第4章_串行通信接口技术-D.ppt

第四章串行通信技术,异步串行通信协议及标准接口RS-232-C标准接口20mA电流环接口,4.1异步串行通信协议及标准接口,异步串行通信协议,异步串行通信格式,4.1异步串行通信协议及标准接口,异步通信的同步检测与正确采样的三项措施：,以相反极性的起始位/停止位（空闲位）检测新字符的开始，为接收端正确采样提供时间基准。,接收器在每位码元的中心采样，以获得最大的收/发时钟频率偏差容限。,接受时钟频率=n波特率，以提高采样分辨率和抗干扰能力。,用16倍波特率时钟的同步检测与采样过程示意图,4.1异步串行通信协议及标准接口,传输速率：,50，75，110，150，300，600，1200，2400，4800，9600，19200等11种波特率可选。,常用串行通信标准接口,RS-232-C接口,20mA(60mA)电流环接口,RS-449/422/423接口,4.2RS-232-C标准接口,一种电压控制的串行通信接口标准，由美国EIA协会公布和推荐,信号连接规范：使用25脚连接器，定义了20根引脚信号，分成主、辅两个信道。,信号连接方法：,常用三种连接方法，以适应不同应用场合：,4.2RS-232-C标准接口,主要电气指标：,高低电平摆幅大，目的是增大噪声容限，提高抗噪声、抗传输线衰减的能力。,4.2RS-232-C标准接口,应用说明：,RS-232-C电平与TTL/CMOS电平不兼容，故两者连接时，必须进行电平转换。,以MC1488/MC1489作为收/发转换时钟,4.2RS-232-C标准接口,为了提高抗干扰能力，提高传输速度，增大传输距离，可在收/发端加光电隔离或用新型RS-232-C串行通信转发器FC232。,利用FC232作为RS-232-C通信转发器,4.2RS-232-C标准接口,DB-9D型连接器,DB-9D型连接器及其信号说明,4.2RS-232-C标准接口,DB-25D型连接器,DB-25D型连接器及其信号说明,一、RS-232、RS-422与RS-485的简单介绍RS-422由RS-232发展而来，它是为弥补RS-232之不足而提出的。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10Mb/s，传输距离延长到1200米（速率低于100kb/s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。,4.4RS485通信网络,一、RS-232、RS-422与RS-485的简单介绍为扩展应用范围，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。由于EIA提出的建议标准都是以RS作为前缀，所以在通讯工业领域，仍然习惯将上述标准以RS作前缀称谓。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。,4.4RS485通信网络,当前自动控制系统中常用的网络，如现场总线CAN、Profibus、INTERBUS-S以及ARCNet的物理层都是基于RS-485的总线进行总结和研究。,4.4RS485通信网络,二、RS485通信总线的技术标准RS-485标准采有用平衡式发送，差分式接收的数据收发器来驱动总线，具体规格要求：1.接收器的输入电阻RIN12k2.驱动器能输出7V的共模电压3.输入端的电容50pF4.在节点数为32个，配置了120的终端电阻的情况下，驱动器至少还能输出电压1.5V（终端电阻的大小与所用双绞线的参数有关）5.接收器的输入灵敏度为200mV（即（V+）-（V-）0.2V，表示信号“0”；（V+）-（V-）-0.2V，表示信号“1”）因为RS-485的远距离、多节点（32个）以及传输线成本低的特性，使得EIARS-485成为工业应用中数据传输的首选标准。,4.4RS485通信网络,三、RS485网络结构与通信控制在RS-485网络工作中的任意一时刻只能有一个驱动器在工作，可以有多个接收器接收，这样才能保证网络的正常工作。