内蒙科大智能仪器综合训练课件05通信模块

1、第五部分 通信模块一、通信的基本概念二、串行通信接口三、并行通信接口四、现场总线 通信系统是传递信息所需的一切技术设备的总和，其构成如下页图所示。外部信息的交换和传输是通过智能仪器的外部总线通信接口，按照一定的通信协议或称通信接口标准进行的。通俗地讲，这种通信协议是一种约定，它包括两种设备互相连接时需要几根线，每根线上的有效高低电平的范围，各有什么含义，数据传输时每秒钟传送多少位二进制数即波特率等。通信接口是各台仪表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。 一、通信的基本概念通信系统的组成 按照不同的通信协议，通信接口主要有五种类型：串行通信接口、并行通信接口、USB接口、现场

2、总线接口和以太网接口。 二、 串行通信接口 串行通信是指通过一根通信线逐位传输数据。当需要远距离通信时，通常采用串行数据传送方式，常用的串行数据接口标准是RS-232、RS-422和RS-485。这些标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及具体的接插件、电缆或协议，使用时可以根据需要自己编程建立高层通信协议。 串行口按其接收/发送的功能可分为三类：一是只能接收或只能发送的称之为单工串行口；二是既可接收又可发送，但不能同时进行收发的称之半双工串行口；三是能同时进行接收和发送的串行口称之为全双工串行口。 所有串行接口标准中，应用最多的当首推RS-232-C，主要用于近距离（一般15m以内）通信。其

3、次是RS-485，虽然它的出现比RS-422/RS-423晚，但由于它具有抗干扰能力强等独特优点，大有后来居上之势。 此外，还出现了许多单片机专用总线，如SPI总线，I2C总线、SMBus总线。目前，在微型计算机分布式控制系统中，又出现了一种新的串行通信总线，即现场总线。它的出现，使微型计算机控制系统正经历着一场新的革命。 波特率 串行通信是一位一位传送的。衡量传送数据快慢的物理量叫波特率。所谓波特率是指每秒钟传送二进制数据的位数，单位是比特每秒（bit/s），常用bps表示。 1波特率=1位每秒（1bps） 在实际应用中，波特率是可以选择的。常用的波特, 19200，9 600，4 800，

4、2 400，1 200，600，300，150，100，50(bps)等多种，一般来讲波特率越大，传送数据的速率越快。在某些应用中，波特率有时可达10Mbps或100Mbps。有时也用“位周期”来表示传送速度，位周期是波特率的倒数。异步通信和同步通信 根据在串行通信中数据定时、同步的不同，串行通信的基本方式有两种：异步通信（Asynchronous Communication）和同步通信（SynchronousCommunication） 异步通信是字符的同步传输技术。在异步通信中，传输的数据以字（Character）为单位。当发送一个字符代码时，字符前面要加一个“起始”信号，其长度为一位，极

5、性为“0”，即空号（Space）状态；规定在线路不传送数据时全部为“1”，即传号（Mark）状态。字符后边要加一个“停止”信号，其长度为1，1.5或2位，极性为“1”。字符本身的长度为58位数据，视传输的数据格式而定。例如，当传送的数字（或字符）用ASCII码表示时，其长度为7位。在某些传输中，为了减少误码率，经常在数据之后还加一位“校验位”。由此可见，一个字符由起始位（0）开始，到停止位（1）结束，其长度为712位。起始位和停止位用来区分字符。传送时，字符可以连续发送，也可以断续发送。不发送字符时线路保持“1”状态。字符发送的顺序为先低位后高位。 综上所述，异步串行通信的帧格式，如图5.4所

6、示。 异步通信的优点是收/发双方不需要严格的位同步。也就是说，在这种通信方式下，每个字符作为独立的信息单元，可以随机地出现在数据流中，而每个字符出现在数据流中的相对时间是随机的。然而一个字符一旦发送开始，字符的每一位就必须连续地发送出去。由此可见，在异步串行通信中，“异步”是指字符与字符之间的异步，而在字符内部，仍然是同步传送。在异步通信中，由于大量增加了起始停止和校验位，所以，这种通信方式的效率比较低。 同步通信的特点是不仅字符内部保持同步，而且，字符与字符之间也是同步的。在这种通信方式下，收/发双方必须建立准确的位定时信号，也就是说收/发时钟的频率必须严格地一致。同步通信方式适合2400

