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数据通信与控制网络

数据通信与控制网络. 第 2 章（下） 通用串行端口的数据通信. 主要内容 2.1 串行通信 2.2 EIA-232-D 的接口标准 2.3 物理接口标准 RS-422 2.4 物理接口标准 RS-485 2.5 RS-422 与 RS-485 的网络设计注意要点 2.6 485 网络的主从式通信管理 2.7 USB 接口. 2.1 串行通信. 常见的串行通信接口主要包括 RS-232 、 RS-422 、 RS-485 、 USB 、 IEEE1394 等。不同物理接口标准在机械特性、电气特性和功能特性上都不尽相同。

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  1. 数据通信与控制网络

  2. 第2章（下）通用串行端口的数据通信 • 主要内容 • 2.1 串行通信 • 2.2 EIA-232-D的接口标准 • 2.3 物理接口标准RS-422 • 2.4 物理接口标准RS-485 • 2.5RS-422与RS-485的网络设计注意要点 • 2.6 485网络的主从式通信管理 • 2.7 USB接口

  3. 2.1串行通信 • 常见的串行通信接口主要包括RS-232、RS-422、RS-485、USB、IEEE1394等。不同物理接口标准在机械特性、电气特性和功能特性上都不尽相同。 • 通信的两台或多台设备通常共享一条物理通路。发送者依次逐位发送一串数据信号，按一定的约定规则为接收者接收。 • 保证通信的有效性的方法： • 使用轮询或者中断检测接收信息； • 设置通信帧的起始、停止位； • 建立连接握手； • 实行对数据的确认、数据缓存以及错误检查等。

  4. 2.1串行通信 • 2.1.1串行通信帧的起始位、停止位 • 每次异步传输在发送的数据之前设置至少一个起始位，以通知接收方有数据到达。 • 在传输过程结束时，应发送一个停止位，通知接收方传输已终止。 • 线路在空闲状态处于高电平，由起始位将线路带入低电平，通知接收方有数据到达。 • 本次数据传输结束之后，应设置停止位使线路变回高电平，通知对方通信帧已结束。 图4-1 串行通信的帧结构

  5. 2.1串行通信 • 2.1.2 连接握手 • 利用连接握手可以使收发双方确认已经建立了连接关系，接收方已经做好准备，可以进入数据收发状态。 • 连接握手过程是指发送者在发送一个数据之前使用一个特定的握手信号来引起接收节点的注意，表明要发送数据，接收者则通过握手信号回应发送者，说明它已经做好了接收数据的准备。 • 连接握手可通过硬件或软件的方法实现： • 硬件：在发送者和接收者之间，连接相应的硬件握手信号实现。 • 软件：通过发送特定的字节来确认。

  6. 2.1串行通信 • 2.1.3差错校验 • 串行通信中常用的差错校验方法： • 冗余数据校验：发送者对每条报文发送两次，接收者根据两次接收数据是否一致，判断本次通信的有效性。 • 奇偶校验 • 校验和字节 • 循环冗余校验

  7. 2.2 EIA-232-D的接口标准 • EIA-232-D是美国电子工业协会（EIA，Electronic Industries Association）制定的物理接口标准，也是目前数据通信与网络中应用最广泛的一种标准。 • 前身是1969年8月颁布的RS-232-C标准， RS-232-C是RS-232标准的第三版。 • EIA在1987年1月修改后，定为EIA-232-D。改进的EIA-232-D与RS-232-C在物理接口标准中基本成为等同的标准，人们经常简称它们为“RS-232标准”。 • 时至今日，RS-232仍然是最主要的DTE/DCE接口，特别在微机中，串行通信口几乎都是RS-232。

  8. 2.2 EIA-232-D的接口标准 图4-2 RS-232的D型连接器 • 2.2.1 接口的机械特性 • 一般RS-232用的连接器，为25pin的D型连接器，分为针式DB-25P与孔式DB-25S两种，如图所示。 • 另外， RS-232-C也提供了9Pin的接插件。9pin在个人计算机中多设定为COMl。RS-232-D标准规定使用25针的D形连接器。

