串行数据通信接口

第三章智能仪器通信接口

在自动化测量和控制系统中，各台仪表之间需要不断地进行各种信息的交换和传输，这种信息地交换和传输是通过仪表的通信接口，按照一定的协议进行的。通信接口是各台仪表之间或者是仪表与计算机之间进行信息交换和传输的联络装置。目前国际上采用的仪器标准接口有IEEE－488（并行总线），RS－232C（串行总线），USB（串行总线）等。

§3.1串行数据通信接口课本101-106一．通信与总线的相关概念

二．串行通信方式同步通信(SYNC)与异步通信（ASYNC）两种方式

三．串行通信总线接口

RS-232C标准、RS-423A总线、RS-422A总线、RS-485总线

1、数据通信是指不同设备之间进行的数字量传输和交换，例如计算机与计算机之间、计算机与智能仪器之间、智能仪器与智能仪器之间，经常需要传输各种不同的数据。数据通信是计算机及智能设备联成网络必不可少的手段。2、通信接口通信接口是各台仪表之间或者是仪表与计算机之间进行信息交换和传输的联络装置，是进行信息交换的中转站，提供信息交换的环境和条件。一、通信和总线的相关概念

3、通信协议（通信规程）是通信双方约定的一些规则。4、接口（Interface）和端口（Port）是两个不同的概念。端口是指接口电路中的一些寄存器，这些寄存器分别用来存放数据信息，控制信息和状态信息，与其相对应的就是数据端口、控制端口和状态端口。若干个端口加上相应的控制逻辑才能组成接口。CPU通过输入指令，从端口读入信息，通过输出指令，可将信息写入到端口中。一、通信和总线的相关概念5、芯片总线、内部总线、系统总线与外部总线芯片总线（片内总线）：位于集成电路内部，是集成电路内部个功能单元之间的连线，芯片总线通过集成电路的引脚延伸到外部与系统相连。内部总线（前端总线）：是控制器与其他一些部件之间直接连接而进行数据通信的总线，用于芯片一级的连接。常用内部总线：I2C、SPI、UART、SCI等。系统总线：用于控制器与接口卡的连接。使各种接口卡能够在各种系统中实现“即插即用”。常见总线标准有ISA总线、EISA总线、VESA总线、PCI总线、AGP总线等。外部总线（通信接口）：计算机之间或计算机与外围设备之间进行数据通信的连接线。用于设备一级的互连。如RS232C、RS485总线、IEEE-488总线和USB总线。一、通信和总线的相关概念一、通信和总线的相关概念6、数据通信方式并行通信：指利用多条数据传输线将一个数据的各位同时传送。通常以8位、16位或32位的数据宽度同时进行传输。每一位都要有自己的数据传输线和发送接收器件，在时钟脉冲的作用下数据从一端送往另一端。特点：传输速度快，适用于短距离通信。串行通信：指利用一条传输线将二进制数据一位位地顺序传送。在二个站（点对点）之间进行传送特点：是通信线路简单，利用电话或电报线路就可实现通信，降低成本，适用于远距离通信，但传输速度慢。一、通信和总线的相关概念7、串行通信的数据通路形式单工通信：信息只能向一个方向传送，单工通信。半双工通信：使用同一根传输线，既可发送数据又可接收数据，但不能同时发送和接收数据，通信双方可以轮流地进行发送和接收。全双工通信：允许通信双方同时进行发送和接收，需要两条传输线，在计算机串行通信中主要使用半双工和全双工方式。

二．串行通信方式分为同步串行通信(SYNC)与异步串行通信（ASYNC）两种方式。

1．异步串行通信数据通常是以字符为单位组成字符帧传送的；字符帧由发送端一帧一帧地发送，每一帧数据是低位在前，高位在后，通过传输线被接收端一帧一帧地接收。发送端和接收端可以由各自独立的时钟来控制数据的发送和接收，这两个时钟彼此独立，互不同步。在异步通信中，接收端是依靠字符帧格式来判断发送端是何时开始发送何时结束发送的。字符帧格式是异步通信的一个重要指标。通信协议（通信规程）：是通信双方约定的一些规则。包括对数据格式、同步方式，传送速度、传送步骤、检纠错方式等问题作出统一规定。也称通信控制规程。异步通信协议——起止式通信协议1）特点：字符随机出现在数据流中字符之间有不定长的空闲位靠起始位和停止位定界1帧数据2）帧格式：起始位:1位,低电平数据位:5～8位,先低位后高位，高电平或低电平校验位:1位/0位,奇偶校验，高电平或低电平停止位:1位、1.5位或2位,高电平，传送一个字符的信息格式：规定有起始位、数据位、奇偶校验位、停止位等，其中各位的意义如下：

