2010《控制系统计算机接口技术》- Chapter 03 -Final.ppt

赵海文 河北工业大学机械工程学院2010 10 控制系统计算机接口技术 机械电子工程系 zhw 第3章串行通信及串行接口Chapter3TheSerialCommunicationandInterfaceofSerialCommunication 3 1概述3 2串行通信的基本概念3 3串行接口标准3 4PC机异步通信接口3 5异步接口通信应用 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 认识串行口 3 1概述 Introduction 一 串行口的应用 Modem 鼠标 绘图仪 中西文终端 打印机 单片机仿真系统 PLC编程系统 工业触摸屏 交流伺服电机控制 计算机在接收数据时 由串行接口一位一位地收发数据 当一帧数据传送完成后 由串行接口一次把数据 8位 送给处理器 CPU 当计算机发送数据时 由处理器 CPU 把数据 8位 传送给串行接口 再由串行接口通过一条线路 一位一位地把数据传送出去 二 特点 三 IEEE InstituteofElectricalandElectronicEngineer ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 串行通信应用实例 3 1概述 Introduction 1 RIRA IIROBOT ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 串行通信应用实例 3 1概述 Introduction 1 RIRA IIROBOT ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 串行通信应用实例 3 1概述 Introduction 2 CCY550 HEBUT CCY500直角坐标磁场检测机器人 电动驱动型 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 串行通信应用实例 3 1概述 Introduction 3 CBTS 1 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 串行通信应用实例 3 1概述 Introduction 3 CBTS 1 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 串行通信应用实例 3 1概述 Introduction 4 天津天士力集团中药滴丸包装生产线 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 串行通信应用实例 3 1概述 Introduction 5 印刷电路板雕刻机 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 串行通信应用实例 3 1概述 Introduction 6 WeldingRobot ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 串行通信应用实例 3 1概述 Introduction 7 PL 500A ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 串行通信应用实例 3 1概述 Introduction 8 PL 1000A ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 串行通信应用实例 3 1概述 Introduction 9 MedicalRobot ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 串行通信应用实例 3 1概述 Introduction 10 MTPL 2000生产线 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 串行通信应用实例 3 1概述 Introduction 11 预付费IC卡煤气表 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 串行通信应用实例 3 1概述 Introduction 12 小型热收缩包装机控制系统 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 3 2 1概述 3 2串口通信的基本概念 Introduction 1 异步通信 1 通信格式 图3 1异步串行通信数据格式 LeastSignificantBit 最低有效位 通常指bit0 MostSignificantBit最高位 数据字最左一位 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 3 2 1概述 3 2串口通信的基本概念 Introduction 1 异步通信 2 数据传送方式 图3 4串行通信数据传送方式 a 单工方式 b 半双工方式 c 全双工方式 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 3 2 1概述 3 2串口通信的基本概念 Introduction 1 异步通信 3 基本特点 a 在通信的数据流中 字符间异步 字符内部各位间同步 b 异步通信遵循起止式协议 4 电传打字机 TTY 规程 异步通信信息组成 波特率 是每秒钟传送的信息位的数量 1位起始位 逻辑 0 5 8位数据位 从数据的低位开始传送 靠时钟定位 0或1奇偶校验位 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 3 2 1概述 3 2串口通信的基本概念 Introduction 1 异步通信 3 电传打字机 TTY 规程 异步通信信息组成 停止位 逻辑 1 1位 1 5位 2位 空闲位 逻辑 1 在串行位流中以起始位和停止位将一个个字符区分 