串行通讯基础与接口技术标准详细课件.pptx

串行通信基础及接口技术标准,主讲人:*,在串行通信时，收发双方要解决的问题:以何种速率进行数据的发送和接收波特率采用何种数据格式帧格式接收方如何得知一批数据的开始和结束帧同步接收方如何从位流中正确地采样到位数据位同步接收方如何判断收到数据的正确性数据校验收发出错时如何处理出错处理,Q1什么是波特率，波特率与比特率有什么区别？Q2什么是帧?,波特率,码元：在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示数字。这样的时间间隔内的信号称为码元，这个间隔称为码元长度波特率：是码元传输速率单位，他说明单位时间传输了多少个码元。比特率：是信息量传送速率单位，即每秒传输二进制代码位数。bit/s注意：单位“波特”本身就已经是代表每秒的调制数，以“波特每秒”为单位是一种常见的错误。,如每秒钟传送240个字符，而每个字符格式包含10位（1个起始位，1个停止位，8个数据位），这时的波特率为240Bd，比特率为10位*240个/秒=2400bps。又比如每秒钟传送240个二进制位，这时的波特率为240Bd，比特率也是240bps。,字符、二进制位都是码元，只是码元长度不一样。波特率只和码元的数量有关系，和码元的长度无关；而比特率不仅和码元的数量有关系，还和码元的长度有关系，也即比特率和多少个二进制位组成的码元有关系。,帧,在通信网络中，计算机通信传输的是由“0”和“1”构成的二进制数据，二进制数据组成“帧”，帧是网络传输的最小单位。“帧”数据由两部分组成：帧头和帧数据。帧头包括接收方主机物理地址的定位以及其它网络信息，帧数据区含有一个数据体。为确保计算机能够解释数据帧中的数据，这两台计算机使用一种公用的通讯协议。（互联网使用的通讯协议简称IP，即互联网协议。IP数据体由两部分组成：数据体头部和数据体的数据区。数据体头部包括IP源地址和IP目标地址，以及其它信息。数据体的数据区包括用户数据协议，传输控制协议TCP，还有数据包的其他信息。）,实际传输中，在铜缆（指双绞线等铜质电缆）网线中传递的是脉冲电流；在光纤网络和无线网络中传递的是光和电磁波（当然光也是一种电磁波）。针对高速脉冲电流而言，我们人为地用低电平的脉冲代表“0”、用高电平的脉冲代表“1”。这些虚拟的“0”或“1”就是“位”（Bit）。在计算机网络中一般8个位组成了一个“字节”（Byte）。字节（Byte）是计算机的数据储存单位。初学者大都会把“Bit”（位）与“Byte”（字节）相混淆，谈到100Mbps以太网，就以为它是每秒钟能传100MB数据的网络，实际上只是25MB（理论值）。,帧,如果把脉冲电流看成是轨道，那么帧就是运行在轨道上的火车。火车有机车和尾车，帧也有一个起点，我们称之为“帧头”，而且帧也有一个终点，我们称之为“帧尾”。帧头和帧尾之间的部分是这个帧负载的数据（相当于火车车头和车尾之间的车厢）。电影中一幅画面就是电影的一帧，实际上就是电影胶片中的一格，当电影画面换幅频率达到每秒15幅30幅时，观众便见不到黑暗的间隔了，这时人“看到”的就是运动的事物，这就是电影的基本原理。,帧,传输速度与传输速率,传输速度单位Mb/s（兆字节/秒）传输速率单位Mbps（兆位/秒）,数值上相等,1Mb/s（兆字节/秒）=8Mbps（兆位/秒）,比如：,480Mbps=6Mb/s,12Mbps=1.5Mb/s,40000Mbps=5Gb/s,1.5Mbps=0.19Mb/s,USB1.0,USB1.1低速与高速传输,USB2.0,USB3.0,串行通信的两种基本方式,工业通信中广泛地使用串行数据通信，串行通信是以二进制的位（bit）为单位的数据传输方式，每次只传送一位，最少只需要两根线（双绞线）就可以连接多台设备，组成控制网络。,在串行通信中，接收方和发送方的额定传输速率虽然相同，双方实际的传输速率之间总是有一些微小的差别。如果不采取措施，在连续传送大量的信息时，将会因积累误差造成发送和接受的数据错位，使接收方收到错误的信息。为了解决这一问题，需要使发送过程和接受过程同步。按照同步方式的不同，串行通信分为异步通信和同步通信。,所谓的异步通信，是指通信中两个字符的时间间隔是不固定的，而同一字符中的相邻代码间时间间隔是固定的。,异步通信,异步通信采用字符同步方式，发送的字符由以下组成：、1个起始位、数据位（5位、6位、7位或8位）、1个奇偶校验位（可有可无）、停止位（1位或2位）通信双方需要对采用的信息格式和数据的传输速率作相同的约定。由于一个字符信息格式包含的位数不多，即使发送方和接收方的收发频率略有不同，也不会因为两台设备之间的时钟周期的积累误差而导致信息的发送和接收错位。