浅析现场通讯技术

1、现场通讯技术摘要 本文对通讯的基本概念介绍，加以分析了常见的现场通讯接口，并且以我厂的电能表 协议为例详细的介绍了通讯的协议关键字通讯串行接口协议1通讯的概念1.1通讯基础通讯简而言之就是两个计算机之间进行通讯或以一个计算机与外部设备进行通讯。它一般分为串行通讯与并行通讯并行通讯一一数据各位同时传送串行通讯一一数据一位一位顺序传送，如（图1 一 1）。并行串行tI 图1-1并行通信与串行通信从图中可以看到，并行通讯数据有多少位就要有多少条传送线，而串行通讯只要一条传 送线。串行通讯节省传送线,特别是当位数很多，传输距离很长时，这个优点更突出。但串行 通讯速度幔。若并行通讯传送需要的时间为T,则

2、串行传送至少为NT（英中N为位数）。 电子式多功能电能表与外界通讯都是串行的。下而将对串行通讯进一步介绍。1.2 波特率（Baud rate）CPU要想把自已内部的数据以数据流的方式串行传送给外界，必须规左一个发送速度, 外界要想收到这些串行数据也必须按同一速度接收。这个传送速度就叫波特率。如CPU以 每积1 2 00位二进制数码的发送速度向外发送，外界设备也必须以每秒1 2 0 0位速度才能把 这些二进制数码接收下来，我们称其传送速度为12 0 0波特，每位传送时间Td为波特率的 倒数：Td = ! = 08333/卅1200波特率是串行通讯重要参数，波特率也是衡量信道频宽的指标。1. 3同

3、步传送与异步传送假设计算机从传送开始到传送结束都以同样的波特率把自己的所有数据串行传送给外界, 这种传送方式称为串行同步传送。串行同步传送一般用两条传送线，一条传同步信号，一条 传数据。一位时间収决于波待率图1-2 同步传送上图CPU可把10010-一串数据源源不断地传送给外界。用同步信号前沿辩认数据是 “1”还是0 ”，同步信号起着协调汁算机与外界的收发速率的作用。两条线对远距离传输 也是不可取的，成本很高，如果取消同步信号，只是规定相同的波特率，由于讣算机与外界 之间速率差异，积累误差越来越大，可能发生认错”现象。为了解决“错认”问题提出异步 通讯槪念。异步通讯基本方法是把串行数据流分成若

4、干组，每组二进制数目个数相等。一组二进制 数组成一个字节或一个字符。典型的字符格式下图（1-3）笫n个字符第（旷1）个字符MARK奇偶例卜&校验停止位410D。D1D,D3D1D5D6d71 1 1 10()/1 0/1ttA空闲位起始位匕位数据卜一个字符起始位低位高位下降边指出下一 个字符的开始图1-3 字符格式一个字符由一个起始位，一个停止位,8-12数据位和一个奇偶校验位组成。起始位下降 边指示传送开始。从这一时刻开始按双方约龙的波特率传送数据位和奇偶校验位。停止位数 拯变为“ 1 ”，下边是空闲位，等待下一个起始位再传送。从上而介绍中我们知道所谓异步 串行通讯是字符与字符之间异步的，字

5、符内部以起始位下降边为起点，还是同步的。1.4单工与双工发送器接受器发送器接受器发送器接受器A数据bA数据BA数据RA ；（a）单工（b）半双工（c）双工图1-4通信方式串行通讯中，数据在通讯线路上传送方式有三种:单工方式、半双工方式和全双工方式。 单工方式：如（图l-4a）只允许数据按一个固定方向传送，A只能发送，叫发送器,B方只能接受, 叫接收器。（图1-4 b ）为半双工：数据既能从A传到B,也能由B传到A,因此A、B都是收发器， 但由于A、B之间只有一条线，信号只能分时在两个方向传输，不能同时双向传输，所以称为 半双工。在待命时，A、B双方向都处于接受方式以便随时响应对方的呼叫。（图1

6、-4c）为全双工:A、B都是收发器，且由于相互之间有两根线,A、B可同时接收或发 送。显然，为了实现全双工传输，发、收资源必须完全独立，数拯通道必须完全分开。在A、 B双方控制逻辑的协调下，才可以实现真正的双工方式。2常用的接口RS-23 2、RS-4 2 2与1一48 5都是PCM设备上常用的串行数据接口标准，都是由电子 工业协会（EIA）制订并发布的，RS- 2 3 2在196 2年发布。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-4 2 2-A标准,RS是英文“推荐标准”的 缩写,422为标识号，A表示修改次数。RS-42 2是由RS-2 3

