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网络化控制系统 现场总线技术之第2章串行通信与串行通信接口 清华大学自动化系yangxh 阳宪惠 串行通信 数据通信两点或多点之间借助某种传输介质进行信息交换的过程串行通信数据流从源节点依次逐位历经传输介质到达目的节点的传输过程通过信号传输来传递数字信息 串行通信的几个环节 数据编码将数据转换为通信的传输信号数据成帧将数据按规定格式排列 加载通信必须的起始 同步 结束标志 源地址 目的地址等 形成通信帧串行化将以字节为单位的并行数据按规则排列成位串发送数据流逐位通过发送器接口在传输介质上形成传输信号传输信号流历经传输介质从源节点到达目的节点的接收信号流经传输被连接在传输介质上的接收器接收数据还原接收信号经解码 反串行化 由接收者还原出被传输的数据差错控制出错检测 差错纠正 数据编码与编码波形 按某种规则将要传输的数据转换为相应信号过程被称为通信编码通过编码将数据转换成适合于传输的物理信号采用用模拟信号的不同幅度 不同频率 不同相位来表达数据的0 1状态的 称为摸拟数据编码 用矩形脉冲信号的高低电平来表达数据的0 1状态的 称为数字数据编码 模拟数据编码 模拟数据编码采用模拟信号来表达数据的0 1状态 信号的幅度 频率 相位是描述模拟信号的参数幅值键控 ASKAmplitude SheftKeying 又称键控调幅频移键控 FSKFrequency SheftKeying 又称键控调频相移键控 PSKPhase SheftKeying 又称键控调相几种模拟数据编码的波形 数字数据编码波形 单极性码信号电平是单极性 如逻辑1用高电平 逻辑0为0电平的信号表达方式 双极性码信号电平为正 负两种极性的如逻辑1用正电平 逻辑0为负电平的信号表达方式归零码 RZ 在每一位二进制信息传输之后均返回零电平的编码双极性归零码的逻辑1只在该码元时间中的某段 如码元时间的一半 维持高电平后就回复到零电平 逻辑0只在该码元时间的一半维持负电平后也回复到零电平非归零码 NRZ 在整个码元时间内都维持有效电平的编码方式 a单极性非归零码c双极性非归零码b单极性归零码d双极性归零码单 双极性的归零码和非归零码 曼彻斯特编码 ManchesterEncoding 曼彻斯特编码规则把时间划分为等间隔的小段其中每小段代表一个比特 位bit 每个比特时间又被分为两半 前半段所传信号是该时间段比特值的反码 后半段传送的是该比特值本身 从高电平跳变到低电平表示0 从低电平跳变到高电平表示1 特点 其波形 时钟周期 中间点总有一次信号电平的变化 因而具有可用于时钟同步的内在信息信号本身携带有同步信息 无需另外传送同步信号 曼彻斯特编码的相关波形 数据波形时钟波形M编码波形 双相L曼彻斯特编码 ManchesterBiphase L 双相L曼彻斯特编码是曼彻斯特编码的一种变形码从高电平跳变到低电平表示1 从低电平跳变到高电平表示0双相L曼彻斯特编码是标准曼彻斯特编码的反码 差分码 用时钟周期起点电平的变化与否代表数据 1 0 状态的编码如用时钟周期起点电平变化代表 1 不变化代表 0 差分码按初始状态为高电平或低电平 有相位截然相反两种波形 差分曼彻斯特编码既具有差分码的特点 又具有曼彻斯特编码的特点时钟周期起点电平的变化与否代表数据的 1 0 状态 即差分码的特点时钟周期的中间点电平跳变一次 即曼彻斯特编码的特点 基带编码信号不经过任何调制处理 编码信号基本保持数据波原样的 称为基带编码信号编码信号基本保持数据信号的原有频率曼彻斯特编码信号为典型的基带编码信号载波调制信号通信信号需经过调制处理由调制器产生一定频率的载波信号依照数据内容 1 0状态 和调制规则改变载波信号的幅值 相位载波信号在加载数据后形成载波调制信号载波信号与数据信号的频率无关 相互独立 如ZigBee通信中以2 4G的高频载波信号承载传输速率为10 