①起始位：先发出一个逻辑”0”信号，表示传输字符的开始。②数据位：紧接着起始位之后。数据位的个数可以是5、6、7、8等，构成一个字符。通常采用ASCII码。从最低位开始传送，靠时钟定位。奇偶校验位：数据位加上这一位后，使得“1”的位数应为偶数(偶校验)或奇数(奇校验)，以此来校验数据传送的正确性。④停止位：它是一个字符数据的结束标志。可以是1位、1.5

位、2位的高电平。⑤空闲位：处于逻辑“1”状态，表示当前线路上没有数据传送。D0PD1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3…起始位空闲位停止位为了确保传输正确，异步串行通信采用相反极性的起始位和结束位来提供时间基准；异步通讯，发送和接收双方必须使用相同的字符数据帧格式，否则会造成数据错误，进而导致通信失败。异步通信通常用于信息传送量不太大、传输速度不太高的场合，如每秒50～115200位。波特率用于描述串行通讯数据传送速率，规定为：每秒钟传送二进制数码的位数，单位为波特，即：1波特=1位/秒，通常用bps表示接收时钟和发送时钟：接收和发送双方通过时钟信号对传送的数据进行定位及采样。接收和发送时钟能够用来控制通信设备接收和发送字符数据速度。该时钟信号通常由外部时钟电路产生。收/发时钟直接决定了通信线路上数据传输的速率，对于收发双方之间数据传输的同步有十分重要的意义。发送数据时，在发送时钟的下降沿，发送设备将移位寄存器中保存的数据串行移位输出；接收数据时，在接收时钟的上升沿，接收器对接收数据采样，即数据位检测。从而，获得了最大的时钟频率偏差容限。为了提高串行通信的抗干扰能力，往往用多个时钟调制一个二进制数据，调制一个二进制数据的收/发时钟个数称为波特率系数n。收/发时钟频率与波特率之间的关系：

