现场总线-工业通信与网络技术 教案 第9讲-UART.Modbus 1

工业通信与网络技术教案第1页课程题目第9讲现场总线——UART·Modbus（1）基于UART的串行通信基本特征与节点的一般构成、EIA/TIA/RS232接口标准、EIA/TIA/RS485接口标准课时2学时教学目的：掌握EIA/TIA/RS232和EIA/TIA/RS485的接口标准；掌握基于UART的串行通信基本特征与节点的一般构成。教学重点与难点：重点：EIA/TIA/RS232和EIA/TIA/RS485的接口标准；难点：两标准的电平转换芯片及接口电路。教学方法与手段：方法：讲授法；手段：课堂教学。教学内容与课时分配：基于UART的串行通信基本特征、EIA/TIA/RS232接口标准；1学时EIA/TIA/RS485接口标准。1学时教具：作业与思考：教学后记：备注教学内容工业通信与网络技术教案第2页备注教学内容第9讲现场总线——UART·Modbus（1）一、概述UART指通用异步收发器（UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter），即是采用异步串行通信方式的接口/装置。线路简单，实现容易。目前大多数微控制器都支持UART通信。1、基于UART的串行通信的基本特征图4-1异步串行通信字符帧格式1)当传输线（总线）上没有数据传输时，总线处于空闲状态“1”。2)发送器发送一帧数据（字符帧）时，首先发送一个起始位“0”标志一帧的起始。3)发送器在发送起始位后，紧接着发送由5-8个二进制位组成的数据位（字符）。每一帧数据首先发送数据最低位，最后发送数据最高位。4)数据位发送完后，可以选择一个奇偶校验位，用于校验数据传输是否正确。可以选择奇校验，也可以选择偶校验，还可以选择无校验。5)最后发送停止位（停止元素），用以表示一帧的结束。停止位为“1”，可以是1位、1.5位或2位。图4-2基于UART的串行通信节点硬件的一般构成二、EIA/TIA/RS-232接口标准标准名词解释：EIA（ElectronicIndustriesAssociation）：美国电子工业协会；TIA（TelecommunicationsIndustryAssociation）：美国电信工业协会；RS（RecommendedStandard）：推荐标准；EIA/TIA/RS-232是EIA（ElectronicIndustriesAssociation）制定的物理接口标准；EIA/TIA/RS-232标准全称：数据终端设备(DTE)和数据线路端接设备（DCE）间使用串行二进制数据交换的接口（InterfaceBetweenDataTerminalEquipmentandDataCircuitTerminatingEquipmentEmployingSerialBinaryDataInterchange）；EIA-232可以应用在计算机、调制解调器、扫描仪、打印机等设备上；1、机械特性与电气特性图4-325芯和9芯插座EIA-232的接口为非平衡型：每根信号用一根导线；所有信号回路共用一根地线；这样的连接方式抗干扰能力较低。通信速率：20kbps以内；通信距离：15m以内；信号电平（负逻辑）；逻辑1：-3V~-15V之间（数据线上：传号Mark；控制线上：OFF状态）；逻辑0：+3V~+15V之间（数据线上：空号Space；控制线上：ON状态）。标准规定驱动端与接收端之间必须保证2V的噪声容限：在驱动端提供的一个逻辑电平在-5V~-15V之间，另一个逻辑电平在+5V~+15V之间。图4-4电气连接图2、功能特性与过程特性DB25和DB9各引脚的功能分配分别如表4-1和表4-2所示。表中所说的“发送”和“接收”都是从DTE（数据终端设备）的角度来说的。表4-1DB25引脚定义续表4-1表4-2DB9引脚定义2）DB25中常用的也就是DB9中定义的9根线，下面详细说明DB9中各信号的含义：（a）数据载波检测DCD：这是DCE向DTE发出的状态信息，指明从通信线路上收到的载波信号是否已经进入指定的范围。当DCD=ON时，表示接收信号已经进入指定范围，此时RxD上的数据是有效的。当DCD=OFF时，表示接收信号尚未进入规定的范围，此时DTE不能接收RxD上的数据。（b）接收数据RxD：这是DTE接收DCE发来数据的引线。当DCE不向DTE发送数据时，该线上的电压为-12V。DB9中的2号线对于DTE来说是接收数据线，对于DCE来说是发送数据线。（c）发送数据TxD：这是DTE向DCE发送数据的引线。