毕业设计 分析了RS485的串口通信协议.doc

大庆石油学院应用技术学院毕业论文 I 摘 要 本文介绍并分析了 RS485 的串口通信协议 以及口通信协议的内容 着重分析了 RS485 与 RS232 的优缺点 并说明了他们之间的转换原理 介 绍并分析了串口通信网络的接口标准及其特点和具体使用问题 阐述了该 协议的完整工作过程 RS 485 布线注意事项以及 RS 485 的应用 同时提 出了相应的解决并讨论了总线负载能力和传输距离之间的具体关系 随 着自动化程度越来越高 传统的输配电操作和控制方式已不再适应当 今的发展要求 自动化控制系统得到越来越多的运用 RS 485 因硬件 设计简单 控制方便 成本低廉等优点广泛应用于工厂自动化 工业 控制等领域 RS485 具有接口简单 灵活性好 价格低 易于控制等优 点 可广泛应用于工业控制系统中 从中体现了 RS485 在工业生产中的重 要地位 关键词 串口协议 串口传输与转换 485 总线 RS485 232 大庆石油学院应用技术学院毕业论文 II 引 言 随着计算机技术的发展 在数据通信中经常采用串行通信来完成信 息交换 在数据通信 计算机网络以及工业上的分布式控制检测系统中 经常采用串行通信来完成信息交换 这类系统要求用最少的信号线来完成 通信任务 由于 RS485 具有性能优异 组网简单的优点 在集中控制系统 分布式控制系统中的应用相当广泛 特别是在要求远距离传输的应用中 RS485 应用是相当的广泛 但是 RS485 与 RS232 RS422 串口的电平信号有不同 就需要他们之间 的相互转换 就必须通过 RS232 RS485 转换接口芯片与 RS485 总线连接在 一起 本文针对 RS485 等做了种种分析 并结合实际做分析 让它与实际 紧密结合 大庆石油学院应用技术学院毕业论文 III 目 录 摘 要 I 引 言 II 第一章 串口的介绍 1 1 1 串口协议 1 1 1 1 RS 232 串行接口标准 1 1 1 2 RS 422 与 RS 485 串行接口标准 2 1 2串口插口种类及转换 3 1 3 串口的扩展与应用 4 1 3 1 串口的扩展 4 第二章 数据传输协议 6 2 1 数据传输 6 2 1 1 数据在网络上转输 6 2 1 2 查询 回应 6 2 2 RS485 的传输方式 6 2 3 消息帧 7 2 3 1 帧格式 7 2 3 2 地址域 7 2 3 3 如何处理功能域 7 第三章 RS 485 和其它串行口区别 9 3 1 几种串行口的简介 9 3 1 1 串行口 RS 232 9 3 1 2 串行口 RS 485 9 3 1 3 串行口 RS 422 9 3 2 RS 232 C 10 3 2 1 电气特性 10 3 2 2 连接器的机械特性 11 3 2 3 RS 232C 的接口信号 11 3 3 典型的串行通讯 14 第四章 RS 485 在工业上的应用 16 4 1 RS 485 集线器 16 4 2 RS485 USB 转换器 17 4 2 1 硬件电路的设计 18 4 3 软件的编程 19 参考文献 21 大庆石油学院应用技术学院毕业论文 IV 致 谢 21 大庆石油学院应用技术学院毕业论文 0 第一章 串口的介绍 1 1 串口协议 串口协议只是定义了传输的电压 阻抗等 编程方式和普通的串口一样 通常我们对于视频服务器 录像机 切换台等直接播出 切换控制主要使用 串口进行 主要使用到 RS 232 RS 422 与 RS 485 三种接口控制 RS 232 RS 422 与 RS 485 标准只对接口的电气特性做出规定 而不涉及接插件 电 缆或协议 在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议 例如 视频服务器都 带有多个 RS422 串行通讯接口 每个接口均可通过RS422 通讯线由外部计算机 控制实现记录与播放 视频服务器除提供各种控制硬件接口外 还提供协议接 口 如 RS422 接口除支持 RS422 的 Profile 协议外 还支持 Louth Odetics BVW 等通过 RS422 控制的协议 RS 232 RS 422 与 RS 485 都是串行数据接口标准 都是由电子工业协会 EIA 制订并发布的 RS 232 在 1962 年发布 RS 422 由 RS 232 发展而来 为改进 RS 232 通信距离短 速率低的缺点 RS 422 定义了一种平衡通信接口 将传输速率提高到 10Mbps 传输距离延长到 4000 英尺 速率低于 100Kbps 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 平衡传输规范 被命名为TIA EIA 422 A 标准 为扩展应用范 围 EIA 又于 1983 年在 RS 422 基础上制定了 RS 485 标准 增加了多点 双向 通信能力 即允许多个发送器连接到同一条总线上 同时增加了发送器的驱动能 力和冲突保护特性 扩展了总线共模范围 后命名为TIA EIA 485 A 标准 1 1 1 RS 232 串行接口标准 目前 RS 232 是 PC 机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口 RS 232 被 定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准 