第12章智能仪器中的通信接口技术

1、第第1212章章 智能仪器中的通信接口技术智能仪器中的通信接口技术本章内容本章内容 12.1 12.1 数据通信基础数据通信基础 12.2 12.2 串行通信接口串行通信接口 首页首页下 页上 页返 回 智能仪器和智能仪器、计算机之间需要进行各种智能仪器和智能仪器、计算机之间需要进行各种信息的交换和传输，这种信息的交换和传输通过仪信息的交换和传输，这种信息的交换和传输通过仪器的通信接口按照一定的协议实现。器的通信接口按照一定的协议实现。 通信接口：各仪器之间或仪器与计算机之间进行通信接口：各仪器之间或仪器与计算机之间进行信息交换和传输的联络装置信息交换和传输的联络装置12.112.1 数据通信

2、基础数据通信基础12.1.112.1.1 数据通信的基础知识数据通信的基础知识 1.1.数据通信的基础知识数据通信的基础知识 通信系统是传递信息所需要的一切技术设备的总通信系统是传递信息所需要的一切技术设备的总和。通信系统一般由信息源、信息接收者、发送、和。通信系统一般由信息源、信息接收者、发送、接收设备、传输媒介几部分组成。接收设备、传输媒介几部分组成。 信息源和信息接收者信息源和信息接收者 信息源（信源）和信息接收者（信宿）是信息的信息源（信源）和信息接收者（信宿）是信息的产生者和使用者。产生者和使用者。下 页上 页返 回 发送设备发送设备 其基本功能是将信息源和传输媒介匹配起来，即其基本

3、功能是将信息源和传输媒介匹配起来，即将信息源产生的消息信号经过编码，并转换为便于将信息源产生的消息信号经过编码，并转换为便于传输的信号形式，送往传输媒介。传输的信号形式，送往传输媒介。 传输媒介传输媒介 指发送设备到接收设备之间信号传递所经过的媒指发送设备到接收设备之间信号传递所经过的媒介。介。 接收设备接收设备 其基本功能与发送设备的功能相反，它对接收到其基本功能与发送设备的功能相反，它对接收到的信号进行解调、译码、解密等。的信号进行解调、译码、解密等。 以上是单向系统，若是双向系统，则通信双方都以上是单向系统，若是双向系统，则通信双方都要有发送设备和接收设备。要有发送设备和接收设备。 2.

4、 2.信道的带宽和数据速率信道的带宽和数据速率 信道的带宽信道的带宽 任何信道所能传输的信号的频率都有一定的范围任何信道所能传输的信号的频率都有一定的范围, ,称为信道的带宽。称为信道的带宽。 数据的速率数据的速率 表征一个信道传输数字信号的能力的指标称为数表征一个信道传输数字信号的能力的指标称为数据速率。据速率。 3.3.数字调制技术数字调制技术 所谓调制就是利用调制信号（携带有信息的基带所谓调制就是利用调制信号（携带有信息的基带信号）去改变高频振荡载波的某个（或某几个）参信号）去改变高频振荡载波的某个（或某几个）参数的波形变换过程。数的波形变换过程。 4.4.多路复用技术多路复用技术 在一

5、条物理通道上同时传输多路信息的技术。在一条物理通道上同时传输多路信息的技术。 下 页上 页返 回下 页上 页返 回12.1.2 12.1.2 差错控制技术差错控制技术 在通信系统中采用的发现误码并加以纠正，从而在通信系统中采用的发现误码并加以纠正，从而把差错控制在尽可能小的范围内的技术。把差错控制在尽可能小的范围内的技术。 1.1.奇偶校验码奇偶校验码 奇偶校验是通过增加冗余位使码字中奇偶校验是通过增加冗余位使码字中“1 1”的个的个数保持奇数或偶数的校验方法。若冗余位使编码中数保持奇数或偶数的校验方法。若冗余位使编码中“1”1”的个数为奇数则为奇校验，反之为偶校验。的个数为奇数则为奇校验，反