  9. 引脚号 信号名称 缩写 方向 功能说明 2.2 EIA-232-D的接口标准 1 2 3 4 5 6 7 8 20 22 保护地线 发送数据 接收数据 请求发送 清除发送 数据设备就绪 信号地线 载波检测 数据终端就绪 振铃指示 PG TXD RXD RTS CTS DSR GND DCD DTR RI →DCE→DTE→DCE→DTE→DTE→DTE→DCE→DTE 机壳地 终端发送串行数据 终端接收串行数据 DTE请求DCE切换到发送状态 DCE已经切换到发送状态 DCE已经准备好接收数据 信号地线 DCE已检测到远程载波 DTE已准备好，可以接收 DCE通知DTE线路已接通

  10. DB-9 DB-25 信号名称 EIA名称 2.2 EIA-232-D的接口标准 1 8 接收线信号检测（DCD） CF 2 3 接收数据（RXD） BB 3 2 发送数据（TXD） BA 4 20 数据终端准备好（DTR） CD 5 7 信号地／公共地 AB 6 6 数据设备就绪（/DSR） CC 7 4 请求发送（/RTS） CA 8 5 清除发送（/CTS） CB 9 22 振铃指示 CE 表4-1 DB-9和DB-25两种连接器引脚的对应关系

  11. 2.2 EIA-232-D的接口标准 • 2.2.2 电气特性 • RS-232采用非平衡驱动、非平衡接收的电路连接方式，即每个信号用一根导线，所有的信号回路共用一根地线。负逻辑电平工作。 图4-3 EIA-232-D的电气连接

  12. 2.2 EIA-232-D的接口标准 • 在数据线上：Mark（传号）= -5V～-15V，逻辑“1”电平 • Space（空号）= +5V～+15V，逻辑“0”电平 • 在控制线上：On（通）= +5V～+15V，逻辑“0”电平 • Off（断））= -5V～-15V，逻辑“1”电平

  13. 2.2 EIA-232-D的接口标准 • 实际应用中，电源电压多采用±12V。其中，-3～+3V为过渡区，逻辑状态不定（实际上这一区域电平在应用中是不允许使用的）。 • 目前，由于使用的多芯电缆具有150pF／m的电容，而RS-232信号线上总负载电容不能超过2500pF，所以RS-232传输最大距离是15m。 • 在传输距离不大于15m时，最大数据速率为19.2 Kbps。

  14. 2.2 EIA-232-D的接口标准 • 2.2.3 功能特性 • RS-232-C定义了21根接口连线的功能，具体接口连线分配见图所示。

  15. 2.2 EIA-232-D的接口标准 • 2.2.4 规程特性 • RS-232规程特性规定了DTE与DCE之间控制信号与数据信号的发送时序、应答关系与操作过程。 应用位置——DTE与DCE间的接口

  16. 2.2 EIA-232-D的接口标准 • DTE与DCE之间的常用信号

  17. 2.2 EIA-232-D的接口标准 下图给出了一种典型的DTE根据RS-232规程特性进行数据发送流程图、信号时序与操作过程。

  18. 2.2 EIA-232-D的接口标准 • 从图中可以看到两台计算机通过Modem，由电话线互连的结构。作为DTE的计算机与作为DCE的Modem，通过RS-232接口，按以下规则与时序进行工作： • ① 物理连接建立 • 如果主机A发起一次物理连接，它首先通过RS-232的第20号连接线（以下简称20线）向DCE发送数据终端准备好DTR信号，拨号呼叫对方主机B，建立物理连接； • 主机A连接的Modem A在拨号之后，执行Modem内部协议。双方Modem通过发送用于检测通信线路状态和通信质量的载波检测信号。在确定通信线路接通并可以正常工作后，Modem A通过6号线，向主机A发送设备准备好DSR信号； • 主机B在接到主机A拨号请求建立物理连接指示后，如同意建立物理连接，应向与其连接的Modem B发送DTR信号；在接收到 Modem B的DSR信号后，进入数据传输准备状态。 • 至此，双方DTE通过DCE与通信线路建立起物理连接，完成数据传输准备工作。

  19. 2.2 EIA-232-D的接口标准 • ② 数据传输 • 如果主机A准备发送比特流，它将通过4号线向Modem A传送请求发送信号RTS； • Modem A在接收到RTS信号后，做好发送准备，通过5号线向主机A发出允许发送信号CTS； • 主机A通过2号线向Modem A传送数据信号TxD；Modem A将数字数据信号调制后，变成模拟数据信号，经通信线路传送到对方Modem B，Modem B经过解调后，还原成数字数据信号，通过3号线向主机B传送接收数据RXD； • 如果主机B也要向主机A发送数据，应采用与主机A相同的RTS，CTS控制信号交互过程。