RS 232 采取不平衡 传输方式 即所谓单端通讯 收 发端的数据信号是相对于信号地 典型的 RS 232 信号在正负电平之间摆动 在发送数据时 发送端驱动器输出正电平在 5 15V 负电平在 5 15V 电平 当无数据传输时 线上为TTL 从开始传 送数据到结束 线上电平从 TTL 电平到 RS 232 电平再返回 TTL 电平 接收器典 型的工作电平在 3 12V 与 3 12V 由于发送电平与接收电平的差仅为2V 至 3V 左右 所以其共模抑制能力差 再加上双绞线上的分布电容 其传送距离最 大为约 15 米 最高速率为 20Kbps RS 232 是为点对点 即只用一对收 发设 备 通讯而设计的 其驱动器负载为3k 7k 所以 RS 232 适合本地设备 之间的通信 TTL 电平信号被利用的最多是因为通常数据表示采用二进制规定 5V 等价 于逻辑 1 0V 等价于逻辑 0 这被称做 TTL 晶体管 晶体管逻辑电平 信 号系统 这是计算机处理器控制的设备内部各部分之间通信的标准技术 大庆石油学院应用技术学院毕业论文 1 TTL 电平信号对于计算机处理器控制的设备内部的数据传输是很理想的 首 先计算机处理器控制的设备内部的数据传输对于电源的要求不高以及热损耗也较 低 另外 TTL 电平信号直接与集成电路连接而不需要价格昂贵的线路驱动器以及 接收器电路 再者 计算机处理器控制的设备内部的数据传输是在高速下进行的 而 TTL 接口的操作恰能满足这个要求 TTL 型通信大多数情况下 是采用并行数 据传输方式 而并行数据传输对于超过10 英尺的距离就不适合了 这是由于可 靠性和成本两面的原因 因为在并行接口中存在着偏相和不对称的问题 这些问 题对可靠性均有影响 TTL 输出高电平 2 4V 输出低电平 2 0V 输 入低电平 0 8V 噪声容限是 0 4V 1 1 2 RS 422 与 RS 485 串行接口标准 1 平衡传输 RS 422 RS 485 与 RS 232 不一样 数据信号采用差分传输方式 也称作平 衡传输 它使用一对双绞线 将其中一线定义为A 另一线定义为 B 通常情况 下 发送驱动器 A B 之间的正电平在 2 6V 是一个逻辑状态 负电平在 2V 6V 是另一个逻辑状态 另有一个信号地C 在 RS 485 中还有一 使能 端 而在 RS 422 中这是可用可不用的 使能 端是用于控制发送驱动器与传 输线的切断与连接 当 使能 端起作用时 发送驱动器处于高阻状态 称作 第三态 即它是有别于逻辑 1 与 0 的第三态 2 RS 422 电气规定 由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器比RS232 更强的驱动能力 故允 许在相同传输线上连接多个接收节点 最多可接10 个节点 即一个主设备 Master 其余为从设备 Salve 从设备之间不能通信 所以RS 422 支持 点对多的双向通信 RS 422 四线接口由于采用单独的发送和接收通道 因此不 必控制数据方向 各装置之间任何必须的信号交换均可以按软件方式 XON XOFF 握手 或硬件方式 一对单独的双绞线 实现 RS 422 的最大传输 距离为 4000 英尺 约 1219 米 最大传输速率为 10Mbps 其平衡双绞线的长 度与传输速率成反比 在 100Kbps 速率以下 才可能达到最大传输距离 只有在 很短的距离下才能获得最高速率传输 一般100 米长的双绞线上所能获得的最 大传输速率仅为 1Mbps RS 422 需要一终接电阻 要求其阻值约等于传输电缆的 特性阻抗 在矩距离传输时可不需终接电阻 即一般在300 米以下不需终接电 阻 终接电阻接在传输电缆的最远端 3 RS 485 电气规定 由于 RS 485 是从 RS 422 基础上发展而来的 所以 RS 485 许多电气规定与 RS 422 相仿 如都采用平衡传输方式 都需要在传输线上接终接电阻等 RS 485 可以采用二线与四线方式 二线制可实现真正的多点双向通信 RS 485 总 线 在要求通信距离为几十米到上千米时 广泛采用RS 485 串行总线标准 大庆石油学院应用技术学院毕业论文 2 RS 485 采用平衡发送和差分接收 因此具有抑制共模干扰的能力 加上总线收发 器具有高灵敏度 能检测低至200mV 的电压 故传输信号能在千米以外得到恢复 RS 485 采用半双工工作方式 任何时候只能有一点处于发送状态 因此 发送 电路须由使能信号加以控制 RS 485 用于多点互连时非常方便 可以省掉许多 信号线 应用 RS 485 可以联网构成分布式系统 其允许最多并联32 台驱动器 和 32 台接收器 RS 485 与 RS 422 的不同还在于其共模输出电压是不同的 RS 485 是 7V 至 12V 之间 而 RS 422 在 7V 至 7V 之间 RS 485 满足所有 RS 422 的规范 所以 RS 485 的驱动器可以用在 RS 422 网络中应用 RS 485 与 RS 422 一样 其最大传输距离约为 1219 米 最大传输速率为 10Mbps 平衡双 绞线的长度与传输速率成反比 在100Kbps 速率以下 才可能使用规定最长的 电缆长度 只有在很短的距离下才能获得最高速率传输 一般100 米长双绞线 最大传输速率仅为 1Mbps 4 RS 422 与 RS 485 的网络安装注意要点 RS 