改观了 一切操作都是在可 视操作系统中进行 窗口环境与以前的d o s 环境有很大差异 在概念上也大相径庭 在m i c r o s o f t 公司推出了v i s u a lb a s i c 后 使得窗口程序的设计难度大大降低 使用v i s u a l b a s i c 进行系统开发的人数也是直线增加 它给想设计窗口程序的程序员提供了非常简 单的途径i l j 实际上 不管使用哪一种程序语言 建立系统的过程是大同小异的 包括分析问题 设计系统 编写程序 验证程序4 个步骤 由于v i s u a lb a s i c 是一个窗口程序开发工具 因此虽然过程一样 但与以前的d o s 下的程序设计相比 在实际操作时就必须要考虑 一下几个问题 应给用户什么样的界面 用户如何操作 如何让用户和程序产生关联 如何进行程序设计 l j 1 0 第三章r s 4 8 5 串行通信软件仿真系统的设计 在使用v i s u a lb a s i c 设计窗口程序时 其设计的方向大约分成两个部分 即窗体设 计和程序编写 其中窗体设计与以前的程序设计大为不同 程序编写则和以前没什么差 异 这两个部分的顺序是先进行窗体设计 后进行程序编写 l v i s u a lb a s i c 是一个w i n d o w s 系统下流行的应用程序开发平台 其方便的界面设计 使程序员能节省大量时间 并把最大的精力集中在应用程序核心代码的编写上 v i s u a l b a s i c 目前已成为w i n d o w s9 x 2 0 0 0 系统下一种最高效灵活的主流开发工具之一 而调 用a p i 应用程序接口则正是对v i s u a lb a s i c 功能的强有力扩充 它使得v i s u a lb a s i c 能够 直接控制和处理p c 硬件资源 而不必依赖于m s d o s 系统服务 可以说 正是借助于 a p i 使得v i s u a lb a s i c 既能隐藏大部分w i n d o w s 编程的难点 同时又提供了使用w i n d o w s 环境的灵活性 4 j 因而在串行通信中使用调用a p i 接口的方法 是实现在v i s u a lb a s i c 中直接控制串 行1 2 1 硬件的简便可行的解决方案 4 1 3 1 2 关于串行控件m s c o m m m s c o m m 控件全称为m i c r o s o f tc o m m u n i c a t i o n sc o n t r o l 是m i c r o s o f t 公司提供的 简化w i n d o w s 下串行通信编程的a c t i v e x 控件 它为应用程序提供了通过串行接口收发 数据的简便方法1 4 i s m s c o m m 空间通过串行端口传输和接收数据 为应用程序提供串行通信功能 m s c o m m 控件提供下列两种处理通信的方式 1 事件驱动方式 事件驱动通信是处理串行端口交互作用的一种非常有效的方法 在许多情况下 在 事件发生时需要得到通知 在这种情况下 可以利用m s c o m m 控件的o n c o m m 事件捕 获并处理这些通信事件 o n c o m m 事件还可以检查和处理通信错误 以及所有通信事件 和通信错误的列表 4 2 查询方式 查询方式实质上还是事件驱动 但是在有些情况下 这种方式显得更为便捷 在程序 的每个关键功能之后 可以通过检查c o m m e v e n t 属性的值来查询事件和错误 如果应 用程序较小 这种方法可能是更可取的 4 m s c o m m 控件的主要属性和事件 c o m m p o r t 属性 设置并返回通信串口号 p o r t o p e n 属性 设置并返回通信端口的状态 s e r i n g s 属性 指定或返回波特率 奇偶性 数据位 终止位参数 大连交通大学工学硕士学位论文 i n p u t 属性 从接收