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 3 2 1概述 3 2串口通信的基本概念 Introduction 1 异步通信 应用实例 虚拟串口软件 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 3 2 1概述 3 2串口通信的基本概念 Introduction 1 异步通信 应用实例 串行口调试助手软件 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 3 2 1概述 3 2串口通信的基本概念 Introduction 1 异步通信 5 保证数据正确传输的两项措施 由于异步通信系统中接收器和发送器使用的是各自独立的控制时钟 尽管它们的频率力求选得相同 但实际上总不可能真正严格相同 两者的上下边沿不可避免地会出现一定的时间偏移 为了保证数据的正确传送 不致因收 发双方时钟的相对误差而导致接收端的采样错误 除了如上所述 采用相反极性的起始位和停止位 空闲位提供准确的时间基准外 通常还采取以下两项措施 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 3 1 1概述 3 2串口通信的基本概念 Introduction 1 异步通信 接收器在每位的中心采样 以获得最大的收 发时钟频率偏差容限 注 收 发双方时钟的偏差最多允许正负半个位周期 5 保证数据正确传输的两项措施 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 3 2 1概述 3 2串口通信的基本概念 Introduction 1 异步通信 接收器采用比传送波特率更高频率的时钟来控制采样时间 以提高采样的分辨能力和抗干扰能力 图3 2采样频率为16倍波特率时接收端采样过程 5 保证数据正确传输的两项措施 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 3 2 1概述 3 2串口通信的基本概念 Introduction 1 异步通信 思考题 MCS51系列单片机用方式1 一帧数据为10位 1个起始位 8个数据位 1个停止位 先低位后高位 串行通信时 试分析若用12MHz和11 0592MHz晶振实现波特率为9600和300串行通信时 对数据传输正确性的影响 5 保证数据正确传输的两项措施 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 3 2 1概述 3 2串口通信的基本概念 Introduction 1 异步通信 SMOD 串行口波特率系数控制位 SMOD 1时 波特率加倍 TH1 定时器T1的时间常数 一般选定时器工作方式2 波特率位9600时对应时间常数为0FDH 253 300时对应9FH 159 5 保证数据正确传输的两项措施 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 3 2 1概述 3 2串口通信的基本概念 Introduction 1 异步通信 1 波特率 9600时 2 波特率 300时 5 保证数据正确传输的两项措施 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 3 2 1概述 3 2串口通信的基本概念 Introduction 2 同步通信 1 数据格式 图3 3同步串行通信数据格式 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 3 2 1概述 3 2串口通信的基本概念 Introduction 2 同步通信 a 数据流中的字符与字符之间和字符内部的位与位之间都同步 b 同步串行通信是以数据块 字符块 为信息单位传送 而每帧信息包括成百上千个字符 c 这种通信方式对时钟同步要求非常严格 为此 收 发两端必须使用同一时钟来控制数据块传输中字符与字符和字符内部位与位之间的定时 d 同步通信利用同步字符来完成收发双方的同步 1 数据格式 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 3 2 1概述 3 2串口通信的基本概念 Introduction 2 同步通信 同步通信方式广泛应用于各种网络通信和载波通信中 适合通信距离较近的场合 异步通信 用于低速数据传输同步通信 用于高速数据传输 2 应用 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 3 2 2信号调制与解调 3 2串口通信的基本概念 Introduction 1 信号调制与解调原因 1 计算机的通信是数字通信 要求传送以 0 和 l 序列组成的数字信号 这种数字信号包含了从低频到高频的极其丰富的谐波信号 对它的传送要求传输线的频带很宽 2 在进行远程数据通信时 通信线路往往是借用现存的公用电话网 而电话网是为300 3400Hz间的音频模拟信号设计的 这对二进制数据的传输不适合 国际通信标准制定 3 如果让数字信号直接在传输线上传送 高次谐波的衰减就会很历害 从而使信号到了接收端后将发生严重畸变和失真 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 3 2 2信号调制与解调 3 2串口通信的基本概念 Introduction 2 串行通信距离 图3 5最大传输距离与波特率之关系曲线 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 3 2 2信号调制与解调 3 2串口通信的基本概念 Introduction 3 串行远程通信模式 图3 6远程通信示意图 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 3 2 2信号调制与解调 3 2串口通信的基本概念 Introduction 4 调制技术 1 调幅ASK AmplitudeShiftKeying 幅移键控 2 调频FSK FrequencyShiftKeying 频移键控 