6、之为偶校验。 2.2.方块校验方块校验 方块校验又叫报文校验。其方法是在一批字符方块校验又叫报文校验。其方法是在一批字符（报文）传送之后，另外增加一个校验字符，该字（报文）传送之后，另外增加一个校验字符，该字符的编码方法是使每一位纵向代码中符的编码方法是使每一位纵向代码中“1”1”的个数的个数成为奇数或偶数。成为奇数或偶数。 3.3.循环冗余校验循环冗余校验 方法是将要发送的二进制数据位序列当作一个二方法是将要发送的二进制数据位序列当作一个二下 页上 页返 回进制多项式进制多项式 f(x) 系数，在发送方用收发双方预先约系数，在发送方用收发双方预先约定的生成多项式定的生成多项式 G(x)去除，

7、得到一个余数多项式，去除，得到一个余数多项式，将余数多项式加到数据多项式之后发送到接收端，将余数多项式加到数据多项式之后发送到接收端，接收端将收到的接收端将收到的 f(x) 除以除以 G(x)，若余数多项式与，若余数多项式与接接收到的相同，则表示传输正确。收到的相同，则表示传输正确。 4.4.差错控制方法差错控制方法 自动请求发送和前向纠错。自动请求发送和前向纠错。12.1.3 12.1.3 通信规程与同步技术通信规程与同步技术 1.1.异步通信方式异步通信方式 每次传送每次传送1 1个字节的数据。通信时，个字节的数据。通信时，1 1帧信息以起帧信息以起始位和停止位来完成收发同步。始位和停止位

8、来完成收发同步。 2.2.同步通信方式同步通信方式 每次传送由每次传送由n n个字节构成的数据块。通信时，用个字节构成的数据块。通信时，用1 1个或个或2 2个同步字符表示传送字符的开始，接着是个同步字符表示传送字符的开始，接着是n n个个下 页上 页返 回字节的数据块，字符之间没有空隙，当无字符发送字节的数据块，字符之间没有空隙，当无字符发送时，连续送出同步字符。时，连续送出同步字符。 下 页上 页返 回12.2 12.2 串行通信接口串行通信接口 通信双方的数据沿一根或两根线实现二进制序列通信双方的数据沿一根或两根线实现二进制序列的传输称为串行通信。只要增加的传输称为串行通信。只要增加MO

9、DEMMODEM，利用现有，利用现有的通信信道（如电话线）就可实现远程通信。的通信信道（如电话线）就可实现远程通信。 数据的传送方式分为单工方式、半双工方式和全数据的传送方式分为单工方式、半双工方式和全双工方式。双工方式。 单工方式：通信双方一方固定为发送方、另单工方式：通信双方一方固定为发送方、另一方固定为接收方，数据只能由发送方一方固定为接收方，数据只能由发送方接收方。接收方。 半双工方式：通信双方都具有发送和接收数半双工方式：通信双方都具有发送和接收数据能力，发送或接收数据分时使用同一条传输线。据能力，发送或接收数据分时使用同一条传输线。 全双工方式：通信双方收发使用不同的传输全双工方式

10、：通信双方收发使用不同的传输线，在同一时刻，收发双方既可发送又可接收。线，在同一时刻，收发双方既可发送又可接收。下 页上 页返 回图图12.1 12.1 串行通信传输方式串行通信传输方式下 页上 页返 回 按同步方式（时钟控制方式）分为同步串行通信按同步方式（时钟控制方式）分为同步串行通信和异步串行通信两种方式。和异步串行通信两种方式。 同步串行通信同步串行通信 串行数据在发送端和接收端使用同步时钟，使发串行数据在发送端和接收端使用同步时钟，使发送和接收保持同步。送和接收保持同步。图图12.2 12.2 同步通信方式同步通信方式下 页上 页返 回 同步通信将数据顺序连接起来，控制信息也以字同步

11、通信将数据顺序连接起来，控制信息也以字符形式表示，以数据块为传送单位。数据块开始有符形式表示，以数据块为传送单位。数据块开始有1 12 2个同步字符（个同步字符（SYNSYN），中间是数据，最后为），中间是数据，最后为1 12 2个校验字符。接收方接收到数据后用校验字符对个校验字符。接收方接收到数据后用校验字符对接收到的数据进行校验，以判断传输是否正确。这接收到的数据进行校验，以判断传输是否正确。这样构成的一组数据块称为一帧信息，一帧信息的字样构成的一组数据块称为一帧信息，一帧信息的字符数可达成百上千个。符数可达成百上千个。 同步通信传输速度较快，但要求准确时钟来实现同步通信传输速度较快，但要