422 可支持 10 个节点 RS 485 支持 32 个节点 因此多节点构成网络 网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构 不支持环形或星形网络 在构建网络 时 应注意如下几点 采用一条双绞线电缆作总线 将各个节点串接起来 从总线到每个节点的 引出线长度应尽量短 以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低 应注意总线特性阻抗的连续性 在阻抗不连续点就会发生信号的反射 下 列几种情况易产生这种不连续性 总线的不同区段采用了不同电缆 或某一段总 线上有过多收发器紧靠在一起安装 再者是过长的分支线引出到总线 总之 应该提供一条单一 连续的信号通道作为总线 1 2 串口插口种类及转换 串口是一种接口标准 它规定了接口的电气标准 简单说只是物理层的一个 标准 没有规定接口插件电缆以及使用的协议 所以只要我们使用的接口插件电 缆符合串口标准就可以在实际中灵活使用 在串口接口标准上使用各种协议进行 通讯及设备控制 以上我们了解了串口的协议 而我们日常工作中接触最多的是实际的一些设 备的外部接口 我们如何从外形上就知道它是那种接口呢 制作线缆各针脚如何 定义 我们知道串口 RS 232 RS 422 与 RS 485 标准只对接口的电气特性做出 规定 而不涉及接插件 电缆或协议 在此基础上用户可以建立自己的高层通信 协议 从我们实际工作中碰到的使用最多的插口有三种DB9 DB25 RJ45 上面 三种插口插件都可以用作串口插口插件 也可以通过线缆进行插口之间的转换 下面我们就三种插口的针脚定义分别说明 三个插口之间的转换也只要按照插口 定义的线缆跳接即可 大庆石油学院应用技术学院毕业论文 3 DB9 9 脚插口插座 9 针串口功能如表 1 DB25 25 脚插口插座 25 针串口功能如表 2 还有一种插口是 RJ45 比如 湖北台使用的品尼高 mss1600 mss700 视频服务器的编解码板控制口都为串口 插口是 RJ45 的 而播控机的串口插口是 DB9 因此我们就需要使用转换线缆 RS485 半双工接法为 RX 和 TX 并联为 Data RX 和 TX 并联为 Data RS485 全双工 RS422 接法为 FULL 和 GND 短接 信号线为 RX TX RX TX 可根据需要连接 GND 1 3 串口的扩展与应用 1 3 1 串口的扩展 一般一台计算机有两个串口 而对于一台播控计算机需要控制的设备远远不 止两台设备 我们需要同时控制视频服务器 录像机 切换台 字幕机等各种设 备 所以有些技术人员就需要对串口进行扩展 他们使用串口扩展卡对串口进行 扩展 例如他们在播控系统中使用的串口扩展卡MOXA CI 134 MOXA CI 134 是专为工业环境通信应用设计的 RS 422 485 四串口卡 它 大庆石油学院应用技术学院毕业论文 4 支持 4 个独立的 RS 422 485 串口 在一对多点的通信应用下 最多可控制128 个设备 为使 RS 485 2 线半双工操作变得更加简单 每片 CI 134 卡都具有 数据流向自动控制 ADDC 不需软件操作 因此 在 Windows 应用下不需额外 的编码就能控制 RS 485 半双工协议 为达到工业环境对高可靠性产品的要求 其系列产品提供可选择的光电隔离 2 KV 和浪涌保护 25 KV ESD 功能 产品特点包括 可选择光电隔离 2KV 和浪涌保护 25KV ESD 功能 提 供数据流向自动控制 ADDC Automatic Data Direction Control 功能 RS 485 数据控制 l ADDC 或通过 RTS 控制 内建终端电阻 采用芯片硬件流量控 制 保证数据不流失 采用先进 ASIC 设计 返修率低 支持众多常见的操作 系统 1 3 2 串口在播出控制系统中的应用 串口 RS232 有效传输距离为 15 米 RS 422 的最大传输距离为 4000 英尺 约 1219 米 最大传输速率为 10Mbps 我们播控中使用的录像机如 DVCPRO IMX 控制接口有 RS232 RS422 多个接口供选择 如果使用 pin9 则为 RS422 接口 视频服务器编解码口控制都是RS422 接口 只是插口为 RJ45 不是 DB9 的 需要转换线缆进行转换 因此我们在控制中根据以上特性可以灵活使用 由于主备控制切换的需要 以及距离的考虑统一选用RS422 倒换开关进行倒换 控制 RS422 倒换开关的为 RS232 控制接口 直接由播控机本身的COM 口来控制 倒换开关进行倒换 其他控制录像机 切换台 视频服务器编解码卡使用MOXA 卡扩展的 RS422 接口进入 RS422 倒换开关进行倒换 整个系统中只有RS422 倒 换开口控制是播控机的 COM RS232 口控制 其他都是 MOXA 卡扩展的 RS422 接口 由于应急开关需要 RS232 所以在应急开关前面加了一个RS422 转 RS232 的转换器 通过控制线播控机可以及时发出播控指令 也可以随时读取录像机 切换台 还有视频服务器的状态 RS422 RS485 和 RS422 电路都是以差动方式发送和接受 不需要数字地线 差动工作是同速率条件下传输距离远的根本原因 这正是二者与RS232 的根本 区别 因为 RS232 是单端输入输出 双工工作时至少需要数字地线 发送线和接 