3 调相PSK PhaseShiftKeying 相移键控 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 3 2 2信号调制与解调 3 2串口通信的基本概念 Introduction 4 调制技术 调频FSK 调制原理 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 概述 3 3串口接口标准 通信系统 DTE 数据终端设备 DataTerminalEquipment DCE 数据通信设备 DateCommunicationEquipment ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 3 3 1RS232C标准 3 3串口接口标准 1 对RS232C标准的初步认识 1 RS 232C是异步串行通信中应用最广的标准总线 2 该标准的全称是EIA RS 232C标准 ElectronicIndustrialAssociate RecommendedStandard 232C 它是美国EIA 电子工业联合会 与BELL等公司一起开发和公布的通信协议 主要适合于数据传输速率在0 20Kb s范围内的通信 3 对串行通信接口的有关问题 如信号线功能 电气特性等都做了明确规定 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 3 3 1RS232C标准 3 3串口接口标准 1 对RS232C标准的初步认识 4 RS 232C标准最初是为了提供一种用公用电话网络来进行数据通信的技术规范 在电话交换系统的通信中应用最早 也应用最广 5 在这种系统中一般都是通过MODEM来实现DTE和DCE之间的连接 所以在RS 232C标准中都是以使用MODEM和电话线传输的情况来定义务信号线和描述其功能的 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 3 3 1RS232C标准 3 3串口接口标准 2 RS232C的接口信号 说明 RS 232C的接口连接采用标准的25芯接口 目前计算机上普遍采用9芯接口 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 3 3 1RS232C标准 3 3串口接口标准 3 RS232C的电气特性 1 等效电路 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 3 3 1RS232C标准 3 3串口接口标准 3 RS232C的电气特性 1 等效电路 空载时驱动器输出电平 V0 25V 输出短路电流 0 5A 空号 或逻辑 0 在驱动器输出端为 5V 15V 在负载端要求 3V 传号 或逻辑 1 在驱动器输出端为 5V 15V 在负载端要求 3V 负载电阻RL其值在3k 7k 之间 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 3 3 1RS232C标准 3 3串口接口标准 3 RS232C的电气特性 1 等效电路 负载电容 包括线间电容 CL其值 2500pF 终端开路电压EL 0时 5V VI 15V 驱动器输出电阻R0 300 在断电条件下测量 驱动器输出电容C0受如下限制 当驱动器的输出电压的转换速率 30V us 且转换范围下超过 3v时 C0大小应使这一转换时间小于lms或小于位周期的4 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 3 3 1RS232C标准 3 3串口接口标准 3 RS232C的电气特性 2 在应用中应注意的问题 应保证电平在 5 15 V之间 TXD RXD 1 MARK 3 15V 0 SPACE 3 15V RTS CTS DSR DTR及DCD等控制线 信号有效 接通 ON状态 正电压 3 15V 信号无效 断开 OFF状态 负电压 3 15V 必要时 需进行电平转换 必须抗共模干扰 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 3 3 1RS232C标准 3 3串口接口标准 3 RS232C的电气特性 3 关于电平转换 RS232C采用的负逻辑电平 与TTL电平不能兼容 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 3 3 1RS232C标准 3 3串口接口标准 3 RS232C的电气特性 3 关于电平转换 考察 画出一数据 0AAH 从PC机 RS232C标准 发送到8051单片机 TTL 的波形转换图 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 3 3 1RS232C标准 3 3串口接口标准 3 RS232C的电气特性 4 关于共模干扰与串模干扰 a 共模干扰是在电路输入端相对公共接地点同时出现的干扰 也称为共态干扰 对地干扰 纵向干扰 同向干扰等 共模干扰主要是由电源的地 放大器的地以及信号源的地之间的传输线上电压降造成 消除共模干扰的方法有以下几种 变压器隔离 光电隔离 浮地屏蔽 采用具有高共模抑制比的的仪表放大器作为输入放大器 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 3 3 1RS232C标准 3 3串口接口标准 3 RS232C的电气特性 4 关于共模干扰与串模干扰 b 串模干扰串模干扰就是指串联叠加在工作信号上的干扰 也称之为正态干扰 常态干扰 横向干扰等 消除串模干扰的方法有以下几种 在输入回路中接入模拟滤波器 使用双积分式A D转换器 采用双绞线作为信号线 电流传送 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 3 3 1RS232C标准 3 3串口接口标准 4 RS232C的机械特性 1 连接器 插头 插座 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 