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串行通信基础知识MOXA产品知识 Preparedby 彭洪波Date 9 10 2009 Confidential 议程 串行通信基础知识MOXA产品知识 Confidential 串行通信基础知识 Confidential 串口信号串口流控串口效能串口保护 串行通信基础知识 Confidential 串口信号 RS 232RS 422 485 Confidential 串行通信的基本概念 串行通信资料是一个bit一个bit地送出 且每个bit表示不是0就是1 1bit Confidential 并行通信的基本概念 一次发送和接收多个Bit 传输一次就可以完成一个Byte的容量 传输的效率高 12345678 12345678 Confidential 串行通信VS并行通信 Confidential 起始位 总是 1 数据位 5 6 7 8位校验 None Odd Even Space Mark停止位 1 1 5 数据位 5 2位数据帧长度如果N 8 1 数据帧长度为10位如果E 7 2 数据帧长度为10位 串行通讯数据格式 Confidential RS232 由电子工业协会 EIA 制订并发布工业标准 RS 232标准在1962年发布 保证不同厂家产品之间的兼容 RS 232 C接口 又称EIARS 232 C 是目前最常用的一种串行通讯接口 RS 232作用 在串行通讯时 要求通讯双方都采用统一的标准接口 使不同的设备进行通讯 Confidential RS 232 C发展 用于串行通讯的标准 规定采用一个25个脚的DB 25连接器对连接器的每个引脚的信号加以规定对各种信号的电平加以规定 IBM将RS232简化成了DB 9连接器工业控制的RS 232一般只使用RXD TXD GND三条线 DB25 DB9 Confidential 电气特性 逻辑电平 EIA RS 232C对电气特性 逻辑电平和各种信号线功能都作了规定 在TxD和RxD上 逻辑1 3V 15V逻辑0 3 15V在RTS CTS DSR DTR和DCD等控制线上 信号有效 接通 ON状态 正电压 3V 15V信号无效 断开 OFF状态 负电压 3V 15V Confidential UART 并行 TTL 0V 5V RS 232信号传输 收发器 D0 D7 0V 5V RS 232 12V 12V 12V 12V Tx Rx Confidential RS 232信号传输及信号波形 Confidential RS 232接口 信号定义 TXD RXD RTS CTS DTR DSR DCD RI GND Female Male定义相反 最高速率 115200bps Confidential RS 232信号典型应用 PC 交叉电缆 PC短接DCD信号和DSR信号 确保所有应用程序工作 比如架装服务器的控制台端口 RS 232连接类型I Confidential RS 232连接类型II RS 232信号典型应用 PC 直连电缆 ModemDCE设备上的DCD信号一般用作输出信号 Confidential 串口信号 RS 232RS 422 485 Confidential RS 232VSRS 422 RS 232通信距离短RS 232通信速率低提出RS 422定义了一种平衡通信接口 数据信号采用差分传输方式 它使用二对双绞线 将其中一对定义为A 另一对定义为B Confidential RS 422电气特性 发送驱动器A B之间的电压差正电平在 200mv 6V 是一个逻辑状态负电平在 200mv 6V 是另一个逻辑状态 Confidential RS 422信号 收 发端通过平衡双绞线将Txd 与Rxd Rxd 与Txd 对应相连大于 200mV的电平时输出正逻辑电平小于 200mV时输出负逻辑电平MOXA定义B为信号正A为信号负 A B 200mv Confidential RS 422特性 RS 422传输速率提高到10Mb s 传输距离延长到1200米 速率低于100kb s时 并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器 RS 422是一种单机发送 多机接收的单向 平衡传输方式 被命名为TIA EIA 422 A标准 平衡传输方式长度 1200米速度 10M节点 2 10 广播 线缆类型 4线或8线 带握手信号 GND Confidential RS 422优势与不足 RS 422优势传输距离远传输速率高不易受到干扰RS 422不足点对多点方式只能单向通讯 Confidential RS485 EIA又于1983年在RS 422基础上制定了RS 485标准多点双向通讯能力增加发送器的驱动能力和冲突保护特性扩展了总线共模范围命名为TIA EIA 