12、求准确时钟来实现收发双方的严格同步，适用于传送成批数据。一般收发双方的严格同步，适用于传送成批数据。一般用于高速通信。在低速通信时采用异步方式。用于高速通信。在低速通信时采用异步方式。 异步串行通信异步串行通信 收发双方使用独立的时钟，在信息传输过程中不收发双方使用独立的时钟，在信息传输过程中不必与数据一起发送同步脉冲。通信双方以字符为通必与数据一起发送同步脉冲。通信双方以字符为通下 页上 页返 回信单位，每个字符由信单位，每个字符由1 1个起始位（个起始位（0 0）、）、5 58 8个数据个数据位、位、1 1个校验位、个校验位、1 1位（位（1.51.5位或位或2 2位）停止位（逻辑位）停止

13、位（逻辑1 1电平）组成。电平）组成。 图图12.3 12.3 异步通信数据传输格式异步通信数据传输格式 一帧数据一帧数据可由可由1010位、位、10.510.5位或位或1111位组成，数据一位组成，数据一帧一帧的传送。每帧数据的传送依靠起始位来同步，帧一帧的传送。每帧数据的传送依靠起始位来同步，发送方发送完一个字符的停止位后，可立即发送下发送方发送完一个字符的停止位后，可立即发送下一个字符的起始位，继续发送下一个字符。一个字符的起始位，继续发送下一个字符。下 页上 页返 回12.2.1 RS-232C12.2.1 RS-232C串行总线标准串行总线标准 RS-232CRS-232C是美国电子

14、工业协会是美国电子工业协会EIAEIA在在19731973年公布的年公布的一种串行数据通信标准。该标准定义了数据终端设一种串行数据通信标准。该标准定义了数据终端设备备DTADTA和数据通信设备和数据通信设备DCEDCE之间的接口特性，提供了之间的接口特性，提供了一个利用共用电话网络作为传输媒介、通过调制解一个利用共用电话网络作为传输媒介、通过调制解调器将远程设备连接起来的技术规定。调器将远程设备连接起来的技术规定。 两个远程设备利用两个远程设备利用RS-232CRS-232C进行数据传输的典型进行数据传输的典型连接电路如下图。连接电路如下图。 图图12.4 RS-232C12.4 RS-232

15、C在电路中的位置在电路中的位置 下 页上 页返 回在通信设备的一端，调制解调器将一系列用在通信设备的一端，调制解调器将一系列用“1”1”、“0”0”表示高、低电压的数字信号转换为相应的能表示高、低电压的数字信号转换为相应的能与电话网相容的模拟频率信号；在通信设备的另一与电话网相容的模拟频率信号；在通信设备的另一端，另一个调制解调器将模拟频率信号变回一系列端，另一个调制解调器将模拟频率信号变回一系列用用“1”1”、“0”0”表示高、低电平的数字信号。表示高、低电平的数字信号。 1.RS-232C1.RS-232C的电气特性的电气特性 逻辑电平逻辑电平 RS-232CRS-232C采用负逻辑电平，

16、发送数据时，发送端采用负逻辑电平，发送数据时，发送端输出的逻辑输出的逻辑“0” 0” 表示正电平（表示正电平（+5+515V15V），输），输出的逻辑出的逻辑“1”1”表示负电平（表示负电平（-5V-5V-15V-15V）。）。 接收数据时，接收端接收的接收数据时，接收端接收的+3V+3V+15V+15V高电平表高电平表示逻辑示逻辑“0”0”，-3V-3V-15V-15V低电平表示逻辑低电平表示逻辑“1”1”。 下 页上 页返 回RS-232CRS-232C的噪声容限是的噪声容限是2V(2V(因发送电平和接收电平的因发送电平和接收电平的差为差为2V)2V)，共模抑制能力较差。，共模抑制能力较差