异步通信传送的附加非有效信息较多，传输速率较低，但是随着通信速率的提高，一般可以满足控制系统通信要求。,异步通信字符信息格式,接收方检测到停止位和起始位之间的下降沿后，将它作为接收的起始点，用起始位表示字符的开始，用停止位表示字符结束，其通信协议是起止式异步通信协议。,起、停位数据位奇偶校验位作用,一、起始位与停止位,二、数据位,三、奇偶校验位,数据位的个数可以是5，6，7或8位的数据。在字符数据传送过程中，数据位从最低位开始传输。,数据发送完之后，可以发送奇偶校验位。奇偶校验位用来检测接收到的数据是否出错。如果指定的是偶校验，发送方发送的每一个字符的数据位和奇偶校验位中“1”的个数为偶数。如数据位包含4个“1”，奇偶校验位将是0；如果数据位包含5个“1”，奇偶校验位将是1。这样可以保证数据位和奇偶校验位中“1”的个数为偶数。,收发双方必须遵守共同的通信协议（通信规程），才能解决传送速率、信息格式、位同步、字符同步、数据校验等问题。,在异步通信中，字符数据以图所示的格式一个一个地传送。在发送间隙，即空闲时，通信线路总是处于逻辑“1”状态，每个字符数据的传送均以逻辑“0”开始。,串行通信时的数据、控制和状态信息都使用同一根信号线传送。,同步通信,同步通信是一种比特同步通信技术，要求发收双方具有同频同相的同步时钟信号，只需在传送报文的最前面附加特定的同步字符，使发收双方建立同步，此后便在同步时钟的控制下逐位发送/接收。同步通信以一个数据块为传输单位，每个数据块附加1个或2个同步字符，最后以校验字符结束。,不发送数据时，传输线呈现高电平。,同步字符可以为1个或2个。,根据双方约定，接收方监测到同步字符后，接收被发送的字符流；将接收到的字符转换成并行数据。,1位,1,1,0,0,0,0,1,先发送高位,发送方在时钟信号的下降沿发送字节,接收方在时钟信号的上升沿接收字节,时钟,0,同步通信的帧格式：同步传输需要定义一个帧的开始和结束。通常用1个同步字符(标志符)来表示。,同步通信的特点是不仅字符内部保持“同步”，而且字符与字符之间也是同步的。在这种通信方式下，收/发双方必须建立准确的位定时信号，也就是收/发时钟的频率必须严格地一致。每个字符不增加任何附加位，而是连续发送。,同步通信的特点,并行通信：所传送数据的各位同时发送或接收。串行通信：所传送数据的各位按顺序一位一位地发送或接收。,并行通信:速度快,但成本高,传输距离受限;串行通信:通信设备简单、便宜，通信线少,传输距离远,但速度较慢。,串行通信的基本概念,串行通信与并行通信,假设要发送以下数据：,接收方要正确接收这些数据，就必须知道数据什么时候开始发送，什么时候结束，要不然，可能会将数据接收成：,丢失,丢失,数据错位，导致数据丢失,同步与异步区别,同步与异步区别,发送方在发送数据前先发出一个特殊的电信号，让接收方准备好接收数据，然后发送方就将以上数据全部连续发出，发送完毕后，再发送一个特殊的电信号表示数据发送结束。我们可以用以下图表示同步信号通讯。,同步通讯协议,数据包,然后，接收方按照事先约定，即每两位一个数值，将数据包分成一个个数值。,发送方每发送一个数据都要发一“开始”标志，每个数据发送结束后都发出一个“结束”标志。用下图表示异步通讯信号。,异步通讯协议,因此，对于发送方发送数据的时间不确定（即发送一个数值，另一个数值可能几秒后才发送）的情况，适合使用异步通讯。,任何方式的串行通信，同步的过程必须有，也就是说通信双方必须保持“同步”。,长距离通信多使用“异步”通信方式，这里的“异步”不是指通信双方不需要同步，而是指通信双方之间不使用专用的同步信号线传送数据，而是各自仅依赖于自己的系统时钟（这个就是异步的！），再根据约定的规程，调节自己的“步伐”达到双方的同步。,同步与异步区别,1、异步传输是面向字符的传输，而同步传输是面向比特的传输。,同步与异步区别,总结,2、异步传输的单位是字符而同步传输的单位是桢。,3、异步传输通过字符起止的开始和停止码抓住再同步的机会，而同步传输则是以数据中抽取同步信息。,4、异步传输对时序的要求较低，同步传输往往通过特定的时钟线路协调时序。,5、异步传输相对于同步传输效率较低。,6、同步传输方式中发送方和接收方的时钟是统一的、字符与字符间的传输是同步无间隔的。异步传输方式并不要求发送方和接收方的时钟完全一样，字符与字符间的传输是异步的。,1、单工：两个传输站点之间一方只能发送，另一方只能接收。,2、半双工：两个传输站点之间任何一方都能发送数据，但由于设备之间只有一条通信线路，在同一时刻只能在一个方向上传输数据，如对讲机。