  20. 2.2 EIA-232-D的接口标准 • ③ 物理连接释放 • 当主机A一次通信结束，通过释放DTR信号来通知Modem A，通过Modem的内部协议，结束一次物理连接。

  21. 2.2 EIA-232-D的接口标准 • 2.2.5 RS-232的应用 • 1．电缆和连接器 • 最常用的数据通信电缆是双绞线电缆。 • 在有电磁干扰和无线电幅射的情况下，应该考虑使用低电容的铠装电缆。 • RS-232接口使用的连接器： • 25针或9针D型插头座。 • RJ-45插头座。这种连接口只有8只管脚，通常提供发送数据、接收数据、数据终端就绪、数据准备好、接收线路信号检测、请求发送、允许发送和信号地等8条互换电路接口联线。

  22. 2.2 EIA-232-D的接口标准 • 2．零Modem的应用 • 所谓零Modem方式，实际上是指没有Modem，也叫做空Modem。 • 这种技术通常应用于两个近距离计算机之间直接相联通信，不用Modem电话线作信道，直接把两个机器的串行口用电缆连接起来。 • 为了使两个计算机能按照RS-232规程进行数据传输、有些连线需要交叉，如图所示。

  23. 2.2 EIA-232-D的接口标准 • 从图中可以看出，通信开始时的握手过程按下面的方式实现： • （1）源端升起数据终端就绪信号DTR（管脚20），这个信号置“ON”宿端的数传机就绪电路DSR（管脚6），使得宿端认为Modem准备好。 • （2）源端升起请求发送信号RTS（管脚4），这个信号置“ON”宿端的数据载波检测电路DCD（管脚8）和源端的允许发送电路CTS（管脚5），使得宿端认为Modem检测到了载波信号，并准备调制数据信号。 • （3）控制信号的握手过程完成后，源端开始发送数据（管脚2），宿端则通过管脚3接收数据。

  24. 2.2 EIA-232-D的接口标准 • 另外两种零MODEM接线：DB9-DB9、DB25-DB9

  25. 2.2 EIA-232-D的接口标准 • 同步零Modem接线法： • 当进行同步通信时必须在一端提供时钟信号， • 从图中可以看出DTE的定时信号（管脚24）同时连接到两端发送时钟电路（管脚15）和接收时钟（管脚17）电路上。 同步零MODEM接线法

  26. 2.2 EIA-232-D的接口标准 • 最简单的接线方法：如果通信过程无需握手，只需三根电缆接线。

  27. 2.2 EIA-232-D的接口标准 • 或者利用内部短路这些设备状态线和收、发联络线，从而实现自问自答式的收、发通信 。

  28. 2.2 EIA-232-D的接口标准 • 3．接口电平转换及其集成器件 • RS-232C所采用的单端电气接口，其电源电压为±15V或±12V，该电平与TTL和MOS电平有很大不同，它的逻辑“0”至少是3V或3V以上，逻辑“1”为-3V或更低； • 逻辑“1”和 “0”之间的电压摆幅可能是20V或更高。 • 控制或运算的微处理器大多都是采用TTL工作电平。 “l”（2.4V）和“0”（0.4V）。 • RS-232的接口电平不能直接和TTL电平 相兼容，所以要外加电路实现电平转换。

  29. 2.2 EIA-232-D的接口标准 • 许多公司生产电平转换芯片，能与TTL或CMOS系列逻辑电平兼容。如：SIPEX公司、MAXIM公司等。 • 单电源供电（+3～+5V）。既有线路驱动器和接收器分别封装的，又有收发/驱动器成对封装在一起器件。 • 器件特点：速率高、功耗低、价格低廉，抗干扰性强。在许多领域得到广泛的应用。

  30. 2.2 EIA-232-D的接口标准 • 例如：单收单发RS-232接口SP3220E的电路如图所示。主要特点如下： • 工作电压范围＋3V～＋5.5V。 • 最低120Kbps传输速率。 • 最高235Kbps传输速率。 • 内带电荷泵，外围只用4个0.1uF电容 • 低功耗（关闭模式下只需1uA电流）