485 A标准由于EIA提出的建议标准都是以 RS 作为前缀 所以在通讯工业领域 仍然习惯将上述标准以RS作前缀称谓 平衡传输方式长度 1200米速度 10M节点 32 256 加中继器 线缆类型 2线 GND Confidential RS 422 485信号 差分信号 UART 并行 TTL 0V 5V 收发器 D0 D7 RS 232 TxB TxA Confidential RS485信号定义 4 WireTxDA TxDB RxDB RxDA GND2 WireDataB DataA GND Confidential 2线与4线传输 Confidential 接线 4线全双工优势1 抗干扰能力强2 传输距离长 可达1 2公里 3 支持点对点和多站通讯方式 RS 422信号 Confidential RS 422拓扑结构I 点对点 MoxaCI 134 Tx B Tx A Rx B Rx A Rx B Rx A Tx B Tx A PLC Confidential RS 485信号 RS 422的增强方式与RS 422兼容接线点对点2线半双工 菊链式连接4线全双工 菊链式连接 Confidential RS 422vs RS 485 Confidential RS 485拓扑结构I 点对点 MoxaCI 134 PLC Data B Data A Data B Data A 120 终端电阻 Confidential RS 485拓扑结构II 2线半双工 MoxaCI 134 Data B Data A 120 PLC 1 PLC 2 PLC 31 Data B Data B Data B Data B Data A 最大1 2公里 32节点 Confidential RS 485拓扑结构II 2线半双工 Confidential RS 485拓扑结构III 4线全双工 Tx B Tx A Rx B Rx A 120 DE 211 Note 1 Tx A 2 Tx B 3 Rx A 4 Rx B 1 2 3 4 最大1 2公里 32节点 Confidential RS 485拓扑结构III 4线全双工 Confidential RS 422 RS 485接线 RS 422可支持10个节点 RS 485可支持32个节点拓扑一般采用总线型结构 不支持环形或星形网络在构建网络时应注意以下几点 采用双绞线作总线 将各个节点串接起来如下的连接方式 a b c为错误连接 d e f为正确连接方式 注意总线阻抗匹配 否则就会发生信号的反射 Confidential RS 485数据流方向控制 什么是数据流方向控制 在一个时间只允许一个设备发送如果流控信号时序不对 整个RS 485网络将不能正常工作流控的方式1 传统的RTS控制内部电路使用RTS信号来决定发送和接收无数据发送时 RTS信号处于清除状态 此时收发器处于监听模式当有数据发送时设置RTS信号 同时断开监听模式当数据发送完成之后清除RTS信号 转回监听模式RTS状态由用户软件控制 Confidential ADDC 自动数据流控 ADDC 2线RS 485通过硬件准确的切换数据收发状态ADDC 是我们的专利技术 1 没按键时 处于监听状态 数据接收状态 3 确认当前频率空闲 按键讲话对方可以听到 线中上没有数据 切换状态到数据发送 2 判断当前频率是否有信号 检查线路上是否有数据 4 话讲完后 松开按键 回到监听状态 数据接收状态 A B Confidential ADDC 自动数据流控 当使用2线RS485时 最重要的就是要确认数据收发状态 由于RS485 2W界面的一些限制 只有一个节点 在一根2线RS485总线上 可以在任何时候传输信号 这个要传输数据的节点必须把数据发送打开 在数据发送完之后关闭 有两种方法可以切换数据收发状态 一种是通过软件人为用RTS信号控制 另一种是用ADDCADDC可以通过硬件准确地切换数据收发状态 有效地把用软件控制的复杂时序控制简单化 Confidential ADDCvsNoADDC Confidential 传输距离 距离 EIA标准 实测性能 Confidential RS 232 RS 422 RS 485比较 Confidential 电气参数表 Confidential 串口流控 流控硬件流控软件流控 Confidential FlowControl 使对方设备暂停数据发送的方法 数据还没处理完 暂停发送数据 Confidential FlowControl 流控是用来在两个数据传输速度不同的设备中控制数据流量的技术 如PLC和RS 232界面连接 流控的数据流控制功能确保2台设备互相通讯 避免数据丢失 软件方法 XON XOFF硬件方法 RTS CTS Confidential PC1 PC2 RTS RTS RTSstoptotransmitdata 硬件流控 Confidential 软件流控 