该工作是由RS-485通信控制软件的正确工作来完成的，在硬件上EN引脚起到RS-485接口器件工作方向的控制作用，在本接口器件得到授权向网络发送数据之前，EN始终保护低电平，使本端口始终处于数据接收状态。下图是二通信端口RS-485网络工作示意图。,4.4RS485通信网络,A,A,0V,5V,0V,5V,0V,TX1,0V,VA,EN2,RX2,0V,RS-485驱动不允许,+3V,VB,+3V,D,R,R,D,B,B,RS-485网络工作波形图,EN1,TX1,EN1,RX1,TX2,EN2,RX2,TX1、TX2、RX1、RX2、EN1、EN2等是TTL电平，A、B处电压值为RS-485网络工作电平。一旦工作中的RS-485端口放弃网络控制权（使EN变为低电平），网络上的其他端口就可以取得网络的控制权。这种对网络控制权的接续工作，最好能有所延迟，以抑制网络反射波等的影响，延迟时间可大约在一个字符的传输时间左右，如网络传输速率是9600波特，延迟时间可设定为1ms。,4.4RS485通信网络,三、RS485网络电压偏置当RS-485网络中的所有点都处于接听模式，即网络上没有有效的驱动器在工作时（驱动器输出都处于高阻状态），这样网络上处于一个未知状态。如果接收器A与B端间的输入电压小于200mV，则各接收器输出的逻辑电平将处于各自所收到的最后一位信号的逻辑电平值，可能造成通信数据不正确，可以通过增加上、下拉电阻办法解决，具体接法见下图。,4.4RS485通信网络,VCC,R2,TX-EN,2,1,ROB/READEDI,GND,R1,RXD,TXD,MAX485,RS-485,具有偏置电阻的RS-485网络,偏置电阻的值取决于RS-485网络的节点数，选择偏置电阻值的最终目标是使流过偏置电阻的电流值可维持线路A与B之间至少存在一个200mV的直流电压。例如有一个32通信节点的RS-485网络，网络各节点的输入电阻为12k，32个节点并联得到总阻值为375，在375的电阻上维持至少200mV的电压需要0.53mA的电流。在5V的网络工作电源条件下得到上述电流需要限流电阻小于或等于9375。由于375正是接收器并联得到的总阻值，因此，偏置电阻应小于或等于9k，依此选择标称电阻值，上拉、下拉两个偏置电阻可各选为4.7k。,4.4RS485通信网络,四、RS-485网络的终端匹配在RS-485网络中，当线路阻抗与终端电阻不相匹配时，网络中所传输的信号将不能被终端所全部接收，从而在端口反射回传输线，对网络形成干扰。为此，可通过在网络终端加匹配电阻的方法加以解决。RS-485网络加终端匹配电阻的方法见下图所示。匹配电阻可在100120内选择，视通信线路阻抗而定。,4.4RS485通信网络,4.4RS485通信网络,2,1,ROB/READEDI,120,RXD,TXD,TX-EN,MAX485,RS-485,加终端匹配电阻的RS-485网络,加终端匹配电阻的RS-485网络,4.4RS485通信网络,四、RS-485网络的终端匹配RS-485网络是否需要附加的终端匹配电阻取决于网络电缆长度及系统的传输速率。一个适宜的规则是当传输线的延迟时间远小于线路所传输信号的1位宽度的时间时可不加终端匹配电阻。这个规则是依据这样一个条件：反射波在数据上来回反射几次后将衰减为零。通信端口的接收装置通常在数据位的中部采样，所以，该中部应保持平缓以保证数据采样的正确性。传输线的传输速度通常为光速的66%的70%，依据电缆的特性不同而不同。,4.4RS485通信网络,四、RS-485网络的终端匹配例如，有一RS-485网络，通讯线总长为1.2km，使用的电缆的延迟速度为0.66倍的光速，则端到端传输数据大约需要6.2S，我们假设该反射波经3次反射后衰减为零，则数据信号将在18.6S后趋于稳定。假设在该网络内我们以9600波特率的速率来传输数据，其1位数据宽度为104S，可见，反射波对传输数据波形的影响远离于中心点，因此，该系统无需加终端匹配电阻。