受线三条线 异步传输 还可以加其它控制线完成同步等功能 RS422 通过两 对双绞线可以全双工工作收发互不影响 而RS485 只能半双工工作 发 收不 能同时进行 但它只需要一对双绞线 以上三种接口各有缺点 在实际工作中可 以根据需要灵活选用 计算机控制在广电播控系统中运用会越来越广泛 而且随着计算机技术的不 断发展 智能化也会不断提高 系统也会更加庞大 这就要求我们能更深入了解 计算机的基础理论 这样才能更深入的了解系统 维护系统 保证系统的安全稳 定运行 更好的保障安全播出 市场上的 RS 232 转 RS 485 的转换器 无源与有源两种 无源一般只是转换 有源的转换器除了实现232 和 485 的转换 还能保证 两者之间电气隔离 因为 485 的线路往往比较长 线路上有干扰 采取隔离措施 后即使 485 线路上有干扰也不会影响 232 大庆石油学院应用技术学院毕业论文 5 第二章 数据传输协议 RS485 是主从式多机通讯协议 此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结 构 而不管它们是经过何种网络进行通信的 它描述了一控制器请求访问其它设备的 过程 如何回应来自其它设备的请求 以及怎样侦测错误并记录 它制定了消息域 格局和内容的公共格式 此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址 识别按地址发来的消息 决定要产生何种行动 如果需要回应 控制器将生成反馈信息按本协议发出 2 1 数据传输 2 1 1 数据在网络上转输 控制器通信使用主 从技术 即仅一设备 主设备 能初始化传输 查询 其 它设备 从设备 根据主设备查询提供的数据作出相应反应 主设备可单独和从设备通信 也能以广播方式和所有从设备通信 如果单独通 信 从设备返回一消息作为回应 如果是以广播方式查询的 则从设备不作任何回 应 协议建立了主设备查询的格式 设备 或广播 地址 功能代码 所有要发送 的数据 一错误检测域 从设备回应消息也由协议构成 包括确认要行动的域 任何要返回的数据和一 错误检测域 如果在消息接收过程中发生一错误 无相应的功能码 或从设备不能 执行其命令 从设备将建立一错误消息并把它作为回应发送出去 在对等网络上 控制器使用对等技术通信 故任何控制都能初始和其它控制器 的通信 这样在单独的通信过程中 控制器既可作为主设备也可作为从设备 在消息位 本协议仍提供了主 从原则 尽管网络通信方法是 对等 如果一 控制器发送一消息 它只是作为主设备 并期望从设备得到回应 同样 当控制器 接收到一消息 它将建立一从设备回应格式并返回给发送的控制器 2 1 2 查询 回应 1 查询 查询消息中的功能代码告之被选中的从设备要执行何种功能 数据段包含了从 设备要执行功能的任何附加信息 错误检测域为从设备提供了一种验证消息内容是 否正确的方法 2 回应 如果从设备产生一正常的回应 在回应消息中的功能代码是在查询消息中的功 能代码的回应 数据段包括了从设备收集的数据 如果有错误发生 功能代码将被 修改以用于指出回应消息是错误的 同时数据段包含了描述此错误信息的代码 错 误检测域允许主设备确认消息内容是否可用 2 2 RS485 传输方式 大庆石油学院应用技术学院毕业论文 6 控制器能设置传输模式为 RS485 串行传输 通信参数为 9600 n 8 1 在配置 每个控制器的时候 在一个网络上的所有设备都必须选择相同的串口参数 地址 功能代码 数据数量 数据 1 数据 n CRC 字节 每个字节的位 1 个起始位 8 个数据位 最小的有效位先发送 1 个停止位 错误检测域 CRC 循环冗余码校验 2 3 消息帧 2 3 1 帧格式 传输设备将消息转为有起点和终点的帧 这就允许接收的设备在消息起始处开 始工作 读地址分配信息 判断哪一个设备被选中 广播方式则传给所有设备 判 知何时信息已完成 错误消息也能侦测到并能返回结果 消息发送至少要以 10ms 时间的停顿间隔开始 传输的第一个域是设备地址 网络设 备不断侦测网络总线 包括停顿间隔时间内 当第一个域 地址域 接收到 每个 设备都进行解码以判断是否发往自己的 在最后一个传输字符之后 一个至少 10ms 时间的停顿标定了消息的结束 一个新的消息可在此停顿后开始 整个消息帧必须作为一连续的流转输 如果在帧完成之前有超过 5ms 时间的停顿时 间 接收设备将刷新不完整的消息并假定下一字节是一个新消息的地址域 同样地 如果一个新消息在小于 5ms 的时间内接着前个消息开始 接收的设备将认为它是前 一消息的延续 这将导致一个错误 因为在最后的 CRC 域的值不可能是正确的 一 典型的消息帧如下所示 起始间隔 设备地址 功能代码 数据数量及数据 CRC 校验 结束 2 3 2 地址域 消息帧的地址域包含一个字符 8Bit 可能的从设备地址是 0 247 十进制 单个设备的地址范围是 1 247 主设备通过将要联络的从设备的地址放入消息中的 地址域来选通从设备 当从设备发送回应消息时 也把自己的地址放入回应的地址 域中 以便主设备知道是哪一个设备作出回应 地址 0 是用作广播地址 以使所有的从设备都能认识 2 3 3 如何处理功能域 消息帧中的功能代码域包含了一个字符 8Bits 可能的代码范围是十进制的 1 255 当然 有些代码是适用于所有控制器 有此是应用于某种控制器 还有些 保留以备后用 