7、bps以上速率的数据传输。由于不必加起始位和停止位，所以，传输效率比较高，但实现起来较为复杂。1. RS-232标准及应用 RS-232是串行数据接口标准，最初都是由美国电 子工业协会EIA（Electronic Industry Association）制定并发布的。RS-232是异步串行通信中应用最早，最广的串行总线接口之一，一般个人计算机上都留有RS-232接口，许多通用设备中也都有RS-232接口，智能仪器都可以通过RS-232接口与它相连。 RS-232标准定义了主、辅两个通信信道，在实际应用中，通常只使用一个主通信信道，因此就产生了简化的RS-232的9针D型插头。由于MCS-51

8、系列单片机本身有一个异步串行通信接口，因此，该系列单片机使用RS-232-C串行总线更加方便。 给出引脚图： RS-232标准采用负逻辑，即逻辑1电平为5V15V，逻辑0电平为5V15V，与一般单片机的TTL电平、CMOS电平不兼容，所以不能直接相连接。在设计智能仪器时，都要通过专门的接口芯片实现电平转换。常用的芯片有MAX232，ICL232等，接口电路如图所示。 在近距离通信场合，采用全双工通信，可以只用三根线构成两个设备之间的通信联系。这三根线是“信号地”、“接收数据”、“发送数据”，如鼠标与主机的通信，单片机系统与个人微机系统的通信等。连接的时候要注意TXD和RXD（如图所示）要交错连

9、接，使信号畅通，这种连接方法的通信距离要小于15m。 RS-232近距离串行通信 两台数据终端设备（DTE）远距离串行通信时，要通过数据通信设备（DCE），例如两台个人计算机通信，其连接方法如图所示。 两台数据终端设备（DTE）远距离串行通信 一般的微处理器本身不具备远距离串行通信的接口功能，但可以通过外接一个串行接口电路的方法加以扩展。串行接口电路包括串并转换电路、时钟同步电路、校验电路及逻辑控制电路等，时序也比较繁杂。但串行接口电路也有标准RS-232接口集成芯片，如8250、8251等。如图所示为MCS-51系列单片机采用8250扩展串行通信功能的电路，连接比较方便。 MCS-51系列单

10、片机用8250扩展串行通信功能 2. RS-422/RS-485标准 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10Mbps，传输距离延长到约1219m（速率低于100kbps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。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

11、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，所以在通信工业领域，仍然习惯将上述标准以RS作为前缀称谓 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10Mbps，传输距离延长到约1219m（速率低于100kbps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。为扩展应用范围

12、，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，所以在通信工业领域，仍然习惯将上述标准以RS作为前缀称谓 RS-422、RS-485与RS-232不一样，数据信号采用差分传输方式，也称做平衡传输。它使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为B。通常情况下，发送驱动器A、B之间的正电平在26V，是一个逻辑状态，负电平在62V，是另一个逻辑状态。另有一个信号地C。在

13、RS-485中还有一“使能”端，而在RS-422中这是可用可不用的。 RS-485是从RS-422基础上发展而来的，所以RS-485许多电气规定与RS-422相仿。如都采用平衡传输方式，都需要在传输线上接端电阻等。RS-485可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信，而采用四线连接时，与RS-422一样只能实现点对多的通信，即只能有一个主（Master）设备，其余为从设备。但它比RS-422有改进，无论四线还是二线连接方式总线上可多接到32个设备（后期推出的版本则可多达64/128/256点）。 RS-485接口器件集成电路也有多种，例如MAX481系列等，其引脚定义如图（a）所

14、示。其二线式传输时连接电路如图（b）所示。四线传输的接口器件与RS-422标准可以兼容，如发送（75174）和接收（75175）芯片，或者集发送、接收在一个芯片中如MAX488，如图所示。 因为RS-485具有的远距离、多结点以及输入线成本低的特性，使之成为工业应用中数据传输的首选标准。许多现场应用的智能仪器采用RS-485接口进行通信，有很多自动控制系统中常用的网络，如现场总线CAN、Profibus、Modbus等的物理层都是基于RS-485总线。 RS-232与RS-422、RS-232与RS-485都有现成的转换接口（如图所示），在进行智能仪器通信时首先要了解各仪器采用的通信标准，通过