250Kbps的数据 画出数据序列01101011的 数据波形时钟波形L Manchester编码波形双向L Manchester编码波形差分Manchester编码波形 数据的串行 并行转换 数据的串行化现场设备或计算机中的数据信息一般由数据块或多个数据字节组成 而1个字节通常由8 16 32 64个数据位组成例如一个通信数据由10个8位字节构成按规定的排列顺序 例如由高位到低位排列 将多个字节中并列的数据位全部排成一个数据串 被称为串行化将10个8位字节的数据排列成80个数据位的数据位流发送者依次逐位发送该串数据 形成数据位流发送者按一定的约定规则 将多个字节中的按字节并列的数据位全部排成一个单列的数据位串 数据的反串行化接收者将逐位接收到的数据位流 并按照预先规定好的 与发送者相同的 排列规则 还原出数据的原有形态 即多个数据字节 的过程 被称为反串行化数据的串行化与反串行化也被称为数据的串行 并行转换 单字节数据的报文帧 数据报文的帧结构 起始 位 帧头 数据 位 停止 位 帧尾 起始 位 帧头 通知接收方有数据到达给接收者一段准备接收数据 缓存数据和做出其它响应所需要的时间可设置一个或多个起始字节作为帧头 停止 位 帧尾 告知接收方本次传输过程的终止可设置一个或其他规定字节作为帧尾 单字节数据的报文帧 单字节数据的通信帧结构 多字节数据报文帧的结构 通信的连接与确认 连接握手从发出连接请求到确认收发双方已经建立了连接关系的过程通信伙伴双方已经做好准备 可以进入数据收发的状态可以通过软件和硬件来实现 硬件连接握手接收者在准备好了后将相应的端口线带入到某个规定的电平状态 如高电平发送者从串行接口监测到这个信号的电平变化 便开始发送数据接收者可以在任何时候将这根端口线带入到低电平 当发送者检测到这个低电平 就停止发送 软件连接握手发送者通过发送一个特定字节表明它想要发送数据接收者看到这个字节的时候 也发送一个编码来声明自己可以接收数据当发送者看到这个信息时就知道它已完成连接 可以发送数据了接收者还可以通过一个另外的编码来告诉发送者停止发送 确认接收者向发送者发送一个回复信息 表明数据已经正确收到 这个过程称为确认 确认报文可以是一个的特别定义的报文 例如标识接收者地址或编号 表明哪个接收者已正确接收报文发送方根据是否接收到确认报文 采取相应的措施 或结束本次通信 或重发 或开始下一个通信过程 中断请求与处理 中断请求 中断是用于通知CPU有任务需要立即响应的一个信号中断处理 中断响应服务程序用于在中断发生时执行所期望的相应操作中断请求按事件驱动发生硬件中断一个软件缓存的计数器到达了一个触发值节点可以通过中断请求与处理进入串行通信处理过程 串行通信的中断请求与处理 串行通信的中断请求将串口的串行通信中断请求信号连接到中断控制器在要求进行串行通信时 由串口将相应的端口置位CPU通过自动检测端口事件 发现串口的串行通信中断请求串行通信的中断处理此时转入的中断处理程序即串行通信的处理程序处理正常的通信过程处理在发送 接收过程的非正常状态通信中发生了异常事件 需要根据状态变化停止执行现行程序而转向与状态变化相适应的应用程序 轮询 CPU通过周期性地主动探询各外部端口是否有事件发生工作过程称为轮询主节点周期性地主动探询各从节点 与从节点交换数据的过程也称为轮询轮询的频率决定了对事件的反应快慢在计算机或PLC控制器等通过串口与I O之间传输数据时通常会采用轮询 串行通信接口通信接口规范EIA232 EIA 232数据通信的特点信号传输距离最大15米数据的最大传送速率在20Kbps只适合于两台设备之间的数据传输EIA 232的信号电平采用负逻辑以 5V 15V电平表示逻辑 1 以 5V 15V表示逻辑 0 端口连线 通信节点间端口直接连接 无Modem DB 9连接器 DB 9连接器的外形与管脚排列 通信接口规范EIA485 EIA485的特点用于通信节点多 位置分散 