当消息从主设备发往从设备时 功能代码域将告之从设备需要执行哪些行为 例如去读取当前检测参量的值或开关状态 读从设备的诊断状态 允许调入 记录 大庆石油学院应用技术学院毕业论文 7 校验在从设备中的程序等 当从设备回应时 它使用功能代码域来指示是正常回应 无误 还是有某种错误 发生 称作异议回应 对正常回应 从设备仅回应相应的功能代码 对异议回应 从设备返回一等同于正常代码的代码 但功能代码的最高位为逻辑 1 例如 一从主设备发往从设备的消息要求读一组保持寄存器 将产生如下功能代码 0 0 0 0 0 0 1 1 十六进制 03H 对正常回应 从设备仅回应同样的功能代码 对异议回应 它返回 1 0 0 0 0 0 1 1 十六进制 83H 除功能代码因异议错误作了修改外 从设备将一独特的代码放到回应消息的数据域 中 这能告诉主设备发生了什么错误 主设备应对程序得到异议的回应后 典型的处理过程是重发消息 或者诊断发 给从设备的消息并报告给操作员 从主设备发给从设备消息的数据域包含附加的信息 从设备用于进行执行由功 能代码所定义的行为所必须的数据 如果没有错误发生 从设备返回的数据域包含请求的数据 如果有错误发生 此域包含一异议代码 主设备应用程序可以用来判断采取下一步行动 在某种消息中数据域可以是 0 长度 例如 主设备要求从设备回应通信事件记 录 从设备回应不需任何附加的信息 数据域最长为 70 字节 错误检测域包含一字节 8Bits 错误检测域的内容是通过对消息内容进行循环冗 长检测方法得出的 CRC 域附加在消息的最后 故 CRC 字节是发送消息的最后一个字 节 具有竞争力 大庆石油学院应用技术学院毕业论文 8 第三章 RS 485 和其它串行口区别 3 1 几种串行口的简介 3 1 1 串行口 R RS S 2 23 32 2 C C RS 232 C 是美国电子工业协会 EIA Electronic Industry Association 制 定的一种串行物理接口标准 RS 是英文 推荐标准 的缩写 232 为标识号 C 表示修改次数 RS 232 C 总线标准设有 25 条信号线 包括一个主通道和一个 辅助通道 在多数情况下主要使用主通道 对于一般双工通信 仅需几条信号线就可实 现 如一条发送线 一条接收线及一条地线 RS 232 C 标准规定的数据传输速率为每秒 50 75 100 150 300 600 1200 2400 4800 9600 19200 波特 RS 232 C 标准规定 驱动器允许有 2500pF 的电容负载 通信距离将受此电 容限制 例如 采用 150pF m 的通信电缆时 最大通信距离为15m 若每米电 缆的电容量减小 通信距离可以增加 传输距离短的另一原因是RS 232 属单 端信号传送 存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题 因此一般用于20m 以 内的通信 3 1 2 串行口 R RS S 4 48 85 5 RS 485 总线 在要求通信距离为几十米到上千米时 广泛采用RS 485 串 行总线 RS 485 采用平衡发送和差分接收 因此具有抑制共模干扰的能力 加上总线 收发器具有高灵敏度 能检测低至200mV 的电压 故传输信号能在千米以外得 到恢复 RS 485 采用半双工工作方式 任何时候只能有一点处于发送状态 因此 发 送电路须由使能信号加以控制 RS 485 用于多点互连时非常方便 可以省掉许多信号线 应用RS 485 可 以联网构成分布式系统 其允许最多并联32 台驱动器和 32 台接收器 3 1 3 串行口 R RS S 4 42 22 2 RS422 总线 RS485 和 RS422 电路原理基本相同 都是以差动方式发送和接受 不需要数字地线 差动工作是同速率条件下传输距离远的根本原因 这正是二者与RS232 的 根本区别 因为 RS232 是单端输入输出 双工工作时至少需要数字地线 发 送线和接受线三条线 异步传输 还可以加其它控制线完成同步等功能 RS422 通过两对双绞线可以全双工工作收发互不影响 而RS485 只能半双 大庆石油学院应用技术学院毕业论文 9 工工作 发收不能同时进行 但它只需要一对双绞线 RS422 和 RS485 在 19kpbs 下能传输 1200 米 用新型收发器线路上可连接台 设备 串行通信接口标准经过使用和发展 目前已经有几种 但都是在RS 232 标准的基础上经过改进而形成的 所以 以RS 232C 为主来讨论 RS 323C 标 准是美国 EIA 电子工业联合会 与 BELL 等公司一起开发的 1969 年公布的通信 协议 它适合于数据传输速率在0 20000b s 范围内的通信 这个标准对串行 通信接口的有关问题 如信号线功能 电器特性都作了明确规定 由于通行设备 厂商都生产与 RS 232C 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 先说明两点 首先 RS 232 C 标准最初是远程通信连接数据终端设备DTE Data Terminal Equipment 与数据通信设备 DCE Data Communication Equipment 而制定的 因此这个标准的制定 并未考虑计算机系统的应用要求 但目前它又 广泛地被借来用于计算机 更准确的说 是计算机接口 与终端或外设之间的近 端连接标准 显然 