第4章-串行通信接口技術(shù)-D

第四章串行通信技術(shù)

異步串行通信協(xié)議及標準接口

RS-232-C標準接口

20mA電流環(huán)接口4.1異步串行通信協(xié)議及標準接口異步串行通信協(xié)議異步串行通信格式4.1異步串行通信協(xié)議及標準接口異步通信的同步檢測與正確采樣的三項措施：以相反極性的起始位/停止位（空閑位）檢測新

字符的開始，為接收端正確采樣提供時間基準。接收器在每位碼元的中心采樣，以獲得最大的

收/發(fā)時鐘頻率偏差容限。接受時鐘頻率=n×波特率，以提高采樣分辨率

和抗干擾能力。用16倍波特率時鐘的同步檢測與采樣過程示意圖4.1異步串行通信協(xié)議及標準接口傳輸速率：

50，75，110，150，300，600，1200，2400，4800，9600，19200等11種波特率可選。常用串行通信標準接口

RS-232-C接口20mA(60mA)電流環(huán)接口RS-449/422/423接口4.2RS-232-C標準接口

——一種電壓控制的串行通信接口標準，由美國EIA協(xié)會公布和推薦信號連接規(guī)范：使用25腳連接器，定義了

20根引腳信號，分成主、輔兩個信道。信號連接方法：有調(diào)制解調(diào)器的實用連接無調(diào)制解調(diào)器的正規(guī)連接無調(diào)制解調(diào)器的最簡連接常用三種連接方法，以適應(yīng)不同應(yīng)用場合：4.2RS-232-C標準接口主要電氣指標：最高傳輸速率：20kbit/s最大傳輸距離：約30m邏輯電平：負邏輯邏輯“1”（傳號）：要求發(fā)送端-5～-25v,

接收端＜-3v。邏輯“0”（空號）：要求發(fā)送端+5～+25v,接

收端＞+3v。高低電平擺幅大，目的是增大噪聲容限，提高抗噪聲、抗傳輸線衰減的能力。4.2RS-232-C標準接口應(yīng)用說明：RS-232-C電平與TTL/CMOS電平不兼容，故兩者連

接時，必須進行電平轉(zhuǎn)換。以MC1488/MC1489作為收/發(fā)轉(zhuǎn)換時鐘4.2RS-232-C標準接口為了提高抗干擾能力，提高傳輸速度，增大傳

輸距離，可在收/發(fā)端加光電隔離或用新型RS-

232-C串行通信轉(zhuǎn)發(fā)器FC232。長線收發(fā)器長線收發(fā)器長線收發(fā)器長線收發(fā)器計算機或終端計算機或終端計算機或終端計算機或終端長線收發(fā)器PC機PE514AFC232利用FC232作為RS-232-C通信轉(zhuǎn)發(fā)器4.2RS-232-C標準接口DB-9D型連接器DCDRXDTXDDTRGNDDSRRTSCTSRI123456789DB-9D型連接器及其信號說明引腳符號方向功能1載波檢測DCDI2RXDI接收數(shù)據(jù)3TXDO發(fā)送數(shù)據(jù)4DTRO數(shù)據(jù)終端就緒5GND信號地6DSRI數(shù)據(jù)設(shè)備就緒7RTS請求發(fā)送O8CTSI清除發(fā)送

9RII振鈴指示4.2RS-232-C標準接口DB-25D型連接器DB-25D型連接器及其信號說明（-）接收電流（+）接收電流發(fā)送

電流（-）發(fā)送

電流（+）13119876543212220181425DTRRIDCDRTSGNDDSRCTSRXDTXD1保護地2TXDO發(fā)送數(shù)據(jù)3RXDI接收數(shù)據(jù)4RTSO請求發(fā)送5CTSI清除發(fā)送6DSRI數(shù)據(jù)設(shè)備就緒7GND信號地8CDI載波檢測20DTRO數(shù)據(jù)終端就緒22RII振鈴指示引腳符號方向功能一、RS-232、RS-422與RS-485的簡單介紹

RS-422由RS-232發(fā)展而來，它是為彌補RS-232之不足而提出的。為改進RS-232通信距離短、速率低的缺點，RS-422定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到10Mb/s，傳輸距離延長到1200米（速率低于100kb/s時），并允許在一條平衡總線上連接最多10個接收器。RS-422是一種單機發(fā)送、多機接收的單向、平衡傳輸規(guī)范，被命名為TIA/EIA-422-A標準。4.4RS—485通信網(wǎng)絡(luò)一、RS-232、RS-422與RS-485的簡單介紹