通信距离远 要求采用最少的连线完成的通信任务允许一对线路上连接多达32个发送器和接收器2根连线实现多节点互连连接可以是半双工的 也可以上全双工的规范了数据收发的平衡差分电路没有规定数据链路协议 时钟需求没有规定连接器使用方便 价格便宜 485节点的半双工连接 EIA 485与EIA 232主要技术参数比较 通信接口规范通用串行总线USB 即插即用的计算机外设扩展总线 用于实现低成本的即插即用连接USB2 0数据传输速率可达480Mbps 兼容USB1 1版本 USB1 1的传输速率为12Mbps或1 5Mbps 最多可连接127台设备 包括根集线器 得到很多操作系统的支持 USB的两种连接器外形A型通常在PC机上使用 B型则多出现在可与PC连接的多种小型设备上 A型 B型 通信接口规范快速外设总线标准IEEE 1394 数据传输速度快标准中允许1 6和3 2Gbps的传输速率1394a传输速率可达400Mbps 采用4或6针接头 1394b传输速率可达800Mbps 采用9针接头 可连接63台外部设备 采用菊花链式连接 价格较USB贵 差错控制 差错控制指为提高通信传输质量而提出的有效检测错误并进行纠正的方法差错控制的主要目的是减少通信传输错误 差错检测使报文中包含差错冗余信息 接收端通过检查冗余信息发现通信错误不判断是哪一位出错 也不纠正传输中的差错差错检测原理简单 实现容易 编码与解码速度快在工业数据通信中得到广泛使用 差错纠正使报文中带有足够的冗余信息 以便接收端能发现并自动纠正传输错误 差错纠正在功能上优于差错检测 但实现复杂 造价高 传输差错的类型 传输差错的产生数据传输过程受到电磁辐射等多种干扰 影响到数据波形的幅值 相位或时序干扰影响了对接收数据中任何一位 0 1状态 的辨认 就会影响数据的数值或含义 称传输过程出现了差错传输差错的分类按单位数据域内发生差错的数据位个数及其分布 划分为单比特错误多比特错误突发错误 单比特错误在单位数据域内只有1个数据位出错的情况单比特错误比较容易发生 也比较容易被检测和纠正多比特错误在单位数据域内有1个以上不连续的数据位出错的情况 称为多比特错误突发错误在单位数据域内有2个或2个以上连续的数据位出错多个数据位连续出错 是突发错误区别于多比特错误的主要特征 差错检测 差错检测的含义根据接收端接收到的冗余信息特征 判断报文在传输中是否出错的过程 称为差错检测 只能判断是否出错 不能确定哪个或哪些位出现了错误 也不能纠正传输中的差错 差错检测的方法奇偶校验求和校验纵向冗余校验LRC循环冗余校验CRCCRC在现场总线系统中被广泛采用 奇偶校验 校验方法在每个单位数据域 如字符 中加上一个单一的校验位 奇偶校验位 使得包括该校验位在内的各单位数据域中1的个数是偶数 偶校验 或者是奇数 奇校验 奇偶校验的特点方法简单 检验效率高可以检测出所有单比特错误但也有可能漏掉许多错误 对7位数据进行奇偶校验时的部分校验位 求和校验 校验方法在发送端将数据分为k段 每段均为等长的n比特将分段1与分段2做求和操作 再逐一与分段3至k做求和操作 得到长度为n比特的求和结果将该结果取反后作为校验和放在数据块后面 与数据块一起发送到接收端在接收端对接收到的 包括校验和在内的所有k 1段数据求和如果结果为零 就认为传输过程没有错误 所传数据正确如果结果不为零 则表明发生了错误 求和校验能检测出95 的错误比奇偶校验方法的计算量大 纵向冗余校验LRC 校验方法按预定的数量将多个单位数据域组成一个数据块每个单位数据域各自采用奇偶校验 得到各单位数据域的冗余校验位再将各单位数据域的对应位分别作奇偶校验如对所有单位数据域的第1位作奇偶校验 对所有单位数据域的第2位作奇偶校验 等等将上述所有位置进行奇偶校验得到的冗余校验位组成一个新的数据单元 附加在数据块的最后一同发送出去接收端采用相同的校验方法 在对接收到的数据进行校验如果发现任一个冗余校验位出现差错 包括单位数据域的冗余校验位 