3 3 1RS232C标准 3 3串口接口标准 4 RS232C的机械特性 2 电缆长度 在波特率 20Kb s时 RS 232C所能直接连接的最大物理距离为15m 50ft 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之间的最大传输距离为15m 50ft 3 最大直接传输距离说明 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 3 3 1RS232C标准 3 3串口接口标准 4 RS232C的机械特性 3 最大直接传输距离说明 例 采用每0 3m 约lft 的电容值为40 50pF的普通非屏蔽多芯电缆做传输线 则传输电缆的长度 即传输距离为 说明 在码元畸变小于4 的要求下 使用特制的低电容电缆也能有效地提高电缆长度 可以达到150m 500ft 甚至更多 如果使用线路驱动 放大器 中继器 将能进一步扩展电缆长度 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 3 3 2RS 449与RS423 422 485 3 3串口接口标准 概述 1 RS 232C既是电气标准 也是物理接口标准 2 RS 449是物理接口标准 是美国标准 3 RS 423A RS 422A RS 485是电气标准 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 3 3 2RS 449与RS423 422 485 3 3串口接口标准 1 RS 232C的电气特点 缺点 1 RS 232C采用所谓单端驱动 单端接收的单端双极性电路标准 即当信号传输线上是 5V以下电平信号时为逻辑 1 5V以上电平信号时为逻辑 0 且仅用一条线路传输一种信号 2 对于多条信号线来讲 它们的地线是公共的 这种共地传输方式 抗干扰能力很差 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 3 3 2RS 449与RS423 422 485 3 3串口接口标准 1 RS 232C的电气特点 缺点 3 尽管采用电平转换器来提高信号传输电平 但在较长距离时 由于电压损失 仍不可避免这一故障 4 当信号穿过电磁干扰环境时 也可能因附加的干扰信号电平使发送的 0 变为 1 或 1 变为 0 故其信号波特率不能过高 仅限在20Kb s以下 且距离不大于15m ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 3 3 2RS 449与RS423 422 485 3 3串口接口标准 2 RS 423A的电气特点 1 采用所谓单端的 双极性电源电路标准 采用差分接收器 接收器的另一端接发送端的信号地 从而提高了传送距离和传送速率 2 以线宽衰耗达6dB计算 10Mb s速率的最大传输距离为15m 降到90Kb s以下 距离达1200m ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 3 3 2RS 449与RS423 422 485 3 3串口接口标准 3 RS 422A的电气特点 1 采用了一种平衡式传输 双端发送 双端接收 2 发送端 平衡发送器接收端 差动接收器 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 3 3 2RS 449与RS423 422 485 3 3串口接口标准 3 RS 422A的电气特点 3 两条传输线之间的电位差值决定逻辑电平 当AA 线的电平比BB 线的电平高200mV时表示逻辑 1 当AA 线的电平比BB 线的电干低200mV时表示逻辑 0 4 增强了抗共模干扰能力 5 传输距离最大达到1200m ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 3 3 2RS 449与RS423 422 485 3 3串口接口标准 4 RS 485A的特点 1 RS 485接口标准与RS 422A标准一样 也是一种平衡传输方式的串行接口标准 兼容RS 422A 并且扩展了RS 422A的功能 2 是一种多发送器的标准 两者的主要差别是 RS 422A标准只许电路中有一个发送器 而RS 485标准允许在电路中可有多个发送器 3 RS 485允许一个发送器驱动多个负载设备 负载设备可以是驱动发送器 接收器或收发器组合单元 4 共模抑制比高 抗干扰能力强 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 3 3 2RS 449与RS423 422 485 3 3串口接口标准 4 RS 485A的特点 5 采用双绞线 在不用MODEM的情况下 当100Kb s的传输速率时 可传送的距离为1 2km 若传输速率下降 则传送距离可以更远 6 能实现多点对多点的通信 RS 485允许平衡电缆上连接32个发送器 接收器对 7 应用范围广 尤其是在多点通信系统中 如工业集散分布系统 商业POS收款机和考勤机的联网中用得很多 是一个很有发展前途的串行通信接口标准 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 3 3 2RS 449与RS423 422 485 3 3串口接口标准 4 RS 485A的特点 8 绝大多数微机都是TTL电平 必须经过电平转换才能得到RS 485电平 a 自行设计电平转换电路 见教材 b 购买电平转换模块产品 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 3 3 3几种串行接口标准的比较 3 3串口接口标准 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation RIRA HEBUT 3 4PC机异步通信接口 1 地址译码电路2 电平转换电路 ResearchInstituteofRoboticsandAutomation R