為擴展應(yīng)用范圍，EIA又于1983年在RS-422基礎(chǔ)上制定了RS-485標準，增加了多點、雙向通信能力，即允許多個發(fā)送器連接到同一條總線上，同時增加了發(fā)送器的驅(qū)動能力和沖突保護特性，擴展了總線共模范圍，后命名為TIA/EIA-485-A標準。由于EIA提出的建議標準都是以RS作為前綴，所以在通訊工業(yè)領(lǐng)域，仍然習(xí)慣將上述標準以RS作前綴稱謂。RS-232、RS-422與RS-485標準只對接口的電氣特性做出規(guī)定，而不涉及接插件、電纜或協(xié)議，在此基礎(chǔ)上用戶可以建立自己的高層通信協(xié)議。

4.4RS—485通信網(wǎng)絡(luò)

當前自動控制系統(tǒng)中常用的網(wǎng)絡(luò)，如現(xiàn)場總線CAN、Profibus、INTERBUS-S以及ARCNet的物理層都是基于RS-485的總線進行總結(jié)和研究。

4.4RS—485通信網(wǎng)絡(luò)二、RS—485通信總線的技術(shù)標準

RS-485標準采有用平衡式發(fā)送，差分式接收的數(shù)據(jù)收發(fā)器來驅(qū)動總線，具體規(guī)格要求：

1.接收器的輸入電阻RIN≥12kΩ

2.驅(qū)動器能輸出±7V的共模電壓

3.輸入端的電容≤50pF

4.在節(jié)點數(shù)為32個，配置了120Ω的終端電阻的情況下，驅(qū)動器至少還能輸出電壓1.5V（終端電阻的大小與所用雙絞線的參數(shù)有關(guān)）

5.接收器的輸入靈敏度為200mV（即（V+）-（V-）≥0.2V，表示信號“0”；（V+）-（V-）≤-0.2V，表示信號“1”）

因為RS-485的遠距離、多節(jié)點（32個）以及傳輸線成本低的特性，使得EIARS-485成為工業(yè)應(yīng)用中數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x標準。

4.4RS—485通信網(wǎng)絡(luò)

三、RS—485網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與通信控制在RS-485網(wǎng)絡(luò)工作中的任意一時刻只能有一個驅(qū)動器在工作，可以有多個接收器接收，這樣才能保證網(wǎng)絡(luò)的正常工作。該工作是由RS-485通信控制軟件的正確工作來完成的，在硬件上EN引腳起到RS-485接口器件工作方向的控制作用，在本接口器件得到授權(quán)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)之前，EN始終保護低電平，使本端口始終處于數(shù)據(jù)接收狀態(tài)。下圖是二通信端口RS-485網(wǎng)絡(luò)工作示意圖。4.4RS—485通信網(wǎng)絡(luò)AA0V5V0V5V0VTX10VVAEN2RX20VRS-485驅(qū)動不允許

+3VVB

+3VDRRDBBRS-485網(wǎng)絡(luò)工作波形圖EN1TX1EN1RX1TX2EN2RX2

TX1、TX2、RX1、RX2、EN1、EN2等是TTL電平，A、B處電壓值為RS-485網(wǎng)絡(luò)工作電平。一旦工作中的RS-485端口放棄網(wǎng)絡(luò)控制權(quán)（使EN變?yōu)榈碗娖剑W(wǎng)絡(luò)上的其他端口就可以取得網(wǎng)絡(luò)的控制權(quán)。這種對網(wǎng)絡(luò)控制權(quán)的接續(xù)工作，最好能有所延遲，以抑制網(wǎng)絡(luò)反射波等的影響，延遲時間可大約在一個字符的傳輸時間左右，如網(wǎng)絡(luò)傳輸速率是9600波特，延遲時間可設(shè)定為1ms。4.4RS—485通信網(wǎng)絡(luò)