这个标准的有些规定及和计算机系统是不一致的 甚至是相 矛盾的 有了对这种背景的了解 我们对RS 232C 标准与计算机不兼容的地方 就不难理解了 其次 RS 232C 标准中所提到的 发送 和 接收 都是站在 DTE 立场上 而不是站在 DCE 的立场来定义的 由于在计算机系统中 往往是CPU 和 I O 设 备之间传送信息 两者都是 DTE 因此双方都能发送和接收 3 2 串行口 R RS S 2 23 32 2 C C RS 232C 标准 协议 的全称是 EIA RS 232C 标准 其中 EIA Electronic Industry Association 代表美国电子工业协会 RS ecommeded standard 代 表推荐标准 232 是标识号 C 代表 RS232 的最新一次修改 1969 在这之前 有 RS232B RS232A 它规定连接电缆和机械 电气特性 信号功能及传送过程 常用物理标准还有有 EIARS 232 C EIARS 422 A EIARS 423A EIARS 485 这里只介绍 EIARS 232 C 简称 232 RS232 例 如 目前在 IBM PC 机上的 COM1 COM2 接口 就是 RS 232C 接口 3 2 1 电气特性 EIA RS 232C 对电器特性 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 MARK 3V 15V 逻辑 0 SPACE 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 以上规定说明了 RS 323C 标准对逻辑电平的定义 对于数据 信息码 逻 辑 1 传号 的电平低于 3V 逻辑 0 空号 的电平告语 3V 对于控制 大庆石油学院应用技术学院毕业论文 10 信号 接通状态 ON 即信号有效的电平高于 3V 断开状态 OFF 即信号无效 的电平低于 3V 也就是当传输电平的绝对值大于3V 时 电路可以有效地检查 出来 介于 3 3V 之间的电压无意义 低于 15V 或高于 15V 的电压也认为无 意义 因此 实际工作时 应保证电平在 3 15 V 之间 EIA RS 232C 与 TTL 转换 EIA RS 232C 是用正负电压来表示逻辑状态 与 TTL 以高低电平表示逻辑状态的规定不同 因此 为了能够同计算机接口或终端 的 TTL 器件连接 必须在 EIA RS 232C 与 TTL 电路之间进行电平和逻辑关系的 变换 实现这种变换的方法可用分立元件 也可用集成电路芯片 目前较为广泛 地使用集成电路转换器件 如MC1488 SN75150 芯片可完成 TTL 电平到 EIA 电 平的转换 而 MC1489 SN75154 可实现 EIA 电平到 TTL 电平的转换 MAX232 芯 片可完成 TTL EIA 双向电平转换 3 2 2 连接器的机械特性 连接器 由于 RS 232C 并未定义连接器的物理特性 因此 出现了DB 25 DB 15 和 DB 9 各种类型的连接器 其引脚的定义也各不相同 下面分别介绍两种连 接器 1 DB 25 PC 和 XT 机采用 DB 25 型连接器 DB 25 连接器定义了 25 根信 号线 分为 4 组 2 异步通信的 9 个电压信号 含信号地 SG 2 3 4 5 6 7 8 20 22 20mA 电流环信号 9 个 12 13 14 15 16 17 19 23 24 空 6 个 9 10 11 18 21 25 保护地 PE 1 个 作为设备接地端 1 脚 DB 25 型连接器的外形及信 号线分配如图 3 所示 注意 20mA 电流环信号仅 IBM PC 和 IBM PC XT 机提供 至 AT 机及以后 已不支持 3 DB 9 连接器 在 AT 机及以后 不支持 20mA 电流环接口 使用 DB 9 连接器 作为提供多 功能 I O 卡或主板上 COM1 和 COM2 两个串行接口的连接器 它只提供异步通信的 9 个信号 DB 25 型连接器的引脚分配与 DB 25 型引脚信号完全不同 因此 若 与配接 DB 25 型连接器的 DCE 设备连接 必须使用专门的电缆线 电缆长度 在通信速率低于 20kb s 时 RS 232C 所直接连接的最大物理距 离为 15m 50 英尺 最大直接传输距离说明 RS 232C 标准规定 若不使用 MODEM 在码元畸变 小于 4 的情况下 DTE 和 DCE 之间最大传输距离为 15m 50 英尺 可见这个最 大的距离是在码元畸变小于 4 的前提下给出的 为了保证码元畸变小于4 的 大庆石油学院应用技术学院毕业论文 11 要求 接口标准在电气特性中规定 驱 动器的负载电容应小于 2500pF 3 2 3 RS 232C 的接口信号 RS 232C 规标准接口有 25 条线 4 条数据线 11 条控制线 3 条定时线 7 条备用和未定义线 常用的只有9 根 它们是 1 联络控制信号线 数据装置准备好 Data set ready DSR 有效时 ON 状态 表明 MODEM 处于可以使用的状态 数据终端准备好 Data set ready DTR 有效时 ON 状态 表明数据 终端可以使用 这两个信号有时连到电源上 一上电就立即有效 这两个设备状态信号有效 只表示设备本身可用 并不说明通信链路可以开始进行通信了 能否开始进行通 信要由下面的控制信号决定 请求发送 