Confidential 硬件流控vs软件流控 MOXA的产品都支持硬件流控和软件流控 Confidential 串口效能 FIFOMU860Throughput Confidential FIFO FIFO 先进先出 串口数据收发的缓冲区 Data Data Data CPU Data Data Data Data Data Data Data CPU Data Data Data 16ByteFIFO 128ByteFIFO 占用CPU的频率大不一样 Confidential FIFO FIFO是用来描述缓存的特定术语 FIFO缓存根据数据接收的顺序来发送数据 并用来降低处理芯片UART 如用在串口通讯的16C550C 的负载 FirstInLastOut Confidential UART MU860 UART芯片控制串口通讯设备的数据传送与接收 它把RS 232 422 485中的串行数据转换成并行数据传给PCMU860 自主研发的专用串口通信芯片集成8PortURAT PCIBridge Confidential 超级引擎MU860 高数据吞吐率128ByteFIFO Confidential Throughput 数据吞吐量 吞吐量是指数据传输的效能 它是一段时间内实际上传输了多少字符的标准 吞吐量的提升要依靠于CPU 内存 相互通讯的设备的效能 测量方法也同样依靠操作系统的效能 吞吐量通常的单位也是bps 位每秒 Moxa的UniversalPCI 8port 超过700Kbps数据吞吐量 效能全球第一Moxa的UniversalPCI 4port 超过800Kbps数据吞吐量 效能全球第一 Confidential 卡片通信效能对比 Throughput Bytes s CPUUsage average 注 此测试中的数据源自PCOMMProPerformanceAnalyzer程序 Confidential 接口保护 ESDSurgeIsolationProtection Confidential ESD保护 ESD ElectroStaticDischarge 静电放电现象ESD保护即为静电放电保护 静电无处不在 防为上策 Confidential SurgeProtection浪涌保护 浪涌 Surge也叫突波 是超出正常工作电压的瞬间过电压 1ms 2ms 5v 0 1000v Confidential SurgeProtection浪涌保护 原理因闪电 静电放电及其他形式产生的瞬间强电压 或周围磁场突变感应到信号连接线路的一种异常电压 在接口接收处加保护措施以防止设备內部元件烧坏 ESDvs EFTESD 静电保护 这是一个发生在时间很短 但电压很高电流较小的异常情況EFT 连续性恒定异常电压保护 这是一种受到一段恒定连续电压的干扰保护 电压不及ESD高 但時間較長 所以能量也很大 Confidential 浪涌保护vsESD保护 注 我们的绝大多数产品的串口都支持15KV的ESD保护 Confidential 光电隔离保护 用光的方式把信号隔离开 发光器件 感光器件 Data Data 光信号 光电隔离元件 PCBBoard Confidential 光电隔离保护 IsolationProtection 原理由于电线两端的地电压不同 长距离连接的通讯设备会因电压不匹配而造成损坏 隔离保护会在线的两端使用光电隔离元件来保护两端的设备不被损坏 SurgeProtectionvs IsolationSurge 瞬间异常电压引起的损坏Isolation 两端共地不良 EMI及纹波干扰引起的损坏 Confidential 光电隔离的作用 消除两端设备间因地电压差造成的放电 RS 4852线 GND电平为0V PC的GND电平为60V 光电隔离 1000m Confidential 光电隔离的作用 隔离干扰信号 RS 4852线 光电隔离 大功率电机 强电 Confidential MOXA光电隔离器 Confidential MOXA产品知识 Confidential 完整的设备联网解决方案 Confidential MOXA产品知识 串口卡智能型非智能型USB转串口转换器串口连网服务器NPort5000系列NPort6000系列 Confidential 总线 ISA PCI PCI X PCIExpress PCIe ISA1988 PCI1992 1980 1990 2000 PCIe2003 PCI X1998 33M 66MHz 266M 533MHz66M 133MHz 2 5GHz 1M 4MHz 2GI O 2 5GI O 3GI O Confidential MOXA串口卡命名规则 Confidential MOXA串口卡命名规则 CA系列 Confidential 智能型卡特点 C320每块卡最多可达32口 单机最多128口 高速率 C320460 8Kbps