收/发时钟频率=n×波特率一般n取1,16,32,64等。对于异步通信，常采用n=16；对于同步通信,则必须取n=1。发送喉方利用钳发送蕉时钟篮来决辰定发中送每酱个位壳的时垮刻；接收桑器在矿每一通个接揭收时藏钟的糟上升义沿接汤收数量据线叨，当呢发现估接收翅数据吃线上荡出现鉴低电吵平时遇认为旨是起巡寿始位讨，此摊后，赞如果柳在连以续的8个时件钟周停期内僵检测怒到接丝式收数运据线询上仍递保持雁为低滤电平招，确恭定为量起始罚位。甩再间顿隔16个时乞钟周击期检符测下易一位今；采用饺这种滚方法财，能甜够排嚼除接倦收线悄上的影噪声眯干扰勿并识晚别假育起始梯位，宅较精炉确地木确定皂起始砍位的撞中间申点，受从而扒提供肉一个衔准确带的时桐间基宴准。17异步淹通信扯的时萍钟数据（62括H）000011停止然位异步丸传输功先发荷送低寻位(L猛SB丈)发送按方利用俩发送耳时钟校来决锤定发奋送每业个位愁的时尼刻接收造方检测肿起始笔位的绸下降贼沿，询并用绳它来铸同步祥接收长时钟查，然它后利者用接暮收时晌钟从残每一带位的纪中间开接收洒该位1起始偿位LS竿BMS体B0奇偶校验呈位00/帖11躬1接收/发送时钟例如：券以1k波特施率传鸦送8位数扇据45握H（01悠00姜,0捏10浪1B），滨奇校绘验，1个停迫止位凤，传送1个字皮符需缠要多羡少时升间？停画出问信号经线上碧的波丧形图脊。波特沙率：博每秒露传送缺二进每制数宵的位周数，祝即1波特=b嚼it爪/s（位/秒）1k众=1敬00瞒0b骑it戚/s，每车秒传激输10映00个二直进制被数，传输1位需照要1m末s,扭2个二知进制念数之楼间的警间隔贞是1m绵s。传送音一个光字符哄共传顷送11位，蒸需要11×1亩ms苹=1等1m幻玉s2．同淡步串票行通欧信同步头通信炭是一溪种连妇续串店行传煌送数拣据的耻通信代方式阁，一忧次通纠信只传输一帧晋信息。这钟里的信息喉帧和惯异步宏通信胀的字赔符帧千不同，通常有卫若干贼个数手据字均符，茧数据婶字符敬由同剖步字惜符、诸数据宣字符涂和校验字庄符CR纳C三部办分组本成。妇在同乖步通虑信中凳，同评步字荒符可盟以采焦用统一乔的标惊准格舱式，刷也可既以由奔用户皆约定倚。SYNSYNSOH标题STX数据块ETB/ETX块校验SY刮N：同钟步字轨符（Sy处nc储hr衣on驶ou镰s），莲表示独一帧摸的开椒始；SO谨H：序盘起字甜符（St何ar奏t返of果H灾ea前de液r），注表示胜标题鹿的开颤始；标题艺：包谦括原服地址爬，目学的地食址，廉路由蛛指示蛇等信麻息；ST钢X：文苦始字保符（St毅ar企t波of秩T点ex磁t），仔表示壳正文痕开始槐。FT鹿B/属ET滴X：组歌终/文终婆字符眨（En烧d黄of漆T姻ex折t）ET新B（En锯d什of胸T待ra钉ns放mi软ss守io傍n弓Bl傍oc吩k）在同获步传置送过版程中王，必黎须规桨定各味个数嗓据单脑元的长度孝（n位）耍。全栏部被财传送纤字符掠组成脱数据云块，彻用10个同步字北符指帽示数朝据块摇的开乓始和犹结束买。同鹊步字做符可尊用单迎字符或帮双字循符。视数据虎块之哀后是CR戴C-恩-循环宿冗余毅校验日字符，它用牲于检滩验同针步传珠送的内数据揉是否碎出错咱。同步执传送话的速丈度要身高于趴异步戏传送瞒，但虏是它坝要求用同源一个验时钟纯实现奥发送妨与接循收之护间的誓同步易，因楚此硬件要避复杂寸。22同步告串行洒通信药的时冒钟定逗时方稻法数据红（62提H）01100010同步省传输吩先发炕送高孟位(M浩SB滔)发送帐方在时姜钟信太号的拆下降浓沿发露送字再节接收津方在时砖钟信表号的宋上升简沿接傲收字播节时钟（发痰送时鲜钟与介接收费时钟桌完全侧同步主）LS鸽BMS卡B收/发时累钟频恳率=1骄×波特妄率在单上片机兔应用衔系统制中，能数据忽通信暑主要按采用扮异步串行裹通信项。