Request to send RTS 用来表示 DTE 请求 DCE 发送数据 即 当终端要发送数据时 使该信号有效 ON 状态 向 MODEM 请求发送 它用来 控制 MODEM 是否要进入发送状态 允许发送 Clear to send CTS 用来表示 DCE 准备好接收 DTE 发来的 数据 是对请求发送信号 RTS 的响应信号 当 MODEM 已准备好接收终端传来的 数据 并向前发送时 使该信号有效 通知终端开始沿发送数据线TxD 发送数 据 这对 RTS CTS 请求应答联络信号是用于半双工MODEM 系统中发送方式和接 收方式之间的切换 在全双工系统中作发送方式和接收方式之间的切换 在全双 工系统中 因配置双向通道 故不需要RTS CTS 联络信号 使其变高 接收线信号检出 Received Line detection RLSD 用来表示 DCE 已接 通通信链路 告知 DTE 准备接收数据 当本地的 MODEM 收到由通信链路另一端 远地 的 MODEM 送来的载波信号时 使 RLSD 信号有效 通知终端准备接收 并且由 MODEM 将接收下来的载波信号解调成数字两数据后 沿接收数据线RxD 送到终端 此线也叫做数据载波检出 Data Carrier dectection DCD 线 振铃指示 Ringing RI 当 MODEM 收到交换台送来的振铃呼叫信号时 使 该信号有效 ON 状态 通知终端 已被呼叫 2 数据发送与接收线 发送数据 Transmitted data TxD 通过 TxD 终端将串行数据发送到 MODEM DTE DCE 接收数据 Received data RxD 通过 RxD 线终端接收从 MODEM 发来的串 行数据 DCE DTE 大庆石油学院应用技术学院毕业论文 12 3 地线 有两根线 SG PG 信号地和保护地信号线 无方向 上述控制信号线何时有效 何时无效的顺序表示了接口信号的传送过程 例 如 只有当 DSR 和 DTR 都处于有效 ON 状态时 才能在 DTE 和 DCE 之间进行 传送操作 若 DTE 要发送数据 则预先将 DTR 线置成有效 ON 状态 等 CTS 线 上收到有效 ON 状态的回答后 才能在 TxD 线上发送串行数据 这种顺序的规 定对半双工的通信线路特别有用 因为半双工的通信才能确定DCE 已由接收方 向改为发送方向 这时线路才能开始发送 2 个数据信号 发送 TXD 接收 RXD 1 个信号地线 SG 6 个控制信号 数传机 即 modem 准备好 Data Set Ready 数据终端 DTE 即微机接口电路 如 Intel8250 8251 16550 准备好 Data Terminal Ready DTE 请求 DCE 发送 Request To Send DCE 允许 DTE 发送 Clear To Send 该信号是对 RTS 信号的回答 数据载波检出 Data Carrier Detection 当本地 DCE 设备 Modem 收到 对方的 DCE 设备送来的载波信号时 使 DCD 有效 通知 DTE 准备接收 并且由 DCE 将接收到的载波信号解调为数字信号 经 RXD 线送给 DTE 振铃信号 Ringing 当 DCE 收到交换机送来的振铃呼叫信号时 使该信号有效 通知 DTE 已被呼叫 由于 RS 232 C 接口标准出现较早 难免有不足之处 主要 有以下四点 1 接口的信号电平值较高 易损坏接口电路的芯片 又因为与TTL 电平 不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL 电路连接 2 传输速率较低 在异步传输时 波特率为20Kbps 3 接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式 这种 共地传输容易产生共模干扰 所以抗噪声干扰性弱 4 传输距离有限 最大传输距离标准值为50 英尺 实际上也只能 用在 50 米左右 针对 RS 232 C 的不足 于是就不断出现了一些新的接口标准 RS 485 就 是其中之一 它具有以下特点 1 RS 485 的电气特性 逻辑 1 以两线间的电压差为 0 2 6 V 表 示 逻辑 0 以两线间的电压差为 0 2 6 V 表示 接口信号电平比 RS 232 C 降低了 就不易损坏接口电路的芯片 且该电平与 TTL 电平兼容 可方 便与 TTL 电路连接 2 RS 485 的数据最高传输速率为 10Mbps 3 RS 485 接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合 抗共模干能力增强 大庆石油学院应用技术学院毕业论文 13 即抗噪声干扰性好 4 RS 485 最大的通信距离约为 1219M 最大传输速率为 10Mb S 传输速 率与传输距离成反比 在 100Kb S 的传输速率下 才可以达到最大的通信距离 如果需传输更长的距离 需要加485 中继器 RS 485 总线一般最大支持 32 个 节点 如果使用特制的 485 芯片 可以达到 128 个或者 256 个节点 最大的可 以支持到 400 个节点 因 RS 485 接口具有良好的抗噪声干扰性 长的传输距离和多站能力等上述 优点就使其成为首选的串行接口 因为 RS485 接口组成的半双工网络 一般只 需二根连线 所以 RS485 接口均采用屏蔽双绞线传输 