15、适当的转换接口把它们连接在一起。 RS-232/RS-422转接口 RS-232/RS-485转接口 3. IIC总线同步通信方式两线制适合于系统内（同一电路板）短距离通信典型应用：EEPROM、日历芯片、A/D等Philips公司提出速度较低可工作在多主方式 I2C总线是双向、两线(SCL、SDA)、串行、多主控（multi-master）接口标准，具有总线仲裁机制，非常适合在器件之间进行近距离、非经常性的数据通信。MCS-51用通用IO口模拟I2C总线，并实现双向传输，则需一个输入口(SDA)，另外还需一个输出口(SCL)。IIC总线时序 开始信号：当时钟总线SCL为高电平时，数据线SDA

16、由高电平向低电平跳变，开始传送数据。 结束信号：当SCL线为高电平时，SDA线从低电平向高电平跳变，结束传送数据。 I2C总线数据传送采用时钟脉冲逐位串行传送方式，在SCL的低电平期间，SDA线上高、低电平能变化，在高电平期间，SDA上数据必须保护稳定，以便接收器采样接收 I2C总线发送器送到SDA线上的每个字节必须为8位长，传送时高位在前，低位在后。与之对应，主器件在SCL线上产生8个脉冲；第9个脉冲低电平期间，发送器释放SDA线，接收器把SDA线拉低，以给出一个接收确认位；第9个脉冲高电平期间，发送器收到这个确认位然后开始下一字节的传送，下一个字节的第一个脉冲低电平期间接收器释放SDA。每

17、个字节需要9个脉冲，每次传送的字节数是不受限制的。 I2C总线的数据传送格式是在I2C总线开始信号后，送出的第一字节数据是用来选择从器件地址的，其中前7位为地址码，第8位为方向位（R/W）。方向位为“0”表示发送，即主器件把信息写到所选择的从器件中；方向位为“1”表示主器件将从从器件读信息。格式如下： 1010A2A1A0R/W4.SPI总线 SPI是英文Serial Peripheral Interface的缩写，串行外围设备接口，SPI是Motorola公司推出的一种同步串行通讯方式，是一种三线同步总线，因其硬件功能很强，与SPI有关的软件就相当简单，使CPU有更多的时间处理其他事务 同步

18、通信方式 三（四）线制 适合于系统内（同一电路板）短距离通信 典型应用：LCD、A/D等 摩托罗拉公司提出 速度较高；一主多从，全双工SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以（单向传输时）。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI（数据输入），SDO（数据输出），SCK（时钟），CS（片选）。（1）SDO 主设备数据输出，从设备数据输入（2）SDI 主设备数据输入，从设备数据输出（3）SCLK 时钟信号，由主设备产生（4）CS 从设备使能信号，由主设备控制三、 并行通信接口 并行通信接口标准最常用的就是IEEE（

19、Institute of Electrical and Electronics Engineers，国际电气电子工程师协会）在1975年确定的IEEE-488标准。这个标准最初由美国Hewlett-Packard公司研制，通常它又称为通用目的接口总线GPIB（General Purpose Interface Bus）或仪表总线。 个人计算机一般都有IEEE-488接口，称为并行接口。用IEEE-488标准总线可以很方便地把智能仪器组合成一个自动测控系统。IEEE-488接口插座用一条24芯的无源电缆进行连接，包括8条双向数据通信线、3条数据传送控制线、5条接口控制线和8条逻辑地线，另有一个屏蔽引脚端。 用IEEE-488接口最多允许15台设备相互通信组织系统，每台设备在通信时只能扮演三种角色中的一个，或者说只能以三种工作方式中的一种方式工作： 控者：发布控制命令的。 讲者：发布消息。 听者：接受消息。 一个系统中可以有不止一个的控者和讲者，但在同一时刻只能有一个控者和一个讲者。 四、 现场总线 现场总线问世于20世纪80年代，最早由国际电工委员会（IEC）于1985年着手制定国际性现场