新的数据单元的某位 则认为该数据块的传输出错 纵向冗余校验LRC的特点提高了发现多比特错误和突发错误的可能性可能的漏检如在某个单位数据域内有两个数据位出现传输错误 而另一个单位数据域内相同位置碰巧也有两个数据位出现传输错误 纵向冗余校验的结果会认为没有错误 循环冗余校验CRCCyclicRedundancyCheck 校验方法把要发送的数据描述成一个多项式 x 的位序列 x 的各项系数为数据序列的0 1状态用预先约定的生成多项式G x 去除 x 求得一个余数多项式R x 将余数多项式加到数据多项式之后发送接收端用同样的生成多项式G x 去除接收数据多项式 x 得到余数多项式如果计算得到的余数多项式与接收到的余数多项式相同 则表示传输无差错如果计算余数多项式不等于接收余数多项式 则表示传输有差错 的计算规则 减法不借位 加法不进位的异或操作 校验的工作流程 CRC校验的特点能检测出约99 95 的错误与前几种方法相比 其计算量大实现CRC校验的几种生成多项式G x CRC 12G x x12 x11 x3 x2 x 1CRC 16G x x16 x15 x2 1CRC CCITTG x x16 x12 x5 1CRC 32G x x32 x26 x23 x22 x16 x12 x11 x10 x8 x7 x5 x4 x2 x 1 生成一个CRC的过程 如果LSB为1 将CRC寄存器与多项式值0 xA001 1010000000000001 异或 e 重复步骤c 和d 直到完成8次移位 在完成这个操作之后 即完成了对一个完整的8位字节的处理 f 对报文的下一个8位字节重复步骤b 至e 继续进行这种操作 直到处理报文中所有字节为止 CRC 16的计算过程框图XOR 异或N 信息位的数量POLY 计算CRC16的多项式 差错的纠正 两种常用的纠错方法 自动重传当检测到一个错误时 接收端自动请求重新传输技术简单 但确认 重发过程可能造成通信障碍前向差错纠正在接收端检测和纠正差错 无需请求重发将一些额外的位按照某种方式进行编码 加入到通信数据中 根据这些位的状态可检测到一定数量的错误并进行纠正 增加这些额外的位增加了通信开支 同时也增加了计算量海明 R W Hamming 码常用于前向差错纠正 海明码纠错 海明码的编码规则发送端根据要传输的数据单元的长度 确定冗余位的个数 确定各冗余位在数据单元中的位置 计算出各冗余校验位的值排列成包含冗余校验位的数据序列 按此序列发送接收端按与发送方相同的方法 计算出接收数据的冗余校验位 排列成包含冗余校验位的数据序列将按计算结果排列出的数据序列与接收到的数据序列比较 判断传输过程是否有错 是哪一位出错 并将出错位取反 以纠正该错误 确定纠正单比特错误所需的冗余位数设纠正单比特错误需增加的冗余位数为r r应满足 2r m r 1 m为数据单元的长度如7位的ASCII码 m为7 取r为4可满足上式 且r为4是满足上式的最小取值要纠正7位ASCII码中的1位错误 需要增加4个冗余位 冗余位的定位将4个冗余位分别编号为R1 R2 R3 R4按海明码的编码规则 这4个冗余位应分别插到数据单元的20 21 22 23位置上 即R1 R2 R3 R4将被分别插入到数据单元的D1 D2 D4 D8的位置上 各冗余位在11位海明码中的位置 各冗余位取值的计算海明码的每个冗余位的值都是一组数据的奇偶校验位 冗余比特位R1 R2 R3 R4分别是4组不同数据位的奇偶校验位 采用二进制数据来表示海明码11个数据位数有0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011这11种情况对这11种情况中位数最低位为1的位置进行偶校验 即对0001 0011 0101 0111 1001 1011这6个数据位做偶校验 得到的偶校验码为R1的值即R1为对从低位数起的第1 3 5 7 9 11这6位作偶校验而