在笑设计专通信狮接口样时，便必须吉根据允需要膊选择标准振接口字，并输考虑忆传输扇介质楚、电乞平转晕换等吓问题具。采用标颗准接门口后竞，能捕够方晒便地选把单粗片机筑和外财设、驰测量仪器焰等有炮机地灭连接常起来贼，从壳而构刺成一邻个测格控系泛统。异步服串行舟通信晶接口北主要停有：RS谦-2肯32筝C；RS考-4疗49，RS崖-4望22具A，RS溉-4酸23类A和RS着-4改85。三．偏串行卸通信牲总线晶接口1．RS透-2搅32菜C标准RS扛-2乞32钥C是使聋用最醉早、换应用房诚最多劣的一抬种异早步串搂行通秒信总怪线标徐准。机它是厘美国浩电子仔工业巧协会危（EI卡A）19超62年公短布、19削69年最洪后修网定而举成的泼。其渐中RS表示Re倚co施mm艺en惹de劣d军St重an敏da骄rd，23若2是该标准撇的标角识号各，C表示修改早的次胁数。RS茎-2摄32骆C主要简用来悔定义鼓计算歪机系坡统的趁一些数据谨终端扩设备紧（DT庸E：Da板ta垄T米er开mi姜na舅l捕Eq赔ui东pm虹en腐t）和数据乒通信照设备但（DC典E：Da交ta膜C描om胀mu陕ni斯ca谜ti突on摊E章qu泻ip涛me尺nt）之间榜的电歼气性抬能。MC油S-姑51单片粪机与PC机的颂通信态也是锯采用显该种椒类型厅的接鄙口。偿由于MC雪S-夜51系列与单片晴机本胳身有浮一个葡全双由工的阅串行刻接口忘，因估此该怠系列羊单片勾机用RS克-2葛32疑C串行馆接口毒总线粉非常依方便烛。（1）主闹要特咽点数据充传输辣速率扔不超败过20往kb睁it押/s薪;传输捡距离爬最好金小于15性m;每个再信号塌只有葡一根焰导线鲁，两坟个传艇输方搜向共越用一与个信食号地草线；只适装用于听点对迷点通采信；电气雕上与TT驼L电平叶不同威，与TT卫L电路纯接口撞时必垒须经只过电瞧平转香换电谈路；（2）RS答-2索32裂C信息肝格式唐标准RS踏-2习32爪C采用触串行帅格式杨，该顽标准截规定:信息夕的开始为丧起始航位,信息鼓的结拔束为斜停止怠位;信息呼本身轿可以害是5、6、7、8位再图加一回位奇础偶位厅。如料果两稼个信法息之修间无信器息，眼则写棉“1”，表喝示空刮。RS慌-2川32刮C信息景格式（3）RS需-2尽32朋C电气匙标准先和机拣械连区接RS起-2反32剪C是一截种标蜘准接阀口，D型插骂座，枝采用25芯引北脚或9芯引烘脚的办连接狭器，郑如图岛所示闲。RS隔23井2舱DB淹25针脚25个功秘能引盯脚仅备定义脚了21个，21个信检号分喇成两睁个信云道组——主信慢道组独（第一船信道）和睬辅信苹道组排（第二嘱信道）2.垫R谋S2者32夸D炉B9针脚DB腹-2钻5型：数据抽线4条（2，3，14，16）控制迁线11条（4，5，6，8，12，13，19，20，21，22，23）定时摘信号零线3条（15，17，24）地线2条（1，7）备用5条，叶未定待义（9，10，11，18，25）RS袖-2桨32随C标准惊规定融接口樱有25根连拍线。晴只有后以下9个信独号经筛常使深用。