  31. 双收双发RS-232接口SP3223E的电路如图所示。主要特点如下：双收双发RS-232接口SP3223E的电路如图所示。主要特点如下： • 符合EIA-232-F标准 • 工作电压范围＋3V～＋5.5 V • 带负载最小传输速率250Kbps • 最高传输速率1Mbps • 内部电荷泵产生稳定的RS-232输出。 • 外围只用4个0.1uF电容 • Auto Online自动唤醒功能：能从1uA的关闭模式下自动唤醒

  32. 2.2 EIA-232-D的接口标准 • 4．RS-232的局限性 • TTL电路，驱动能力差输入电阻小，抗干扰能力差，因而信号传输的距离短。 • RS-232接口电路的驱动器输出信号采用了大幅度的电压摆动来避开干扰信号，使抗干扰能力高于TTL电路。 • 但是，公共信号地线的存在迫使RS-232要采用高电压供电。 • RS-232所采用的电路是单端驱动单端接收电路，线间干扰较大，两地之间电压差成为故障的根源。 • 发送器和接收器之间公共的信号地线，存在着共地噪声和不能抑制共模干扰等问题。

  33. 2.3 物理接口标准RS-422 • 为改进RS-232通信距离短、速度低的缺点，RS-422定义了一种单机发送、多机接收的单向、平衡型通信接口，将传输速率提高到10Mbps，并允许在一条平衡总线上连接多个接收器。 • 平衡型接口有下列两项优点： • （l）平衡型接口其抗噪声能力较强，较适合于通信使用。 • （2）其电源电压使用土5伏即可，不须再使用额外的电压。

  34. 2.3 物理接口标准RS-422 • 2.3.1电气特性 • RS-422A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，一线定义为B，另有一个信号地C。 • 通常情况下，发送驱动器A、B 之间的正电平在+2～+6V，是逻辑0，负电平在-2～-6V，是逻辑1状态。 • 收、发端通过平衡双绞线将AA与BB对应相连，当在接收端AB之间有大于+200mV的电平时，输出逻辑电平0，小于-200mV时，输出逻辑电平1。

  35. 2.3 物理接口标准RS-422 • 2.3.2 RS-422A的应用 • RS-422的最大传输距离约1219米，最大传输速率为10Mb/s。 • 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。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需要连终接电阻，要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。一般在300米以下短距离传输时可不需终接电阻，终接电阻应接在传输电缆的最远端。

  36. 2.3 物理接口标准RS-422 • 很多厂家为RS-422生产出许多新型器件。例如TI公司生产的接收器SN75157与驱动器SN75158，Motorola公司生产的接收器SN75173和驱动器SN75174（三态输出），它们都是配对使用的。 • 也有收发/驱动器成对封装在一起的集成器件，可以RS-422和RS-485通用，如SIPEX公司的SP490E、SP491E。MAXIM公司的MAX488、MAX1482。

  37. 2.4 物理接口标准RS-485 • 2.4.1 RS-485特性 • EIA在RS-422的基础上又制定了RS-485标准。电气特性与RS-422相仿。 • 两者都采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终接电阻等。 • 它与RS-422不同之处在于：RS-422为全双工，RS-485为半双工。 • 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。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-485需要2个终接电阻，其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗，一般为120Ω。一般在300米以下短距离传输时可不需终接电阻，终接电阻接在传输总线的两端。

  38. 2.4 物理接口标准RS-485 • 2.4.2 RS-485应用 • RS-485收发器采用平衡发送和差分接收，即在发送端，驱动器将TTL电平信号转换成差分信号输出； • 在接收端，接收器将差分信号变成TTL电平，因此具有抑制共模干扰的能力，加上接收器具有高的灵敏度，能检测低达200mV的电压，其传输距离可达千米以外。 • 在RS-485互联中，某一时刻两个站中只有一个站可以发送数据，而另一个站只能接收，因此，其发送电路必须由使能端加以控制。 使能端

  39. 2.4 物理接口标准RS-485 • 2.4.3 RS-485的网络连接 • RS-485通信接口允许在简单的一对双绞线上进行多点、双向通信。主要是应用于网络互联中。 • 许多智能仪表使用了RS-485接口，它是目前工业控制领域中应用十分广泛的联接方案。