三、RS—485網(wǎng)絡(luò)電壓偏置

當RS-485網(wǎng)絡(luò)中的所有點都處于接聽模式，即網(wǎng)絡(luò)上沒有有效的驅(qū)動器在工作時（驅(qū)動器輸出都處于高阻狀態(tài)），這樣網(wǎng)絡(luò)上處于一個未知狀態(tài)。如果接收器A與B端間的輸入電壓小于±200mV，則各接收器輸出的邏輯電平將處于各自所收到的最后一位信號的邏輯電平值，可能造成通信數(shù)據(jù)不正確，可以通過增加上、下拉電阻辦法解決，具體接法見下圖。4.4RS—485通信網(wǎng)絡(luò)VCCR2TX-EN21ROB/READEDIGNDR1RXDTXDMAX485RS-485具有偏置電阻的RS-485網(wǎng)絡(luò)

偏置電阻的值取決于RS-485網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)，選擇偏置電阻值的最終目標是使流過偏置電阻的電流值可維持線路A與B之間至少存在一個200mV的直流電壓。例如有一個32通信節(jié)點的RS-485網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點的輸入電阻為12kΩ，32個節(jié)點并聯(lián)得到總阻值為375Ω，在375的電阻上維持至少200mV的電壓需要0.53mA的電流。在5V的網(wǎng)絡(luò)工作電源條件下得到上述電流需要限流電阻小于或等于9375Ω。由于375Ω正是接收器并聯(lián)得到的總阻值，因此，偏置電阻應(yīng)小于或等于9kΩ，依此選擇標稱電阻值，上拉、下拉兩個偏置電阻可各選為4.7kΩ。4.4RS—485通信網(wǎng)絡(luò)四、

RS-485網(wǎng)絡(luò)的終端匹配

在RS-485網(wǎng)絡(luò)中，當線路阻抗與終端電阻不相匹配時，網(wǎng)絡(luò)中所傳輸?shù)男盘枌⒉荒鼙唤K端所全部接收，從而在端口反射回傳輸線，對網(wǎng)絡(luò)形成干擾。為此，可通過在網(wǎng)絡(luò)終端加匹配電阻的方法加以解決。RS-485網(wǎng)絡(luò)加終端匹配電阻的方法見下圖所示。匹配電阻可在100～120Ω內(nèi)選擇，視通信線路阻抗而定。4.4RS—485通信網(wǎng)絡(luò)4.4RS—485通信網(wǎng)絡(luò)21ROB/READEDI120RXDTXDTX-ENMAX485RS-485加終端匹配電阻的RS-485網(wǎng)絡(luò)加終端匹配電阻的RS-485網(wǎng)絡(luò)4.4RS—485通信網(wǎng)絡(luò)四、

RS-485網(wǎng)絡(luò)的終端匹配

RS-485網(wǎng)絡(luò)是否需要附加的終端匹配電阻取決于網(wǎng)絡(luò)電纜長度及系統(tǒng)的傳輸速率。一個適宜的規(guī)則是當傳輸線的延遲時間遠小于線路所傳輸信號的1位寬度的時間時可不加終端匹配電阻。這個規(guī)則是依據(jù)這樣一個條件：反射波在數(shù)據(jù)上來回反射幾次后將衰減為零。通信端口的接收裝置通常在數(shù)據(jù)位的中部采樣，所以，該中部應(yīng)保持平緩以保證數(shù)據(jù)采樣的正確性。傳輸線的傳輸速度通常為光速的66%的70%，依據(jù)電纜的特性不同而不同。4.4RS—485通信網(wǎng)絡(luò)四、

RS-485網(wǎng)絡(luò)的終端匹配

例如，有一RS-485網(wǎng)絡(luò)，通訊線總長為1.2km，使用的電纜的延遲速度為0.66倍的光速，則端到端傳輸數(shù)據(jù)大約需要6.2μS，我們假設(shè)該反射波經(jīng)3次反射后衰減為零，則數(shù)據(jù)信號將在18.6μS后趨于穩(wěn)定。假設(shè)在該網(wǎng)絡(luò)內(nèi)我們以9600波特率的速率來傳輸數(shù)據(jù)，其1位數(shù)據(jù)寬度為104μS，可見，反射波對傳輸數(shù)據(jù)波形的影響遠離于中心點，因此，該系統(tǒng)無需加終端匹配電阻。4.4RS—485通信網(wǎng)絡(luò)四、

