工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)(2013)14

《工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)(2013)14》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)(2013)14（52頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、,*,Title,Title,Title,Title,Title,Title,工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)（14）,哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所,劉勇,20,13,（春）,第七章,基于,UART,的簡單串行通信,一、概述,UART,指通用異步收發(fā)器（,Universal Asynchronous Receiver/Transmitter,），即是采用異步串行通信方式的接口,/,裝置。,線路簡單，實現(xiàn)容易。,目前大多數(shù)計算機和微控制器都支持,UART,通信。,異步串行通信格式,1,、,基于,UART,的串行通信的基本特征,(1),當傳輸線上沒有數(shù)據(jù)傳輸時，傳輸線處于空閑狀態(tài)“,1”,。,(2),發(fā)送端發(fā)送每一幀

2、數(shù)據(jù)時，首先發(fā)送一個起始位“,0”,作為開始傳輸?shù)臉酥尽?(3),發(fā)送端在傳輸起始位后，緊接著發(fā)送由,58,個二進制 位組成的數(shù)據(jù)位。每一幀數(shù)據(jù)首先發(fā)送最低位，最后發(fā)送數(shù)據(jù)最高位。,(4),數(shù)據(jù)位傳輸完后，可以選擇一個奇偶校驗位，用于校驗數(shù)據(jù)傳輸是否正確?？梢赃x擇奇校驗，也可以選擇偶校驗，還可以選擇無校驗。,(5),最后傳輸停止位，用以表示一幀的結(jié)束。停止位為“,1”,，可以是,1,位，,1.5,位或,2,位。,2,、,基于,UART,的串行通信的節(jié)點的一般構(gòu)成,串行通信節(jié)點的一般構(gòu)成,二、,EIA/TIA/RS-232,接口標準,EIA,：美國電子工業(yè)協(xié)會；,TIA,：美國電信工業(yè)協(xié)會；,R

3、S,：推薦性標準。,標準全稱：數(shù)據(jù)終端設(shè)備,(DTE,),和數(shù)據(jù)線路端接設(shè)備（,DCE,）間使用的串行二進制數(shù)據(jù)交換接口。（,Interface Between Data Terminal Equipment and Data Circuit-Terminating,Equip-ment Employing Serial Binary Data Interchange,）。,DB9,連接器,DB25,連接器,1,、,機械特性與電氣特性,電氣,連接圖,通信速率：,20kbps,以內(nèi)；,通信距離：,15m,以內(nèi)；,信號電平：,邏輯,1,：,-3V-15V,之間（數(shù)據(jù)線上：傳號,Mask,；控制線上

4、：,OFF,狀態(tài)）；,邏輯,0,：,+3V+15V,之間（數(shù)據(jù)線上：空號,Space,；控制線上：,ON,狀態(tài) ） 。,2,、,功能特性與規(guī)程特性,DB25,和,DB9,各引腳的功能分配分別如表,7-1,和表,7-2,所示。表中所說的“發(fā)送”和“接收”都是從,DTE,的角度來說的。,表,7-1 DB25,引腳定義,引腳號,信號名稱,方向,1,保護地,PG,2,發(fā)送數(shù)據(jù),TxD,DTE,DCE,3,接收數(shù)據(jù),RxD,DTE,DCE,4,請求發(fā)送,RTS,DTE,DCE,引腳號,信號名稱,方向,5,允許發(fā)送,CTS,DTEDCE,6,數(shù)據(jù)設(shè)備就緒,DSR,DTEDCE,7,信號地,SG,8,數(shù)據(jù)載

5、波檢測,DCD,DTEDCE,9,保留,10,保留,11,保留,12,次信道載波檢測,SDCD,DTEDCE,13,次信道允許發(fā)送,SCTS,DTE,DCE,引腳號,信號名稱,方向,14,次信道發(fā)送數(shù)據(jù),STxD,DTEDCE,15,發(fā)送信號元素定時,TSET,DTEDCE,16,次信道接收數(shù)據(jù),SRxD,DTEDCE,17,接收信號元素定時,RSET,DTEDCE,18,保留,19,次信道請求發(fā)送,SRTS,DTEDCE,20,數(shù)據(jù)終端就緒,DTR,DTEDCE,21,信號質(zhì)量檢測,SQD,DTEDCE,22,振鈴指示,RI,DTE,DCE,23,數(shù)據(jù)信號速率選擇,DSRS,雙向,24,發(fā)送