  40. 2.4 物理接口标准RS-485 • 采用RS-422／485串行通信接口可以构成总线型或环形网络系统，如图所示。 • 在该环路中，某工作站可以在发送信息时利用插入信息的办法将信息提供给其它工作站。 • 在多站或环路中的每一个工作站均有其唯一的地址标记，利用地址标记，每个工作站或设备只接收包含其专用地址的信息。通信规程也可以采用令牌通行法或寄存器插入法等。 图 用RS-485作接口的环形通信数据链路

  41. 2.4 物理接口标准RS-485 • 2.4.4 与微处理器的连接 • RS-485数据收发控制电气特性为TTL电平，可以直接与微处理器相连。 • 单片机的接收端RXD和SN75LBC184的接收端R相连，单片机的发送端和75LBC184的发送端D相连，A、B是远程通信输出总线。 • 置P2.5引脚为高，向SN75LBC184写入需要发送的数据； • 置P2.5引脚为低，通过75LBC184接收数据。 • A、B之间接入100欧姆的电阻是为了匹配总线阻抗，提高系统通信的抗干扰性及系统的可靠性。 图 51单片机串行通信RS-485接口电路

  42. 2.4 物理接口标准RS-485 • 2.4.5 RS-485集成器件的选择 • 物理接口电路的集成器件从工作电压分，有单电源供电＋5V、＋3.3V等； • 从功率分有低功耗的半／全双工RS-485/422总线收发器； • 从功能分有抗静电（ESD）、关断功能、限斜率功能、瞬变电压抑制、带故障保护以及具有发送／接收使能端等； • 从收发器数来看从单收单发到三收五发等许多组合方式。 • 由于RS-485与RS-422的参数十分相近，有的集成器件可以与RS-422A相互通用。

  43. 2.4 物理接口标准RS-485 图 SN65/75LBC184的特性和引脚 • 如，TI公司的抗雷击RS-485收发器SN65/75LBC184如图所示。主要特点如下： • 片内集成四个瞬时过压保护管 • 可承受功率高达400W的瞬态脉冲电压 • 可在强噪声环境中以250Kbps速率传送信号 • 具有“限斜率”功能，使电磁干扰减到最小 • 自动热关断保护功能和ESD保护功能 • 总线可挂接128个节点 • 引脚与SN75176完全兼容 • 可抑制雷电及其他各种原因在线路中产生的瞬时过电压，使接口电路免遭损坏

  44. 2.4 物理接口标准RS-485 图 多个节点接收器 • 对于RS-485接口，在某些应用场合节点数也是一个重要的参数，例如，武汉力源公司提供的SP485R，号称支持多达400个节点，如图所示。主要特性如下： • 半双工，单收单发RS-485收发器 • 支持多达400个接收器 • 最高速率5Mbps • 单5V电源 • －7～＋12V共模输入电压范围 • 具有发送／接收使能端

  45. 常用的RS-485收发器，列表于下：

  46. 2.5 RS-422与RS-485的网络设计注意要点 • 2.5.1 总线要求 • 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。 • 图中（a，b，c）为实际应用中常见的一些错误连接方式。a，b，c这三种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。 • （d，e，f）为正确的连接方式。

  47. 2.5 RS-422与RS-485的网络设计注意要点 • 2.5.2 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。 • 易产生不连续性的情况： • 总线的不同区段采用了不同电缆。 • 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。

  48. 2.5 RS-422与RS-485的网络设计注意要点 • 2.5.3 RS-422与RS-485的接地 • 1.共模干扰问题： • 由于收发器有一定的共模电压范围，如RS-422共模电压范围为-7～+7V，而RS-485收发器共模电压范围为-7～+12V，只有满足这些条件，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。

  49. 2.5 RS-422与RS-485的网络设计注意要点 • 如图所示，当发送驱动器A向接收器B发送数据时，发送驱动器A的输出共模电压为VOS，由于两个系统具有各自独立的接地系统，存在着地电位差VGPD。 • 那么，接收器输入端的共模电压VCM就会达到VCM=VOS+VGPD。 • RS-422与RS-485标准均规定VOS≤3V，但VGPD可能会有很大幅度（十几伏甚至数十伏），并可能伴有强干扰信号，致使接收器共模输入VCM超出正常范围，并在传输线路上产生干扰电流，轻则影响正常通信，重则损坏通信接口电路。

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