,数据传送方向,3、全双工：两个传输站点之间双方使用不同的通信线路，同时发送和接收数据，如电话。,串行通信接口标准,主要介绍主流的3种标准：,RS-232,RS-422,RS-485,RS-232C串行接口标准,RS-232C是美国电子工业协会EIA(ElectronicIndustryAssociation)于1962年制定的一种串行通信接口标准(1987年1月修改的RS-232C标准称为RS-232D，不过两者差别不大，因此仍可用旧标准)。RS-232C标准规定了在串行通信中数据终端设备(简称DTE，如个人计算机)和数据通信设备(简称DCE，如调制解调器)间物理连接线路的机械、电气特性，以及通信格式和约定，该标准是异步串行通信中应用最广泛的总线标准。,RS-232串行接口标准,RS-232的引脚功能,完整的RS-232C接口由主信道、辅信道共22根连线组成，不过该标准对引脚的机械特性并未做严格规定，一般采用标准的25芯D型插座(通过25芯D型插头连接)，其接口信号名称及主要信号流向如图（a）所示。尽管辅信道也可用于串行通信，但速率低，很少用。,RS-232串行接口标准,RS-232的引脚功能,此外，当两个设备以异步方式通信时，也无需使用主信道中所有的联络信号，因此RS-232C接口也可以采用9芯D型插座(如微机系统中的串行口)，其接口信号名称及主要信号流向如图(b)所示。,RS-232串行接口标准中主信道重要信号的含义：,TXD：串行数据发送引脚，输出。RXD：串行数据接收引脚，输入。DSR：数据设备(DCE)准备就绪信号，输入，主要用于接收联络。当DSR信号有效时，表明本地的数据设备(DCE)处于就绪状态。DTR：数据终端(DTE)准备就绪信号，输出，用于DTE向DCE发送联络。当DTR信号有效时，表示DTE可以接收来自DCE的数据。,RTS：发送请求，输出。当DTE需要向DCE发送数据时，向接收方(DCE)输出RTS信号。CTS：发送允许或清除发送，输入。作为“清除发送”信号使用时，由DCE输出，当CTS有效时，DTE将终止发送(如DCE忙或有重要数据要回送DTE)；而作为“允许发送”信号使用时，情况刚好相反：当接收方接收到RTS信号后进入接收状态，接收方准备就绪后向请求发送方回送CTS信号，发送方检测到CTS有效后，启动发送过程。,实际上，RS-232C接口联络信号没有严格定义，通过RS-232C接口标准通信的两个设备可能只使用其中的一部分联络信号，在极端情况下也可能不使用联络信号，只通过TXD、RXD和GND三根连线实现串行通信。此外，联络信号的含义和连接方式也可能因设备种类的不同而有差异。正因如此，通过RS-232C接口通信的设备可能遇到不兼容的问题。,RS-232串行接口标准,RS-232的引脚功能,为保证数据的可靠传送，RS-232C采用负逻辑，标准规定发送数据线TXD和接收数据线RXD均采用EIA电平，即传送数字“1”时，传输线上的电平在3V15V之间；传送数字“0”时，传输线上的电平在315V之间。,RS-232串行接口标准,RS-232的引脚功能,RS-232串行接口标准,RS-232C的特点,RS-232C采取不平衡传输方式，即使用单端驱动、单端接受电路，是一种共地的传输方式，容易受到公共地线上的电位差和外部引入的干扰信号的影响。RS-232C有被USB取代的趋势。RS232C最大通信距离是15m，最高传输速率为20kbit/s，只能进行一对一的通信。,RS-232C远距离串行通信必须使用Modem，增加了成本。在分布式控制系统和工业局部网络中，传输距离常介于近距离(20m2km)之间的情况，这时RS-232C不能采用，用Modem又不经济，因而需要制定新的串行通信接口标准。,RS-232串行接口标准,RS-232的特点,RS-232C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-232C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。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。,RS-422串行接口标准,1977年EIA制定了RS-449。它除了保留与RS-232C兼容的特点外，还在提高传输速率，增加传输距离及改进电气特性等方面作了很大努力，并增加了10个控制信号。与RS-449同时推出的还有RS-422和RS-423，它们是RS-449的标准子集。另外，还有RS-485，它是RS-422的变形。RS-422、RS-423是全双工的，而RS-485是半双工的。