RS485 接口连接器采用 DB 9 的 9 芯插头座 与智能终端 RS485 接口采用 DB 9 孔 与键盘连接的键 盘接口 RS485 采用 DB 9 针 5 采用 RS485 接口时 传输电缆的长度如何考虑 在使用RS485 接口时 对于特定的传输线经 从发生器到负载其数据信号传输所允许的最大电缆长度是 数据信号速率的函数 这个长度数据主要是受信号失真及噪声等影响所限制 如 果最大电缆长度与信号速率的关系曲线是使用24AWG 铜芯双绞电话电缆 线 径为 0 51mm 线间旁路电容为 52 5PF M 终端负载电阻为 100 欧 时所得出 可知 当数据信 号速率降低到 90Kbit S 以下时 假定最大允许的信号损失为 6dBV 时 则电缆长度被限制在 1200M 实际上 这样的曲线是很保守的 在 实 用时是完全可以取得比它大的电缆长度 当使用不同线径的电缆 则取得 的最大电缆长度是不相同的 例如 当数据信号速率为600Kbit S 时 采用 24AWG 电缆 则这样可知最 大电缆长度是 200m 若采用 19AWG 电缆 线径为 0 91mm 则电缆长 度将可以大于 200m 若采用 28AWG 电缆 线径为 0 32mm 则电缆 长度只能小于 200m RS 485 总线 在要求通信距离为几十米到上千米时 广泛采用RS 485 串 行总线标准 RS 485 采用平衡发送和差分接收 因此具有抑制共模干扰的能力 加上总线收发器具有高灵敏度 能检测低至200mV 的电压 故传输信号能在千 米以外得到恢复 RS 485 采用半双工工作方式 任何时候只能有一点处于发送 状态 因此 发送电路须由使能信号加以控制 RS 485 用于多点互连时非常方 便 可以省掉许多信号线 应用RS 485 可以联网构成分布式系统 其允许最多 并联 32 台驱动器和 32 台接收器 以往 PC 与智能设备通讯多借助 RS232 RS485 以太网等方式 主要取决 于设备的接口规范 但 RS232 RS485 只能代表通讯的物理介质层和链路层 如 果要实现数据的双向访问 就必须自己编写通讯应用程序 但这种程序多数都不 能符合 ISO OSI 的规范 只能实现较单一的功能 适用于单一设备类型 程序不 具备通用性 在 RS232 或 RS485 设备联成的设备网中 如果设备数量超过2 台 就必须使用 RS485 做通讯介质 RS485 网的设备间要想互通信息只有通过 主 Master 设备中转才能实现 这个主设备通常是PC 而这种设备网中只允许 存在一个主设备 其余全部是从 Slave 设备 而现场总线技术是以ISO OSI 模型为基础的 具有完整的软件支持系统 能够解决总线控制 冲突检测 链路 大庆石油学院应用技术学院毕业论文 14 维护等问题 3 3 典型的串行通讯 标准典型的串行通讯标准是 它们定义了电压 阻抗等 但不对软件协议给 予定义 于是 RS232 RS485的特性包括 1 RS 485的电气特性 逻辑 1 以两线间的电压差为 2 6 V 表示 逻辑 0 以两线间的电压差为 2 6 V 表示 接口信号电平比 RS 232 C 降 低了 就不易损坏接口电路的芯片 且该电平与 TTL 电平兼容 可方便与 TTL 电路连接 2 RS 485的数据最高传输速率为 10Mbps 3 RS 485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合 抗共模干能力增强 即抗噪声干扰性好 4 RS 485接口的最大传输距离标准值为 4000英尺 实际上可达 3000米 另 外 RS 232 C 接口在总线上只允许连接 1个收发器 即单站能力 而 RS 485接口 在总线上是允许连接多达 128个收发器 即具有多站能力 这样用户可以利用单 一的 RS 485接口方便地建立起设备网络 因 RS 485接口具有良好的抗噪声干扰性 长的传输距离和多站能力等上述优 点就使其成为首选的串行接口 因为RS485接口组成的半双工网络一般只需二根 连线 所以 RS485接口均采用屏蔽双绞线传输 RS485接口连接器采用 DB 9的 9芯插头座 与智能终端 RS485接口采用 DB 9 孔 与键盘连接的键盘接口 RS485采用 DB 9 针 大庆石油学院应用技术学院毕业论文 15 第四章 RS 485485 工业上的应用工业上的应用 4 1 RS 485 集线器 RS 485 集线器是一款专为解决复杂的电磁场环境下 RS 485 总线大系统要求而设 计的 RS 485 总线分割集中器 485hub 可以提供更加灵活的 RS 485 星型总线结构 RS 485 接口输入 输出端均采用独立驱动方式 改变原有总线的单一式结构为星型 网络结构 可以给工程建设及系统的稳定性带来极大的好处 产品特点 工业级光电隔离 为所有的 RS 485接口提供3KV 以上的光电隔离 有效的解决 了外界雷击浪涌和地电位差带来的传输问题 短路开路保护 具有 RS 485端口故障告警功能 并能自动切掉故障端口 这种 设计能够保证当其中连接的 RS 485端口设备发生故障时 出现问题的 RS 485端口将 被隔离 以确保其他网段的设备正常工作 星形连接 提供更加灵活的 RS 485星型总线结构 RS 485接口输入 输出端均采 用独立驱动方式 改变原有总线的单一式结构为网络结构给工程建设及系统的稳定 性带来极大的好处 数据流向自动控制 通过硬件解决数据