引脚号信号名称方向信号功能1DCDPC机←仪器PC机收到远程信号（载波检测）2RXDPC机←仪器PC机接收数据3TXDPC机→仪器PC机发送数据4DTRPC机→仪器PC机准备就绪5GND-信号地6DSRPC机←仪器仪器准备就绪7RTSPC机→仪器PC机请求发送数据8CTSPC机←仪器仪器已切换到接收状态（清除发送）9RIPC机←仪器通知PC机，线路正常（振铃指示）RS永-2早32茎C另一洁种常息用的竟插头柿是9芯，秤它的香引脚盾信号对功能盯为:（4）RS询-2滑32插C电气差特性菠及电盘平转异换器RS黑-2涛32搂C规定滚了自症己的考电气酒标准裳，由袄于它绝是在TT傅L电路茄之前笑研制么的，盆所以汗它的挥电平稿不是+5眼V和地声，而是采分用负逻俱辑，即啊：逻辑闭“0”：+3拥V～+1余5V逻辑竿“1”：-3推V～-1似5V因此辰，RS煮-2慕32违C不能饼和TT泡L电平缝直接赚相连想，使今用时必须塌进行友电平陵转换芒，否姜则将翼使TT忆L电路阀烧坏柴，实埋际应用遮时必概须注渗意！献实现鼠电平悟转换娘的方天法可青用分黎立元件，健也可赛用集择成电溪路芯谅片。目前今较广桌泛地相使用弯集成苏电路睬转换嘱器件授：MC求14粱88、SN病75也15西0芯片改可完优成TT爆L电平辆到23吉2C电平的转杰换，耐被称司为总线槐发送烫器。MC域14窄89、SN割75幼15馅4芯片盲可实陪现RS机-2债32啊C电平薪到TT材L电平的转奋换，把称为总线俘接收纱器。MA兼X2趴32芯片柱可完携成TT伟L-口R奔S-畅23烫2C双向电平转挣换讯。RS爹23刊2C与TT喷L电平激变换棋器管脚桨说明因如下忠：①C1尘+、C1壁-、C2碗+、C2皂-是外缝接电周容端起；方②R1鹅IN、R2知IN是2路RS符-2侨32初C电平增信号怒接收烧输入乌端；滤③Rl辱OU渗T、R2哑OU辽T是2路转坏换后搏的TT鞭L电平作接收五信号计输出值端，愤送80狱51的RX设D接收愚端；截④Tl锤IN、T2滔IN是2路TT笨L电平嫌发送袖输入蔑端，雅接80碍51的Tx哄D发送证端；岛⑤Tl污OU河T、T2丘OU撞T是2路转团换后状的发学送RS徐-2笼32慌C电平顶信号张输出席端，抬接传蓄输线撕；登⑥V+经电拿容接半电源+5晕V；仆⑦V-经电妻容接密地。MA盛X2干32芯片旦的引有脚MA较X2顶32应用集电路旱原理饿图MA疏X2奏32应用镇电路泄原理股图（5）RS栋-2道32属C接口尺标准膊最大胡传输温距离工的说芝明RS述-2估32歉C标准侮规定冒，若抛不使屑用MO亮DE造M，则王在码跳元畸肌变小兼于4％的情况能下，DT胡E和DC阅E之间壶最大尼传输助距离腿为15袖m（50英尺柱）。可革见这个最缩慧大的尘距离别是在狐码元约畸变旅小于4％的量前提纹下给位出的泡。为踏了保振证码元纸畸变炸小于4％的演要求权，接最口标接准在脏电气拾特性夜中规写定，窗驱动驴器的负鲜载电扫容应泊小于25芦00纪pF。例伴如，矛采用律每0.问3m（约1英尺乔）的而电容值败为40～50饺p狡F的普庙通非微屏蔽册多芯振电缆禁作传狡输线双，则鹅传输他线的长度焦，即我传输谱距离浴为：L准=率25星00星p护F/另17其0唇pF植/m单≈吃1担5m然而阴，在羊实际饼应用点中，决码元脾畸变俗超过4％，企而为10％～20％时施，也能详正常尾传输紧信息扫，这遮意味胸着驱鸽动器蛙的负恨载电协容可赠以超损过25叉00臭pF，因童而传掉输距祝离可爽大大蔬超过15恰m，这催说明门了RS蛇23肥2C标准季所规定毅的直卸接传丑送最柜大距转离为15玻m是偏起于保槐守的车。（6）RS伙-2教32经C接口喜的常盖用系洋统连夫接近距鸟离（15达m以内）通浩信：不采剧用调梦制解圾调器虎，通此信双麻方可房诚以直慰接连缘瑞接，常这种凑情况塑下，奋只需诵使用圣少数锦几根界信号饺线。在最湖简单侮的全汗双工贝系统剪中，姻仅用椅发送苗数据眼、接另收数户据和盆信号粪地三谋根线蜡即可恢。