RS-485網(wǎng)絡(luò)的終端匹配

在RS-485網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的物理接線中應(yīng)杜絕T型接線方式，應(yīng)采用“手拉手”的連接方式。12n4.4RS—485通信網(wǎng)絡(luò)4.4RS—485通信網(wǎng)絡(luò)4.4RS—485通信網(wǎng)絡(luò)五、RS-485網(wǎng)絡(luò)抗干攏與保護由于大電感，大感性負荷開關(guān)狀態(tài)的突變及射頻和雷電等因素都會對通訊網(wǎng)絡(luò)造成干擾，嚴重時會損壞網(wǎng)絡(luò)接口器件或網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的電子元器件。所以應(yīng)注意RS-485網(wǎng)絡(luò)的抗干擾與保持問題。所有對網(wǎng)絡(luò)的干擾可簡單歸類為：共模干擾和差模干擾。共模干擾以地為基準形成干擾偏差，因此，采用光電隔離方式處置最為有效。這種方案實際上將瞬態(tài)高壓轉(zhuǎn)移到隔離接口中的電隔離層上，由于隔離層的高絕緣電阻，不會產(chǎn)生損害性的浪涌電流，起到保護接口的作用。下圖就是采用高速光電耦全器6N137作為光電隔離器的RS-485保護電路。4.4RS—485通信網(wǎng)絡(luò)GNDROB/READE

DITTL-RXDTTL-TX-EN21TTL-TXDMAX485光耦光耦光耦RS485光耦隔離保護的RS-485網(wǎng)絡(luò)五、RS-485網(wǎng)絡(luò)抗干攏與保護

該電路的缺點是光電耦合器兩側(cè)需使用兩個不同的（不共地的）+5V電源及三個較昂貴的高速光電隔離器件。已有器件廠商將所有這些元件集成在一片IC中，使用起來非常簡便，如Maxim公司的MAX1480/MAX1490，隔離電壓呆達2500V。這種方案的優(yōu)點是可以承受高電壓、持續(xù)時間較長的瞬態(tài)干擾，實現(xiàn)起來也比較容易，缺點是成本較高4.4RS—485通信網(wǎng)絡(luò)五、RS-485網(wǎng)絡(luò)抗干攏與保護

差模干擾在兩條傳輸線上形成差動電勢，較大的有害電勢會損害接口器件。因此，鉗位傳輸線上的電壓到一定的安全值是消除差模干擾的一個行之有效的途徑。利用瞬態(tài)抑制元件（如TVS、氣體放電管等）將危害性的瞬態(tài)能量旁路到大地。該方法優(yōu)點是成本較低，缺點是保護能力有限，只能保護一定能量以內(nèi)的瞬態(tài)干擾，持續(xù)時間不能很長，而且需要有一條良好的連接大地的通道，實現(xiàn)起來比較困難。實際應(yīng)用中可以將瞬態(tài)抑制元件和PCT型非線性電阻結(jié)合起來，4.4RS—485通信網(wǎng)絡(luò)五、RS-485網(wǎng)絡(luò)抗干攏與保護

下圖是RS-485網(wǎng)絡(luò)傳輸線保護方法示意圖。圖中鉗位保護器件是瞬變二極管（TVS），瞬變二極管對某一個臨界電壓值有大電流迅速導(dǎo)通的特性。三個瞬變二極管對通信線二線間及各線對地間起到鉗位保護作用。兩個標識為RV的元件為PCT型非線性電阻，常溫下其阻極低，一旦流過較大電流值時會使元件迅速變熱而使阻值極劇變大。因此，用PCT型非線性電阻配合瞬變二極管可起到很好的RS-485網(wǎng)絡(luò)通信線路保護作用。4.4RS—485通信網(wǎng)絡(luò)六、RS-485接口芯片與微控制器的連接

RS-485接口芯片工作于半雙工工作方式，因此，除數(shù)據(jù)發(fā)送、接收線外，還需要有RS-485數(shù)據(jù)輸出允許控制線。圖4.20為MAX485芯片與89C51系列單片機連接圖示。數(shù)據(jù)輸入、輸出分別接到微控制器的RXD、TXD端，由微控制器的通用并行接口中P3.2來控制RS-485接口芯片的接收、發(fā)送數(shù)據(jù)操作。

4.4RS—485通信網(wǎng)絡(luò)1P32GNDRS-48589C51INT0X1RXDX2