C218921 6Kbps自带精简指令集CPU 512KBRam 可有效的降低CPU占用率提供ISA版本和PCI版本 Confidential 智能型多用戶卡架構 CPU 16KRAM Firmware CPU 512KRAM Firmware DumbPart PC IntelligentControlBoard UARTsT R ser IntelligentPart ASIC ICs InternalBUS PCBUS IRQ MemoryAddress Confidential 智能型多用戶卡架構 MemoryMapping MemoryMapping 主存映射頁切換模式InternalInput OutputBufferSize PC主存 MoxaRAM512KB 16KB 01000111 01000111 C8000 CBFFF Confidential 智能型多用戶卡架構 High Performancevs Classic 兩者差異 AP在資料傳輸的回覆時間差異簡介 High Performance模式Driver將資料搬入Memory後就算完成傳輸 並釋放CPU控制權Classic模式Driver需等資料完成傳輸後才會釋放CPU控制權Moxa智能型產品特色功能 Confidential 非智能型卡特点 高速率921 6Kbps128ByteFIFO MU860 使用户以非智能卡的价格得到近似于智能卡的传输性能自带15KV ESD 自带LED 串口数据收 发闪烁 两线485硬件实现ADDC 自动数据流向控制 自带终端电阻适应所有PCI总线 有低档板设计版本 Confidential 非智能型多用戶卡架构 PCI ISABUS ASICDeCode UARTProcessing16C550C Transmitor Receiver I OAddressINTVectorInterrupt I OSignalofData Modem Break Interrupt TTLSignalofAllI OSignal RS232 RS422 485 CPU Memory Confidential Interrupt DataReceive ModemSignalChange ReceiveBreak TxBufferEmptyINTVector Interrupt共享 8bitI OAddress OTrue例 第2Port發生中斷 11111101第1 5Port發生中斷 11101110 中断向量 INTVector Confidential 中断向量 INTVector 中断向量1Byte 如图所示 当UART4使用中断服务的时候就将中断向量中对应用的第四位值改为 0 Confidential MOXAUPCIVSPCI卡 Confidential UniversalPCI介绍 Confidential UniversalPCI介绍 PCI XSlot64bit3 3V向前兼容32位PCI主板 不必是3 3V StandardPCISlot32bit5V Confidential PCIandPCI X UniversalPCI卡片 PCI PCI PCI X Confidential MOXA产品知识 串口卡智能型非智能型USB转串口转换器串口连网服务器NPort5000系列NPort6000系列 Confidential 什么是USB USB UniversalSerialBus 通用串行总线USBIF USBImplementersForum 负责USB标准制订 其成员包括 苹果电脑 惠普 NEC Microsoft和Intel Confidential USB1 1 USB2 0 USB1 1修正了USB1 0出现的问题 USB1 1是USB开始普及的最早版本 USB2 0在USB1 1的基础上提高了速度 USB的三种速率1 5Mbit s 183KByte s 低速速率12Mbit s 1 4MByte s 全速速率480Mbit s 57MByte s 高速速率USB的传输距离USB1 15mUSB2 01 5m Confidential USB的特点 方便 即插即用 PNP 高传输速率无须占用IRQ和I O地址应用范围广 Confidential USB转串口产品的命名规则 Confidential USB转串口的优势 方便 即插即用 PNP 不占用主机的内部空间速度快 效率高口数多 Confidential USB接头 加固型的USBTypeB15N接头 Confidential USB供电 USB接口可提供5V500mA的电流我们一到四串口的产品都可以通过USB供电正常工作 除1450外 Confidential UPort与市场上同类产口对比 Confidential USBVSMSB Confidential MOXA产品知识 