,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，采用这种平衡驱动差分接收电路，提高了数据传输速率(最大位速率为10Mb/s)，增加了传输距离(最大传输距离1200m)。RS-422使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为B。,RS-422串行接口标准,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-26V，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。接收器也作与发送端相对的规定，收、发端通过平衡双绞线将AA与BB对应相连，当在收端AB之间有大于+200mV的电平时，输出正逻辑电平，小于-200mV时，输出负逻辑电平。接收器接收平衡线上的电平范围通常在200mV至6V之间。,RS-422串行接口标准,RS-423标准规定采用单端驱动差分接收电路，其电气性能与RS-232C几乎相同，并设计成可连接RS-232C和RS-422。它一端可与RS-422连接，另一端则可与RS-232C连接，提供了一种从旧技术到新技术过渡的手段。同时又提高位速率(最大为300Kb/s)和传输距离(最大为600m)。,RS-422串行接口标准,典型的RS-422四线接口（实际上还有1根信号地线，共5根线）：,DB9是连接器引脚定义：,RS-422串行接口标准,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，其余为从设备，从设备之间不能通信，所以RS-422支持点对多的双向通信。接收器输入阻抗为4k，故发端最大负载能力是104k+100（终接电阻）。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10Mb/s。其平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s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1Mb/s。,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。在短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。,RS485，在RS422后推出，绝大部分继承了422，主要的差别是RS485可以是半双工的。现在大多数全双工485驱动/接收器对都是标：RS422/485，因为全双工RS485的驱动/接收器一定可以用在RS422网络。,RS-485串行接口标准,RS-485串行接口标准,因RS-485为半双工的，当用于多站互连时可节省信号线，便于高速、远距离传送。许多智能仪器设备均配有RS-485总线接口，将它们联网也十分方便。串行通信由于接线少、成本低，在数据采集和控制系统中得到了广泛的应用，产品也多种多样,智能仪表是随着80年代初单片机技术的成熟而发展起来的，现在全球仪表市场基本被智能仪表所垄断。究其原因就是企业信息化的需要，企业在仪表选型时其中的一个必要条件就是要具有联网通信接口。最初是数据模拟信号输出简单过程量，后来仪表接口是RS232接口，实现点对点的通信，但这种方式不能实现联网功能。随后出现的RS485解决了这个问题。,RS-485串行接口标准,RS-485采用差分信号负逻辑，-2V-6V表示“0”，+2V+6V表示“1”。RS485有两线制和四线制两种接线，四线制只能实现点对点的通信方式，现很少采用，现在多采用的是两线制接线方式，这种接线方式为总线式拓扑结构在同一总线上最多可以挂接32个结点。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。在RS485通信网络通中一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。,很多情况下，连接RS-485通信链路时只是简单地用一对双绞线将各个接口的“A”、“B”端连接起来。而忽略了信号地的连接，这种连接方法在许多场合是能正常工作的，但却埋下了很大的隐患，这有二个原因：(1)共模干扰问题：RS-485接口采用差分方式传输信号方式，并不需要相对于某个参照点来检测信号，系统只需检测两线之间的电位差就可以了。但人们往往忽视了收发器有一定的共模电压范围，RS-485收发器共模电压范围为-7+12V，只有满足上述条件，整个网络才能正常工作。