串行通信接口技术.ppt

第3章串行通信接口技术 第3章串行通信接口技术 IBM PC及其兼容机是目前应用较广泛的一种计算机 通常用它作为分布式测控系统的上位机 而单片微处理器和单片微控制器软硬件资源丰富 价格低 适合于作下位机 上位机与下位机一般采用串行通信技术 常用的有RS 232C接口及RS 422和RS 485接口 3 1串行通信基础3 1 1串行异步通信数据格式 无论是RS 232还是RS 485 均可采用串行异步收发数据格式 串行异步收发 UART 通信的数据格式如图3 1所示 图3 1串行异步通信数据格式有效数据位的个数可以规定为5 6 7或8 奇偶校验位视需要设定 紧跟其后的是停止位 逻辑1 高电平 其位数可在1 1 5 2中选择其一 3 1 2连接握手 连接握手过程是指发送者在发送一个数据块之前使用一个特定的握手信号来引起接收者的注意 表明要发送数据 接收者则通过握手信号回应发送者 说明它已经做好了接收数据的准备 连接握手可以通过软件 也可以通过硬件来实现 3 1 3确认 接收者为表明数据已经收到而向发送者回复信息的过程称为确认 3 1 4中断 中断是一个信号 它通知CPU有需要立即响应的任务 每个中断请求对应一个连接到中断源和中断控制器的信号 通过自动检测端口事件 发现中断并转入中断处理 许多串行端口采用硬件中断 硬件中断分为外部中断和内部中断 外部中断一般是指由计算机外设发出的中断请求 如 键盘中断 打印机中断 定时器中断等 外部中断是可以屏蔽的中断 也就是说 利用中断控制器可以屏蔽这些外部设备的中断请求 内部中断是指因硬件出错 如突然掉电 奇偶校验错等 或运算出错 除数为零 运算溢出 单步中断等 所引起的中断 内部中断是不可屏蔽的中断 3 1 5轮询 通过周期性地获取特征或信号来读取数据或发现是否有事件发生的工作过程称为轮询 3 1 6差错检验 数据通信中的接收者可以通过差错检验来判断所接收的数据是否正确 冗余数据校验 奇偶校验 校验和 循环冗余校验等都是串行通信中常用的差错检验方法 3 2RS 232C串行通信接口3 2 1RS 232C端子 RS 232C的连接插头用25针或9针的EIA连接插头座 其主要端子分配如表3 1所示 表3 1RS 232C主要端子 1 信号含义 1 从计算机到MODEM的信号DTR 数据终端 DTE 准备好 告诉MODEM计算机已接通电源 并准备好 RTS 请求发送 告诉MODEM现在要发送数据 2 从MODEM到计算机的信号DSR 数据设备 DCE 准备好 告诉计算机MODEM已接通电源 并准备好了 CTS 为发送清零 告诉计算机MODEM已作好了接收数据的准备 DCD 数据信号检测 告诉计算机MODEM已与对端的MODEM建立连接了 RI 振铃指示器 告诉计算机对端电话已在振铃了 3 数据信号TXD 发送数据 RXD 接收数据 RS 232 C标准接口 RS 232 C标准接口 2 电气特性RS 232C的电气线路连接方式如图3 2所示 p71由图可知 每个信号用一根导线 所有信号回路共用一根地线 速率20Kbps 距离15m 图3 2RS 232C的电气连接 RS 232C采用负逻辑 在数据线上 传号Mark 5 15V 逻辑 1 电平空号Space 5 15V 逻辑 0 电平在控制线上 通on 5 15V 逻辑 0 电平断off 5 15V 逻辑 1 电平 高低电平摆幅大 目的是增大噪声容限 提高抗噪声 抗传输线衰减的能力 3 2 2通信接口的连接当两台计算机经RS 232C口直接通信时 两台计算机之间的联络线可用图3 3和图3 4表示 图3 3使用MODEM信号的RS 232接口 图3 4不使用MODEM信号的RS 232C接口 3 2 3RS 232C电平转换器 为了实现采用 5V供电的TTL和CMOS通信接口电路能与RS 232C标准接口连接 必须进行串行口的输入 输出信号的电平转换 目前常用的电平转换器有MOTOROLA公司生产的MC1488驱动器 MC1489接收器 TI公司 德州仪器 的SN75188驱动器 SN75189接收器 美国MAXIM公司生产的单一 5V电源供电 多路RS 232驱动器 接收器 如MAX232A等 SN75196多路RS 232驱动器和接收器 MAX232A内部具有双充电泵电压变换器 把 5V变换成 10V 作为驱动器的电源 具有两路发送器及两路接收器 使用相当方便 引脚如图3 5所示 典型应用如图3 6所示 图3 5MAX232A引脚图 图3 6MAX232A典型应用单一 5V电源供电的RS 232C电平转换器还有TL232 ICL232等 3 3RS 485串行通信接口 由于RS 232C通信距离较近 当传输距离较远时 可采用RS 485串行通信接口 3 3 1RS 485接口标准 RS 485接口采用二线差分平衡传输 其信号定义如下 当采用 5V电源供电时 若差分电压信号为 2500 200mV时 为逻辑 0 若差分电压信号为 2500 200mV时 为逻辑 1 若差分电压信号为 200 200mV时 为高阻状态 图3 7差分平衡电路 其一根导线上的电压是另一根导线上的电压值取反 接收器的输入电压为这两根导线电压的差值 RS 485的差分平衡电路如图3 7所示 3 3 2RS 485收发器 RS 485收发器种类较多 如MAXIM公司的MAX485 