7、2发展而来的，改进RS- 2 32通 信距离短、速率低的缺点，而且抗干扰能力强。RS-422立义了一种平衡通信接口，将传输速 率提髙到10Mbps,传输距离延长到400 0英尺（速率低于1 0 0Kbps时）,并允许在一条平衡 总线上连接最多10个接收器。为扩展应用范围，E I A又于1983年在RS-422基础上制左 TRS-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，扩展了总线共模范帀，后命名为TIA/EIA-485A标准。2.1 RS-2 3 2标准串行接口RS-2 3 2是美国电子工业协会E IA制左的一种串行物

8、理接口标准。RS-232的机械特性要求:规泄使用一个2 5芯标准连接头，每个引脚有固立的泄义,结合功 能特性，给岀在（表1-1）（表1-DRS-2 3 2接口插头引脚信号引脚号说明引脚号说明*1保护地14（辅信道）发送数据*2发送数据*1 5发送信号无泄时（DCE为源）*3接收数据16（辅信道）接收数据*4请求发送（RTS）17接收信号无立时（DCE）为源*5允许发送（CTS,或淸除发送）18未定义*6数传机（DCE）准备好19（辅信道）请求发送（RTS）*7信号地（公共回线）*20数据终端准备好*8接收线信号检测*2 1信号质量检测*9（保留供数传机测试）*22振铃指示10（保留供数传机测试

9、）*23数据信号速率选择（DTE / DC E为源）1 1未定义*24发送信号无定时（DTE为源）1 2（辅信道）接收线信号检测25未定义注:表中打有*号的引脚为主信道引脚，其它为未立义或辅助信道引脚。RS-232电气特性：如（表1-2）（表1 一2） RS-232电气特性表电气特性参数范围电气特性参数范围带3-7 K Q负载时驱动器的输岀电平逻辑1 : +5V到+15V逻辑0 ： 5V到-15V接收器输入电压的允许范用 输入开路时接收器的输出-2 5 V 至IJ+2 5 V逻辑1不带负载时驱动器的 输出电平-25到+2 5 V输入经300 Q接地接收器的输出逻辑1驱动器通断时的输出阻抗30

10、0 Q-3 V输入时接收器的输岀逻辑0输出短路电流0. 5A一3V输入时接收器的输出逻辑1驱动器转换速率 1 2 k QRS48 5标准规左了差分平衡电气接口平衡驱动和差分接收的方法（图1-7）,从根本上消除 了信号地线，这相当于两个单端驱动器，输入同一个信号时，英中一个驱动器输出永远是另MC3487MC3486图1一7 平衡驱动和差分接收电路一个驱动器的反相信号。于是两条线上传送的信号电平，当一条表示逻辑1”时，另一条为 逻辑“0”。在干扰信号作为共模信号出现时，接收器接收差分输入电压，只要接收器有足够 的抗共模电压工作范国，就能识别两个信号并正确接收传送的信息。因此,RS- 4 85能在长

11、 距离、髙速率下传输数据，它能够在120 0米距离内把速率提高到10 0 kbps；在较短距离内， 其传输速率可高达1 0Mb pSo这种性能的改善是由于平衡结构而产生的，差分平衡结构可 以从地线的干扰中分离岀有效信号，英最大可区分0.20V的电位差值。因此一般不受地电位 的波动和共模电磁干扰。RS- 4 85为半双工工作方式，因而可采用一对平衡差分信号线来连接。采用RS-485 进行两点间通讯的连接图，如（图1-8） o图1 一8 RS485两点传输电路RS-485还可以用于多点互连系统和主从环形通讯链路。如（图1 -9）RS48 5多点互 连系统和（图l-10）RS4 8 5环形数据链路系

12、统。图1-10RS485环形数擔链路系统2.3 RS-422 接口RS-422的电气性能与RS- 4 85完全一样主要的区别在于:RS-4 22有4根信号线：两根发送（Y、Z）.两根接收（A、B）。由于R S -422的收与 发是分开的所以可以同时收和发（全双工）o RS-485有2根信号线:发送和接收都是A和B。 由于RS-4 8 5的收与发是共用两根线所以不能够同时收和发（半双工）。能否将RS-4 2 2的 Y-A短接作为RS-4 85的A.将RS-422的Z-B短接作为R S -485的B呢？回答： 不一泄。条件是RS-42 2必须是能够支持多机通信的。波士电子的所有接口转换器的RS-4