串口卡智能型非智能型USB转串口转换器串口连网服务器NPort5000系列NPort6000系列 Confidential 接口类型回顾 RS 232RS 422RS 4854线RS 4852线双绞线光纤 RS 232 RS 422 485 RJ45双绞线接头 光纤接头 ST Confidential 为什么需要转换器 信号转换介质转换延长距离提供光电隔离保护提高抗干扰能力 Confidential 功能 型号 RS 232toRS 422 485串口信号转换TCC 80 TCC 80ITCC 100 TCC 100IRS 422 485延长距离 TCC 120 TCC 120I串口到光纤 介质转换 延长距离TCF 90TCF 142以太网到光纤 介质转换 延长距离IMC 21IMC 101 IMC 101G隔离保护 RS 232toRS 232orRS 422 485toRS 422 485TCC 82 TCC 120ITCC 80I TCC 100I Confidential 无源型产品 单信号线供电 Confidential 2线 4线RS 485 RS 422端子接头 RS 232DB9孔式接头 USB及电源适配器连接头 无源型产品 Confidential TCF 142光纤环 Confidential LinkFaultPass Through 没有LinkFaultPass Through LinkFaultPass Through Confidential 工业级转换器vs商业级转换器 TCC 80MTBF Confidential 串口转换器选型 Confidential 以太网转换器选型 Confidential MOXA产品知识 串口卡智能型非智能型USB转串口转换器串口连网服务器NPort5000系列NPort6000系列 Confidential 串口设备联网服务器结构I 硬件 以太网 控制器和Moxa嵌入式操作系统 多串口卡 CPU Firmware OS RAM 10 100Mbps以太网 RS 232 422 485Ports 网卡芯片 UART Confidential 串口设备联网服务器结构II 软件 MoxaEmbeddedOS AP Socket TCP IP 网络驱动程序 以太网 APDecodeEncode TCP IP Mxdriver UARTDriver 网络驱动程序 以太网 UART 以太网 RS 232 主机 NPort Confidential 应用及安装说明 驱动程序模式单主机多主机SocketmodeTCPServerTCPClientUDPServer Client对等连接模式以太网Modem Confidential 驱动程序模式 WithNativeCOMportdriver Realttydriver 以太网 Win9x NT 2K XP COM3 COM4 COMN Linux SCOUnix Unixware7 SVR4 2 tty1 tty2 ttyN 以太网 useexistingserialcommsoftwaresuchasHyperTerminal Confidential 驱动程序模式 单主机 单主机模式 POSTerminal POSTerminal POSTerminal BarCodeReader WindowsNTHost NPortServerLite NPortServerPro BarCodeReader BarCodeReader WaferTestingMachine Robot Confidential 驱动程序模式 多主机 共享串口 WindowsNTHostB WindowsNTHostA NPortServerLite NPortServerPro POSTerminal POSTerminal POSTerminal BarCodeReader BarCodeReader BarCodeReader WaferTestingMachine Robot Confidential SocketMode Confidential TCPServer操作模式I 以太网 IP Port TelnetIP Port DeviceServer 监听TCP连接 IP地址访问控制可改变端口号数据打包 允许socket软件控制 特点 ServerAdministrationConfigSavesettingQuit RS 232控制台端口 1 建立连接 2 收发数据 串口设备 Confidential TCPServer操作模式II 以太网 192 168 1 100 4001 NPortExpressDeviceServer RS 232console 路由器 AdministrationPC PC 串口设备 A PCuseTelnettoestablishaconsoleconnectionto路由器 telnet192 168 1 1004001 