当DTE不向DCE发送数据时，该线上的电压为为-12V。DB9中的3号线对于DTE来说是发送数据线，对于DCE来说是接收数据线。（d）数据终端就绪DTR：这是DTE向DCE发送的握手信号。当DTR=ON时，表示DTE处于就绪状态，希望本地DCE和远程DCE之间建立通信信道。当DTR=OFF时，DCE将停止通信。（e）信号地SG：EIA-232接口中所有电信号的公共回路，通过该引线将DTE和DCE的信号关联起来。（f）数据设备就绪DSR：这是DCE向DTE发送的握手信号。当DSR=ON时，表示本地DCE已和通信信道连通；当DSR=OFF时，表示本地DCE还没准备好。（g）请求发送RTS：这是DTE向DCE发出的握手信号。当RTS=ON时，表示DTE请求向DCE发送数据；当RTS=OFF时，表示DTE不想发送数据。在DTE有数据要发送或正在发送数据时，RTS都要保持ON状态。（h）允许发送CTS：这是DCE向DTE发出的握手信号。DCE收到DTE的RTS信号后延迟一段给定时间后给出该信号。当CTS=ON时，表示DCE已经准备好发送数据；当CTS=OFF时，表示DCE还没准备好，不能发送数据。（i）振铃指示RI：这是DCE向DTE发出的状态信息。表示本地DCE是否正在接收远程DCE的振铃信号。当RI=ON时，表示正在接收振铃信号；当RI=OFF时，表示不在接收振铃信号。3）EIA-232规定了DTE/DCE之间的控制信号与数据信号的发送时序、应答关系及操作过程等内容。示例：DTE发送数据过程。（a）当DTE要发送数据时，置EIA-232的DTR（数据终端就绪）为高电平（ON状态），通知本地DCE（如Modem）已准备好。如果本地DCE也已做好准备，即连接成功，DCE向DTE发送DSR（数据设备就绪）信号。（b）DTE置RTS（请求发送）为高电平（ON状态），通知本地DCE请求发送数据。本地DCE检测到RTS信号后，一方面向远端发送载波，另一方面通过延时电路控制CTS（允许发送）的接通（变为ON状态）。CTS需要延时接通是因为远程DCE从载波到达至给出DCD（数据载波检测）信号需要一段时间t。为了保证数据能被远程DCE正确接收，本地CTS的延时T应该大于t。远程DCE检测到载波后，置DCD为ON状态，通知远程的DTE准备接收数据。（c）DTE检测到CTS变为ON状态后，通过TxD发送数据，同时远程DTE通过RxD接收数据。（d）DTE发送完数据后，置RTS为OFF状态，通知本地DCE发送结束。本地DCE检测到RTS后，停止发送载波，并置CTS为OFF状态。远程DCE检测不到载波后，置DCD为OFF状态。（e）本地DTE置DTR线为OFF状态，通知DCE释放连接。DCE检测到DTR的OFF状态后，置DSR为OFF状态作为回答，至此发送数据过程结束。3、常用连接方法EIA-232是连接DTE和DCE的标准，实际应用中既有DTE与DCE之间的连接，也有DTE与DTE之间的连接。使用调制解调器（Modem）远程连接；图4-5使用调制解调器（Modem）远程连接2）空调制解调器（NullModem）连接（DTE与DTE的直接连接方式）；（a）三线制连接(b)三线制加自握手连接式(c)互握手多线制连接方式图4-6用于EIA-232的电平转换芯片及接口4、用于EIA-232的电平转换芯片及接口由于EIA-232逻辑电平与TTL电平不兼容，因此在与TTL电平电路一起使用时必须加上适当的电平转换电路。图4-7MC1488图4-8MC1489图4-9MC1488和MC1489构成的EIA-232接口电路使用MC1488、MC1489的接口电路需要外接±12V对称电源，电路比较复杂。因此，一些公司推出了使用单电源的电平转换芯片，简化了电路设计，如常用的Maxim公司的芯片MAX232。图4-10MAX232芯片图4-11MAX232典型工作电路MAX232芯片使用+5V单电源供电。图4-12MAX232构成的EIA-232接口电路5、EIA-232接口标准的缺点1）传输距离短。标准规定的直接连接的最大传输距离仅为15m，远距离程传输时需要使用Modem，而在工业控制应用中往往要求不使用Modem。2）单端信号对地传输，信号易受共模噪声干扰。3）传输速率低。因易受噪声干扰，故传输速率不高，标准规定最高传输速率不超过20kbps。4）不能用于多点互连系统。