17、。 实际工作时，应保证电平的绝对值在实际工作时，应保证电平的绝对值在3 315V15V之间。之间。 传输距离和传输速率传输距离和传输速率 传输距离最大约为传输距离最大约为15m15m。通信介质可选同轴电缆，。通信介质可选同轴电缆，双绞线，光纤等。最高速率为双绞线，光纤等。最高速率为20kbps20kbps。 2.RS-232C2.RS-232C的接口信号线定义的接口信号线定义 RS-232CRS-232C标准规定在进行连接时采用一对物理连标准规定在进行连接时采用一对物理连接器。接器。 在实际应用中，有在实际应用中，有2525针和针和9 9针两种针两种D D型连接器，由型连接器，由于于9 9针连

18、接器节省空间，应用较多。针连接器节省空间，应用较多。下 页上 页返 回2525针针9 9针针简称简称各称（传输方向）各称（传输方向）功能功能1 11 1保护地保护地保护地保护地连外壳连外壳2 23 3TXDTXD发送发送 DTEDCEDTEDCEDTEDTE发送串行数据端发送串行数据端3 32 2RXDRXD接收接收 DTEDCEDTEDCEDTEDTE接受串行数据端接受串行数据端4 47 7RTSRTS请求发送请求发送 DTEDCEDTEDCEDTEDTE请求发送请求发送5 58 8CTSCTS清除发送清除发送 DTEDCEDTEDCEDCEDCE已准备好接收（清除发已准备好接收（清除发送）

19、送）6 66 6DSRDSR数据设备就绪数据设备就绪 DTEDCEDTEDCEDCEDCE准备就绪准备就绪7 75 5SGSG信号地信号地信号接地端信号接地端8 81 1DCDDCD数据载波检测数据载波检测 DTEDCEDTEDCEDCEDCE接收到远程载波信号接收到远程载波信号20204 4DTRDTR终端就绪终端就绪 DTEDCEDTEDCEDTEDTE准备就绪准备就绪22229 9RIRI振铃指示振铃指示 DTEDCE DTEDCE DCEDCE与线路接通，出现振铃与线路接通，出现振铃表表12.1 RS-232C12.1 RS-232C信号定义信号定义下 页上 页返 回 状态线状态线 D

20、SRDSR：数据装置准备就绪，输入信号，通常表：数据装置准备就绪，输入信号，通常表示示MODEMMODEM已接通电源连到通信线路上，并处于数据已接通电源连到通信线路上，并处于数据传送方式。可用作数据通信设备传送方式。可用作数据通信设备MODEMMODEM响应数据终响应数据终端设备的联络信号。端设备的联络信号。 DTRDTR：数据终端准备就绪，输出信号，通常当：数据终端准备就绪，输出信号，通常当数据终端加电时，该信号有效，表明数据终端准备数据终端加电时，该信号有效，表明数据终端准备就绪。可用作数据终端设备发给数据通信设备就绪。可用作数据终端设备发给数据通信设备MODEMMODEM的联络信号。的联

21、络信号。 联络线联络线 RTSRTS：请求发送端，当：请求发送端，当DTEDTE准备好送出数据时，准备好送出数据时，该信号有效，通知该信号有效，通知DCEDCE准备接收数据。准备接收数据。 CTSCTS：允许发送，输入信号，当：允许发送，输入信号，当DCEDCE已准备好接已准备好接收收DTEDTE传来的数据时，该信号有效，响应传来的数据时，该信号有效，响应RTSRTS信号，信号，下 页上 页返 回通知通知DTEDTE开始发送数据。开始发送数据。RTSRTS和和CTSCTS是一对用于发送是一对用于发送数据的联络信号。数据的联络信号。 数据线数据线 TXDTXD：数据发送端，：数据发送端，DTED

22、TE发送数据到发送数据到DCEDCE。 RXDRXD：数据接收端，：数据接收端，DTEDTE从从DCEDCE接收数据。接收数据。 地线地线 SGSG：信号地：信号地 PGPG：保护地，起屏蔽保护作用的接地端，一般：保护地，起屏蔽保护作用的接地端，一般连到设备的外壳或机架上，必要时连接到大地。连到设备的外壳或机架上，必要时连接到大地。 其余其余 DCDDCD：载波检测，用来表示：载波检测，用来表示DCEDCE已接通通信链路，已接通通信链路，告知告知DTEDTE准备接收数据。准备接收数据。 RIRI：振铃指示，当：振铃指示，当DCEDCE收到交换台送来的振铃收到交换台送来的振铃呼叫信号时，使该信号