单片迷机之富间很壤近距蔑离通泉信接智线图单片遣机之届间近阀距离招通信午接线京图计算择机之份间近潮距离岁通信懒接线颈图计算垒机与秀单片绕机之蛋间近心距离旁通信就接线霉图计算伐机串肿口设伙置引脚号符号方向功能2TXDO发送数据3RXDI接收数据4RTSO请求发送5CTSI为发送清零6DSRIDCE就绪7GND信号地8DCDI载波检测20DTRODTE就绪全双邻工标顽准连遣接图址（双绳交叉验环回祸接口册）远距亿离（15朴m以上）通焦信：一般宿要加调制闷解调妥器MO遵DE宴M，通此过专用啦电话背线进行巧通信。如绍图4-覆27所示灯。信号谁的调肃制和蔽解调计算妄机的宣通信触是要艘求传罪送数秆字信午号，冤而在沈进行久远程叶数据要通信时磨，线税路往榨往是握借用柄现有冈的公性用电摇话网帽，但玩是，吼电话骑网是弯为音频兄模拟艳信号阵的设懒计的题。一晶般为30毫0～34智00误Hz，不倚适合笛于数挪据信号绸。因此恩需要口对二闲进制伞信号讽进行忧调制龟，以撤适合台在电宅话网塘上传撤输相应仆的音股频信嫌号，患在接刚收时味，需欲要进引行解交调，鼓还原素成数殿字信熊号。计算机MODEMMODEM模拟信号数字信号数字信号CRT101010101010调制电话线Ⅰ）.什么屑叫调晚制?所谓陕调制捡就是债进行晕波形锡变换妨。或跳者说禽进行畅频谱据变换条，就犬是将外基带融数字夺信号搞的频保谱变叉换成化适合域于在酸模拟拾信道忌中传逝输的粗频谱匆。Ⅱ）.作用:调制社器(M波od狠ul样at偶or嫂)是一章个波越形变咱换器,它将矮基带烈数字每的波凭形变焰换成踪蝶适合验于模速拟信料道传逼输的鸦波形售。解调拿器是一希个波浑形识有别器,将模赴拟信却号恢单复成灵原来缝的数土字信驴号。调制器解调器010010010010最基易本的沾调制输方法述有以榆下几秒种：（1）调而幅（AM）即载府波的振幅随基血带数参字信伯号而她变化.“1”对应我有载赖波“0”对应读无载珠波Ⅲ）.调制茅方法:（2）调尤频（FM）即载析波频率随数情字信轿号而巨变化“0”对应”f1”“1”对应“f2”(3绸)调相木（PM）即载叔波初亲始相疼位随赚基带庄数字级信号灵而变厦化.“0”对应批相位0度“1”对应遮相位18芹0度f1f2FMAM0100110度180度PMRS验-2凭32引C标准峰的不令足：1、数泡据传团输速剖率慢康；2、传歼送距待离短抓，一焦般局旺限于15雾m，即掀使使举用较方好的狮同轴奸电缆吧，最老大距痰离也腿不应涉超过60饭m；3、没纷有规元定标虎准的告连接吗器，飘因而理产生聪了25插针僻和9插针芒等多骄种设曲计方女案；4、信靠号传经输电省路为撤单端刺电路可，共乐模抑梁制比都小，烛抗干扰西能力筛较差兵。2．RS言-4痰22A接口博标准全称较是“平衡孝电压董数字隐接口指电路遮的电旬气特罪性”；接收戏器采崇用高赴输入趴阻抗趴和发酿送驱盛动器蓄具有弦比RS位23霸2更强钥的驱傲动能饲力，析故允瘦许在匀相同霉传输喇线上虚连接穷多个陪接收砌节点镜，最丘多可跟接10个节帝点。RS坟-4米22四线哲接口棚由于正采用燥单独炒的发掘送和融接收鹅通道,因此喂不必宏控制预数据芳方向,各装夜置之厅间任萌何沿必须趋的信毙号交例换均火可以熔按软棍件方楚式（XO颂N/京XO借FF握手闻）或电硬件摆方式央（一局对单狐独的唉双绞解线）著实现相。2．RS咸-4查22A接口齿标准1.特点：（1）采用挑平衡棚发送笛器和恐差动舰接收淋器，齐由于妖是双采线传抱输，乖大大比提高递了抗粉共模惑干扰孝的能同力。因为序是两雨条传颈输线换的电瘦位差狠决定拍逻辑竖电平AA塘´-欢BB累´蚁<-睡2V，表梯示“1”AA翼´-歼BB名´行>+守2V，表刻示“0”（2）传抵输速萌率10地Mb凶ps（<1管5m时）90组Kb咸ps（<1叼20熊0m时）2.连接利：计算搂机侧RS衣-4