NPort 1 ConfigureNPorttoTCPServerMode telnet192 168 1 1002 NPortstartto listen forTCPconnection 准备工作 TCP IP Serial Connect Connect A Data Data Data Data Data Data Disconnect Disconnect B B 路由器 sserialconsoleprogramActivated C C PCdisconnectwithNPort Confidential TCPClient模式 I 以太网 DeviceServer 主动将串口设备数据发送到以太网连接控制数据打包Bytestreamdatatransmission 特点 Serial 读卡器 Socketsoftware 1 建立连接 2 收发数据 Confidential TCPClient操作模式II 以太网 192 168 1 100 DeviceServer Serial AdministrationPC PC 读卡器 NPort接收到串口数据 然后激活TCP连接 然后将Data1和Data2从以太网发送出去 100ms以后 最后的串口发送出来的数据被接收 NPort会自动的断开TCP连接 读卡器 NPort 1 配置NPort到TCPClient telnet192 168 1 100TCPconn anycharserialtimeout 100ms2 NPort开始主动从串口设备接收串口数据 准备工作 TCP IP Serial A Connect Data1 Data2 192 168 1 200ListenTCP4001 Data 1 2 Disconnect B 读卡器 数据采集 典型应用 Confidential TCPClient操作模式III 以太网 192 168 1 100 DeviceServer Serial AdministrationPC PC 读卡器 NPort自动与计算机建立连接Nport接收串口数据 当接收到0 x0a和0 x0d后 Nport开始发送所有收到的数据data1和2到计算机无须断开连接如果连接中断 NPort和计算机自动重新建立连接 读卡器 NPort 1 配置NPort为TCPClient模式 telnet192 168 1 100TCPconn startupserialtimeout 0msDelimiter 0 x0a 0 x0d2 NPort开始主动为串口设备发送数据 准备工作 TCP IP Serial B Connect Data1 Data2 0a 0d 192 168 1 200ListenTCP4001 Data 1 2 0a 0d B A Confidential UDPServer Client操作模式 DeviceServer Serial 读卡器 UDPdatagram 以太网 R R R TCP IP 数据采集 典型应用 Confidential UDPServer Client操作模式 以太网 DeviceServer 串口设备主动通过以太网进行数据传输实时数据传输点对多点数据打包 特点 Serial 读卡器 UDPdatagram R R R TCP IP Confidential UDPServer Client操作模式 原由的RS 485控制系统解决方案 以太网 DeviceServer RS 485 读卡器 UDPdatagram DeviceServer RS 485 读卡器 UDPdatagram DeviceServer RS 485 读卡器 UDPdatagram DeviceServer RS 485 读卡器 UDPdatagram RS 232 485 DOS 自动化软件 DeviceServer Confidential 对等连接模式 透明数据通道 全部Modem控制信号 以太网 主 从 RS 232 RS 232 Writer PLC 原始数据或专属通讯协议 Confidential 对等连接模式应用I 透明的数据通道 无须驱动程序TCP数据通道适合各种串口设备 特点 以太网 TCPClientMode TCPServerMode RS 232 RS 232 Writer PLC 原始数据或专属协议 Confidential MOXA产品知识 串口卡智能型非智能型USB转串口转换器串口连网服务器NPort5000系列NPort6000系列 Confidential 网络 安全的控制管理 Confidential 网络 安全的数据传输 Confidential 安全的数据传输 SSL SecureSocketLayer SSL是由Netscape 网景 公司开发的一套数据传输安全协议 它在应用层与传输层之间 提供数据通讯安全支持NPort6000系列的Driver模式 TCPS