当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠，甚至损坏接口。(2)EMI问题：发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路，如没有一个低阻的返回通道（信号地），就会以辐射的形式返回源端，整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。,RS-485串行接口标准,工业通讯网络介绍：,RS485网络,HART网络,现场总线网络,HART网络：HART是由现在的艾默生提出一个过度性总线标准，他主要是在420毫安电流信号上面叠加数字信号，物理层采用BELL202频移键控技术，以实现部分智能仪表的功能，但此协议不是一个真正意义上开放的标准，要加入他的基金会才能拿到协议，加入基金会要一部分的费用。技术主要被国外几家大公司垄断，近两年国内也有公司在做，但还没有达到国外公司的水平。现在有很大一部分的智能仪表都带有HART圆卡，都具备HART通讯功能。但从国内来看还没有真正利用其这部分功能，最多只是利用手操器对其进行参数设定，没有发挥出HART智能仪表应有的功能，没有联网进行设备监控。从长远来看由于HART通信速率低组网困难等原因，HART仪表的采购量会呈现下滑趋势，但由于HART仪表已经有十多年的历史，现在装数量非常大，对于一些系统集成商来说还有很大的可利用空间。,RS-485串行接口标准,工业通讯网络介绍：,现场总线网络：现场总线技术是当今自动化领域技术发展热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网，它的出现标志着自动化控制技术又一个新时代的开始。现场总线是连接设置在控制现场的仪表与设置在控制室内的控制设备的数字化、串行、多站通信的网络。其关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通信。现场总线技术近年来成为国际上自动化和仪器仪表发展的热点，它的出现是传统的控制系统结构产生了革命性的变化，是自控系统朝着智能化、数字化、信息化、网络化、分散化的方向迈进，形成新型的网络集成式全分布式控制系统-现场总线控制系统FCS。但是现在的现场总线的各种标准并行存在并且都有自己的生存领域，还没有形成真正统一的标准，关键是看不到什么时候能形成统一的标准，技术也不够成熟。另外现场总线的仪表种类可供选择的余地小，价格偏高，从最终用户的角度看大多还处于观望状态，都想等到技术成熟之后在考虑，现在实施的少。,RS-485串行接口标准,工业通讯网络介绍：,RS485网络：RS485/MODBUS是现在流行的一种布网方式，其特点是实施简单方便，而且现在支持RS485的仪表又特多，特别是在油品行业RS485/MODBUS简直是一统天下，现在的仪表商也纷纷转而支持RS485/MODBUS，原因很简单，原来的HART仪表想买一个转换口非常困难而且价格昂贵，RS485的转换接口就便宜的多而且种类繁多。至少在低端市场RS485/MODBUS还将是最主要的组网方式，近年内不会改变。,RS-485串行接口标准,工业通讯网络介绍：,RS-485串行接口标准,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：（1）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。有些网络连接尽管不正确，在短距离、低速率仍可能正常工作，但随着通信距离的延长或通信速率的提高，其不良影响会越来越严重，主要原因是信号在各支路末端反射后与原信号叠加，会造成信号质量下降。（2）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。,RS-485网络结构注意事项：,RS-485串行接口标准,在RS485组网过程中另一个需要注意的问题是终端负载电阻问题，在设备少距离短的情况下不加终端负载电阻整个网络能很好的工作但随着距离的增加性能将降低。理论上，在每个接收数据信号的中点进行采样时，只要反射信号在开始采样时衰减到足够低就可以不考虑匹配，但这在实际上难以掌握。一般终端匹配采用终端电阻方法，RS-485应在总线电缆的开始和末端都并接终端电阻。终端电阻在RS-485网络中取120。相当于电缆特性阻抗的电阻，因为大多数双绞线电缆特性阻抗大约在100120。这种匹配方法简单有效，但有一个缺点，匹配电阻要消耗较大功率，对于功耗限制比较严格的系统不太适合。另外一种比较省电的匹配方式是RC