,4.4RS485通信网络,四、RS-485网络的终端匹配在RS-485网络中各节点的物理接线中应杜绝T型接线方式，应采用“手拉手”的连接方式。,1,2,n,4.4RS485通信网络,4.4RS485通信网络,4.4RS485通信网络,五、RS-485网络抗干拢与保护由于大电感，大感性负荷开关状态的突变及射频和雷电等因素都会对通讯网络造成干扰，严重时会损坏网络接口器件或网络内的电子元器件。所以应注意RS-485网络的抗干扰与保持问题。所有对网络的干扰可简单归类为：共模干扰和差模干扰。共模干扰以地为基准形成干扰偏差，因此，采用光电隔离方式处置最为有效。这种方案实际上将瞬态高压转移到隔离接口中的电隔离层上，由于隔离层的高绝缘电阻，不会产生损害性的浪涌电流，起到保护接口的作用。下图就是采用高速光电耦全器6N137作为光电隔离器的RS-485保护电路。,4.4RS485通信网络,GND,ROB/READEDI,TTL-RXD,TTL-TX-EN,2,1,TTL-TXD,MAX485,光耦,光耦,光耦,RS485,光耦隔离保护的RS-485网络,五、RS-485网络抗干拢与保护该电路的缺点是光电耦合器两侧需使用两个不同的（不共地的）+5V电源及三个较昂贵的高速光电隔离器件。已有器件厂商将所有这些元件集成在一片IC中，使用起来非常简便，如Maxim公司的MAX1480/MAX1490，隔离电压呆达2500V。这种方案的优点是可以承受高电压、持续时间较长的瞬态干扰，实现起来也比较容易，缺点是成本较高,4.4RS485通信网络,五、RS-485网络抗干拢与保护差模干扰在两条传输线上形成差动电势，较大的有害电势会损害接口器件。因此，钳位传输线上的电压到一定的安全值是消除差模干扰的一个行之有效的途径。利用瞬态抑制元件（如TVS、气体放电管等）将危害性的瞬态能量旁路到大地。该方法优点是成本较低，缺点是保护能力有限，只能保护一定能量以内的瞬态干扰，持续时间不能很长，而且需要有一条良好的连接大地的通道，实现起来比较困难。实际应用中可以将瞬态抑制元件和PCT型非线性电阻结合起来，,4.4RS485通信网络,五、RS-485网络抗干拢与保护下图是RS-485网络传输线保护方法示意图。图中钳位保护器件是瞬变二极管（TVS），瞬变二极管对某一个临界电压值有大电流迅速导通的特性。三个瞬变二极管对通信线二线间及各线对地间起到钳位保护作用。两个标识为RV的元件为PCT型非线性电阻，常温下其阻极低，一旦流过较大电流值时会使元件迅速变热而使阻值极剧变大。因此，用PCT型非线性电阻配合瞬变二极管可起到很好的RS-485网络通信线路保护作用。,4.4RS485通信网络,六、RS-485接口芯片与微控制器的连接RS-485接口芯片工作于半双工工作方式，因此，除数据发送、接收线外，还需要有RS-485数据输出允许控制线。图4.20为MAX485芯片与89C51系列单片机连接图示。数据输入、输出分别接到微控制器的RXD、TXD端，由微控制器的通用并行接口中P3.2来控制RS-485接口芯片的接收、发送数据操作。,4.4RS485通信网络,1,P32,GND,RS-485,89C51INT0X1RXDX2TXD,ROB/READEDI,2,P32,RS485芯片与微控制器的连接,七、RS485通信网络软件的编程485芯片的软件编程对产品的可靠性也有很大影响。由于485总线是异步半双工的通信总线，在某一个时刻，总线只可能呈现一种状态，所以这种方式一般适用于主机对分机的查询方式通信，总线上必然有一台始终处于主机地位的设备在巡检其它的分机，所以需要制定一套合理的通信协议来协调总线的分时共用。这里采用的是数据包通信方式。通信数据是成帧成包发送的，每包数据都有引导码、长度码、地址码、命令码、内容、校验码等部分组成。,4.4RS485通信网络,其中引导码是用于同步每一包数据的引导头；长度码是这一包数据的总长度；命令码是主机对分机（或分机应答主机）的控制命令；地址码是分机的本机地址号