23、有效，通知呼叫信号时，使该信号有效，通知DTEDTE，已被呼叫。，已被呼叫。下 页上 页返 回 3.RS-232C 3.RS-232C的连接的连接 近程连接近程连接 通常的应用系统中，往往是配有通常的应用系统中，往往是配有RS-232CRS-232C串行接串行接口的口的CPUCPU和和I/OI/O设备之间传送信息。如设备之间传送信息。如PCPC和单片机之和单片机之间的通信，在通信距离小于间的通信，在通信距离小于15m15m时，可直接用时，可直接用RS-RS-232C232C信号线相连。如图信号线相连。如图12.512.5。 (a) (a) 图为图为TXDTXD和和RXDRXD交叉相连，不带握手

24、信号，称交叉相连，不带握手信号，称三线方式，应用最为广泛。三线方式，应用最为广泛。 (b) (b) 图为带握手通信的连接方式，图为带握手通信的连接方式，RTSRTS和和CTSCTS互联，互联，用请求发送用请求发送RTSRTS产生允许发送产生允许发送CTSCTS，表明请求传送总，表明请求传送总是允许，满足全双工通信联络要求。是允许，满足全双工通信联络要求。DTRDTR和和DSRDSR互联，用数据终端准备好产生数据装置准备好。互联，用数据终端准备好产生数据装置准备好。下 页上 页返 回 (c) (c) 图是另一种直接互联的通信方式。图是另一种直接互联的通信方式。图图12.5 RS-232C12.5

25、 RS-232C近程连接方式近程连接方式下 页上 页返 回 远程连接远程连接 当通信距离超过当通信距离超过15m15m时需要采用远程连接方式，如时需要采用远程连接方式，如图图12.612.6，远距离通信靠两个，远距离通信靠两个MODEMMODEM之间的通信介质完之间的通信介质完成，通信距离取决于介质的性能和波特率的高低。成，通信距离取决于介质的性能和波特率的高低。若某设备（若某设备（DTE1DTE1）要发送数据至对方（）要发送数据至对方（DTE2DTE2），），DTE1DTE1首先通过接口电路发出首先通过接口电路发出RTSRTS（请求发送）信号，（请求发送）信号，此时，若此时，若DCE1DCE

26、1（MODEM1MODEM1）允许传送，则向）允许传送，则向DTE1DTE1回答回答CTSCTS（允许发送）信号。（允许发送）信号。 当当DTE1DTE1获得获得CTSCTS信号后，通过信号后，通过TXDTXD线向线向DCE1DCE1发出串发出串行信号，行信号，DCE1DCE1将这些数字信号调制成模拟信号（又将这些数字信号调制成模拟信号（又称载波信号），传向对方的称载波信号），传向对方的DCE2DCE2（MODEM2MODEM2）。）。 当对方的当对方的DCEDCE（MODEM2MODEM2）收到载波信号后，向）收到载波信号后，向DTE2DTE2发出发出DCDDCD信号（数据载波检出），通知信

27、号（数据载波检出），通知DTE2DTE2准备接准备接下 页上 页返 回收，同时，将载波信号解调为数据信号，从收，同时，将载波信号解调为数据信号，从RXDRXD线线上送给上送给DTE2DTE2，DTE2DTE2通过串行接收移位寄存器对接收通过串行接收移位寄存器对接收到的位流进行移位，当收到到的位流进行移位，当收到1 1个字符的全部位流后，个字符的全部位流后，把该字符的数据位送到数据输入寄存器，把该字符的数据位送到数据输入寄存器，CPUCPU可以可以从数据输入寄存器读取字符。从数据输入寄存器读取字符。图图12.6 RS-232C12.6 RS-232C远程连接方式远程连接方式下 页上 页返 回 4. 4.单片机与单片机与RS-232CRS-232C接口接口 当计算机和单片机通过当计算机和单片机通过RS-232CRS-232C通信时必须进行通信时必须进行电平转换。如下图。电平转换。如下图。图图12.7 12.7 单片机与单片机与RS-232CRS-232C的转换电路的转换电路下 页上 页返 回 5.RS-232C 5.RS-232C的不足的不足 接口信号电平值较高，易损坏接口电路芯片，接口信号电平值较高，易损坏接口电路芯片，且与且与TTLTTL电平不兼