13、2 2 口都能够支持全双工多机通信，所以可以这样简单转换为RS-485。2.4红外光学接口在I EC 1 1 0 7 - 1 99 2中，就直接本地数据交换问题，规龙了手持单元与费率装宜间 的联接规范，该标准规左这种连接可以是永久的，也可以是暂时的,可以是电气的，也可以是 光学的。I EC1107的光学接口是直接红外光。由于这种连接方式，信噪比小，抗干扰力差，因此标准要求读数头用磁吸附的形式，紧贴到复费率单元的光学接口上。读数头的结构形式左义于（图1 一 11）。环形磁钢侧视图读数头透视图图1-11读数头的结构形式光学特性规定为：波长在80 0 nm与1000 n m之间信号发射时，不论是复费

14、率单元还是读数接收头，在发光头1 0mm （1呗）处，参考而上的 幅照度E,极限值为：ON 状态：5 0 Ou W / cmWEW500 0 0 u W/Cm=OFF 状态：1 OuW/cm3信号接收时，在红外接收头10mm （lmm）处，接收器在满足如下辐照度E的前提下，应该 可靠的接收状态：07 状态：E 2 0 0 uW/c m=OFF状态：E2 0 uW/ cm2最大传输速度应至少为24 0 0波特虽然没有规定机械调准法，但在实验条件下仍可取得最佳的数据传输，方法为：当读数头位 于正确位置（电缆下垂）时，调准费率装置中的红外线接收器使北正对着读数头中的红外线发 射器,读数头中的红外线接

15、收器使其正对着费率装置中的红外线发射器。位置上的微小偏差应不会对性能有较大的影响，但若是有较大的偏差可能会引起光学性能的 降低。3通讯协议通讯协议是发、收双方事先约定的共同遵守则的规则。主要规定： .通讯方式；.通讯接口：字符格式；通讯速率：.差错控制;帧格式。 电子式多功能电能表与外界的通讯方式大都采用串行异步半双工的通讯方式通讯接口主要 有RS-232, RS-485和直接光学接口三种.字符格式，如（图1 一29）。起始与停止位是功能码。 奇偶校验位判断是否存在传输错误，叫差错控制码。DO DI D 2 D3 D4 D 5 D6 D7为数 拯码，是传送的主体。苴D0D7为0、1两种状态。连

16、续8个0/1,如1 0 001111在不同的 码制中代表不同的含义。在16进制中代表4F。在ASCI I C码中,0001111代表英文字母“0”; 一般在数码后加B代表二进制，加H代表1 6进制、ASCI I码后不加后缀。所谓帧格式就是上述四条命令及英回答的格式。不同的通讯协议帧格式的规定不同。下 而以我厂电能表所采用的部颁DL / T 6 45-1997协议为例概要叔述。DL / T64 5 - 1 997协议通讯协议概要 通讯方式;串行异步半双工 通讯接口： RS-23 2 , RS-485, IEC1107直接红外光 字符格式：1位起始位，1位停止位,8位数据位偶校验。 帧是传送信息的

17、基本单元。帧格式如下图所示。说明代码帧起始符68II地址域A0A1A2A3A4A5帧起始符68H控制码C数据长度域L数据域DATA校验码CS结朿符1 6Ha .帧尼始符6 8 H:标识一帧信息的开始，英值为68H二0 1 1 0 1 000 B 0b. 地址域A0A5：地址域由6个字节构成，每字节2位BCD码。地址长度可达1 2位十 进制数，可以为表号、资产号、用户号、设备号等。具体使用可由用户自行决泄。当使用的 地址码长度不足6字节时，用十六进制AAH补足6字节。低地址位在先，高地址位在后。当 地址为9999 9 9 9 9999911时，为广播地址。c. 控制码C:控制码的格式如下所示。D

18、7D6D5DiD3D2DIDO 后续帧标志功能码从站异常标志 传送方向D7=0:由主站发出的命令帧D7=l：由从站发岀的应答帧D6=0:从站正确应答D6= 1 :从站对异常信息的应答D5=0：无后续数据帧D5=l ：有后续数据帧D4 DO：请求及应答功能码0 0 000：保留00001;读数据0 0 0 10：读后续数据0 00 11：重读数据0010 0：写数据0 1 000：广播校时01 0 10:写设备地址0 1100：更改通信速率01 1 1 1：修改密码1 0 0 0 0：最大需量淸零d. 数据长度L： L为数据域的字节数。读数据时L DIo=9010H（数据项）表示当前正向有功总电能。B）、标识码DIDI产901FH（数据块）表示当前正向总电能与各费率电能集合（总电能，费率1、费率2费率k的电能）.C）、标识码DLD I o=90F0H（数据集合）表示当前正向和反向有功电能。由两项即9010H （当前正向有功总电能）和