三、EIA/TIA/RS-485接口标准EIA/TIA/RS-485标准全称：用于平衡数字多点系统的发送器和接收器的电气特性标准（StandardforElectricalCharacteristicsofGeneratorsandReceiversforUseinBalancedDigitalMultipointSystems）。EIA-485是EIA-422的变型。EIA-485是其它一些现场总线的物理层的接口标准（或之一），如Modbus、Profibus、Interbus、LonWorks、P-NET、BACnet、BITBus等。表4-3EIA-485技术参数及与EIA-232、EIA-422之比较图4-13EIA-485电气连接图EIA-485的两根差分信号线分别记作A线、B线，以A和B之间的电位差来表示逻辑电平。驱动端A和B之间的电位差输出范围为±2V~±6V，接收端A和B之间可以检测的输入电压VAB的绝对值的最小值为200mV，即要求VAB≤-200mV，或VAB≥200mV。EIA-485规定，在接收端，当A线电位VA比B线电位VB低200mV以上时，即当VAB=VA-VB<-0.2V时，认为是二进制1（OFF状态）；当A线电位VA比B线电位VB高200mV以上，即当VAB=VA-VB>0.2V时，认为是二进制0（ON状态）。2、EIA-485的端口连接EIA-485常用于组成主从式多点网络。在大多数情况下，EIA-485的端口连接都采用两线制连接方式。图4-14典型的EIA-485两线制半双工连接方式当需要全双工通信时，发送信道和接收信道应该相互独立，此时EIA-485可采用四线制连接方式。主站的驱动器和接收器及所有从站的接收器可以一直处于使能状态。图4-15典型的EIA-485四线制主从式全双工连接任何时候应该只能有一个驱动器处于发送状态，其它驱动器必须处于高阻态，这是通过驱动器上的发送使能端控制的。若有两个或多个驱动器同时工作，当一个或多个试图发送逻辑1，一个或多个试图发送逻辑0时，会在某些器件中产生大电流。因此符合EIA-485标准的接口芯片都具有限流和过热关闭功能，以便保护器件。主站不能同时请求多个从站，否则会引起冲突。在一个没有中继器的系统中最多只能有两个终端电阻，分别并联于传输线的首尾两端，通常取值120Ω。当EIA-485网络处于空闲状态时，所有的节点应处于只听（接收）状态。这时没有驱动器处于发送状态，所有驱动器均处于高阻态。没有任何驱动器驱动网络，则传输线状态不确定。因此，应当为网络添加偏置电阻使其处于确定状态。图4-16两线制连接网络中带偏置电阻的收发器3、用于EIA-485的电平转换芯片及接口电路常用的EIA-485接口芯片有Maxim公司的MAX481/483/485/487/488/489/490/491系列低功耗收发器。每种型号的芯片内部均集成了一个驱动器和一个接收器（构成一个收发器），符合EIA-422/EIA-485接口标准。MAX48X/MAX49X系列芯片特点：使用+5V单电源供电；0.1µA低电流关闭模式（MAX481／483／487）；低功耗，静态工作电流：MAX483/487/488/489为120µA，MAX481/485/490/491为300µA；限制转换速率的无差错数据传输（MAX483／487／488／489）；共模输入电压范围-7V~+12V；总线上最大可连接128个收发器（MAX487）；具有电流限制和热关断特性的驱动器过载保护。表4-4MAX48X/MAX49X系列芯片性能比较MAX48X/MAX49X系列芯片引脚分布及典型工作电路：MAX481/483/485/487芯片为8引脚封装，适用于半双工通信，其引脚分布与典型工作电路如图4-17所示。图（a）中，上图和下图分别为DIP/SO、µMAX封装的引脚分布图；图（b）中，传输线为双绞线，Rt为终端匹配电阻。对于图4-17（b），在实际应用中，往往将DE与/RE连在一起，即在任意时刻，DE与/RE只能有一个有效或均无效（呈高阻态）。（a）引脚分布图（b）典型工作电路图4-17MAX481/483/485/487引脚分布及典型工作电路MAX488/490芯片也为8引脚封装，其驱动器输出与接收器输入引脚是分开的，便于组成全双工通信，其引脚分布与典型工作电路如图4-18所示。图中，传输线为双绞线，Rt为终端匹配电阻。（a）引脚分布图（b）典型工作电路图4-18MAX488/490引脚分布及典型工作电路MAX489/491芯片为14引脚封装，也用于全双工通信，相比MAX488/490增加了和DE引脚。其引脚分布与典型工作电路如图4-19所示。图中，传输线为双绞线，Rt为终端匹配电阻。（a）引脚分布图（b）典型工作电路