TI公司的SN75LBC184 SN65LBC184 高速型SN65ALS1176等 它们的引脚是完全兼容的 其中SN65ALS1176主要用于高速应用场合 如PROFIBUS DP现场总线等 SN75LBC184 SN65LBC184为具有瞬变电压抑制的差分收发器 前者为商业级 后者为工业级产品 引脚如图3 8所示 图3 8SN75LBC184引脚图 3 3 3应用电路RS 485应用电路如图3 9所示 图3 9RS 485应用电路 3 3 4RS 485网络互联 利用RS 485接口可以使一个或者多个信号发送器与接收器互联 在多台计算机或带微控制器的设备之间实现远距离数据通信 形成分布式测控网络系统 1 RS 485的半双工通信方式在大多数应用条件下 RS 485的端口连接都采用半双工通信方式 有多个驱动器和接收器共享一条信号通路 图3 10为RS 485端口半双工连接的电路图 图3 10RS 485端口的半双工连接 第3章通用串行通信接口技术 3 3 4RS 485网络互连 2 RS 485的全双工连接尽管大多数RS 485的连接是半双工的 但是也可以形成全双工RS 485连接 图3 11表示两点之间的全双工RS 485连接 图3 11两个RS 485端口的全双工连接 3 4Modbus通信协议3 4 1概述 Modbus协议是应用于PLC或其他控制器上的一种通用语言 通过此协议 控制器之间 控制器通过网络 如以太网 和其他设备之间可以实现串行通信 该协议已经成为通用工业标准 采用Modbus协议 不同厂商生产的控制设备可以互连成工业网络 实现集中监控 标准的Modbus接口使用RS 232C兼容串行接口 它定义了连接器的引脚 电缆 信号位 传输波特率 奇偶校验 控制器能直接或通过调制解调器组网 RS 232C 3 4 2两种传输方式P78 控制器能设置为两种传输模式 ASCII或RTU 中的任何一种在标准的Modbus网络通信 用户选择想要的模式 包括串口参数 波特率 校验方式等 在配置每个控制器的时候 在一个Modbus网络上的所有设备都必须选择相同的传输模式和串口参数 ASCII 美国标准信息交换代码 模式如图3 13所示 RTU 远程终端单元 模式如图3 14所示 图3 13ASC 模式P78 图3 14RTU模式P79 3 4 3Modbus消息帧1 ASCII帧使用ASCII模式 消息以冒号 字符 ASCII码3AH 开始 以回车换行符 ASCII码0DH 0AH 结束 一个典型消息帧如图3 15所示 图3 15ASC 消息帧 2 RTU帧使用RTU模式 消息发送至少要以3 5个字符时间的停顿间隔开始 在网络波特率下设置多个字符时间 T1 T2 T3 T4 这是最容易实现的 在最后一个传输字符之后 一个至少3 5个字符时间的停顿标注了消息的结束 一个新的消息可在此停顿后开始 一个典型的消息帧如图3 16所示 图3 16RTU消息帧 消息帧的地址域包含两个字符 ASCII 或8bi RTU 允许的从设备地址是0 247 十进制 单个从设备的地址范围是1 247 主设备通过将从设备的地址放入消息中的地址域来选通从设备 当从设备发送响应消息时 它把自己的地址放入响应的地址域中 以便主设备知道是哪一个设备作出的响应 地址0用做广播地址 以使所有的从设备都能识别 3 地址域 第3章通用串行通信接口技术 3 4 3Modbus消息帧 4 功能域消息帧中的功能代码域包含了两个字符 ASCII 或8bit RTU 允许的代码范围是十进制的1 255 当消息从主设备发往从设备时 功能代码域将告知从设备需要执行哪些动作 例如 去读取输入的开关状态 读一组寄存器的数据内容 读从设备的诊断状态 允许调入 记录 校验在从设备中的程序等 当从设备响应时 它使用功能代码域来指示是正常响应 无误 还是有某种错误发生 称作异常响应 对正常响应 从设备仅响应相应的功能代码 对异常响应 从设备返回一个在正常功能代码的最高位置1的代码 例如 一主设备发往从设备的消息 内容是读一组保持寄存器 功能代码是 00000011 03H 对正常响应 从设备仅响应同样的功能代码 对异常响应 从设备返回10000011 83H 然后 从设备将一特殊代码放到响应消息的数据域中 告诉主设备发生了什么错误 主设备应用程序得到异常的响应后 典型的处理过程是从发消息 或者诊断报告操作员 5 数据域数据域是由两位十六进制数构成的 范围为00H FFH 根据网络传输模式 这可以是由一对ASCII字符组成或由一RTU字符组成 主设备发给从设备消息的数据域包含附加的信息 从设备必须采用该信息执行由功能代码所定义的动作 6 错误检测域标准的Modbus网络有两种错误检测方法 错误检测域的内容与所选的传输模式有关 1 ASCII当选用ASCII模式作字符帧 错误检测域包含两个ASCII字符 这是使用LRC 纵向冗余检测 方法对消息内容计算得出的 不包括开始的冒号符及回车换行符 LRC字符附加在回车换行符前面 2 RTU当选用RTU模式作字符帧 错误检测域包含一16bit值 用两个8位的字符来实现 错误检测域的内容是通过对消息内容进行循环冗余检测方法得出的 CRC域附加在消息的最后 添加时先是低字节然后是高字节 故CRC的高位字节是发送消息的最后一个字节 3 4 4错误检测方法 1 奇偶校验用户可以配置控制器是奇校验还是偶校验 或无校