6、信號元素定時,TSET,DTEDCE,25,保留,表7-2 DB9引腳定義,引腳號,信號名稱,方向,1,數(shù)據(jù)載波檢測,DCD,DTEDCE,2,接收數(shù)據(jù),RxD,DTEDCE,3,發(fā)送數(shù)據(jù),TxD,DTEDCE,4,數(shù)據(jù)終端就緒,DTR,DTEDCE,5,信號地,SG,6,數(shù)據(jù)設(shè)備就緒,DSR,DTEDCE,7,請求發(fā)送,RTS,DTEDCE,8,允許發(fā)送,CTS,DTEDCE,9,振鈴指示,RI,DTEDCE,DB25,中常用的也就是,DB9,中定義的,9,根線，下面詳細說明一下,DB9,中各信號的含義：,（,1,）數(shù)據(jù)載波檢測,DCD,：這是,DCE,向,DTE,發(fā)出的狀態(tài)信息，指明從通信

7、線路上收到的載波信號是否已經(jīng)進入指定的范圍。當,DCD=ON,時，表示接收信號已經(jīng)進入指定范圍，此時,RxD,上的數(shù)據(jù)是有效的。當,DCD=OFF,時，表示接收信號尚未進入規(guī)定的范圍，此時不能接收,RxD,上的數(shù)據(jù)。,（,2,）接收數(shù)據(jù),RxD,：這是,DTE,接收,DCE,發(fā)來數(shù)據(jù)。當,DCE,不向,DTE,發(fā)送數(shù)據(jù)時，該線上的電壓為,-12V,。,DB9,中的,2,號線對于,DTE,來說是接收數(shù)據(jù)線，對于,DCE,來說是發(fā)送數(shù)據(jù)線。,（,3,）發(fā)送數(shù)據(jù),TxD,：這是,DTE,向,DCE,發(fā)送數(shù)據(jù)。當,DTE,不向,DCE,發(fā)送數(shù)據(jù)時，該線上的電壓為為,-12V,。,DB9,中的,3,號線

8、對于,DTE,來說是發(fā)送數(shù)據(jù)線，對于,DCE,來說是接收數(shù)據(jù)線。,（,4,）數(shù)據(jù)終端就緒,DTR,：這是,DTE,向,DCE,發(fā)送的握手信號。當,DTR=ON,時，表示,DTE,處于就緒狀態(tài)，希望本地,DCE,和遠程,DCE,之間建立通信信道。當,DTR=OFF,時，,DCE,將停止通信。,（,5,）信號地,SG,：,EIA-232,接口中所有電信號的公共回路，通過該引線將,DTE,和,DCE,的信號關(guān)聯(lián)起來。,（,6,）數(shù)據(jù)設(shè)備就緒,DSR,：這是,DCE,向,DTE,發(fā)送的握手信號。當,DSR=ON,時，表示本地,DCE,已和通信信道連通；當,DSR=OFF,時，表示本地,DCE,還沒準備

9、好。,（,7,）請求發(fā)送,RTS,：這是,DTE,向,DCE,發(fā)出的握手信號。當,RTS=ON,時，表示,DTE,請求向,DCE,發(fā)送數(shù)據(jù)；當,RTS=OFF,時，表示,DTE,不想發(fā)送數(shù)據(jù)。在,DTE,有數(shù)據(jù)要發(fā)送或正在發(fā)送數(shù)據(jù)時，,RTS,都要保持,ON,狀態(tài)。,（,8,）允許發(fā)送,CTS,：這是,DCE,向,DTE,發(fā)出的握手信號。,DCE,收到,DTE,的,RTS,信號后延遲一段給定時間后給出該信號。當,CTS=ON,時，表示,DCE,已經(jīng)準備好發(fā)送數(shù)據(jù)；當,CTS=OFF,時，表示,DCE,還沒準備好，不能發(fā)送數(shù)據(jù)。,（,9,）振鈴指示,RI,：這是,DCE,向,DTE,發(fā)出的狀態(tài)信

10、息。表示本地,DCE,是否正在接收遠程,DCE,的振鈴信號。當,RI=ON,時，表示正在接收振鈴信號；當,RI=OFF,時，表示不在接收振鈴信號。,EIA-232,規(guī)定了,DTE/DCE,之間的控制信號與數(shù)據(jù)信號的發(fā)送時序、應(yīng)答關(guān)系及操作過程等內(nèi)容。,示例：,DTE,發(fā)送數(shù)據(jù)過程。,（,1,）當,DTE,要發(fā)送數(shù)據(jù)時，置,EIA-232,的,DTR,為高電平（,ON,狀態(tài)），通知本地,DCE,（如,Modem,）已準備好。如果本地,DCE,也已做好準備，即連接成功，,DCE,向,DTE,發(fā)送,DSR,信號。,（,2,）,DTE,置,RTS,為高電平（,ON,狀態(tài)），通知本地,DCE,請求發(fā)送數(shù)

11、據(jù)。本地,DCE,檢測到,RTS,信號后，一方面向遠端發(fā)送載波，另一方面通過延遲電路控制,CTS,的接通（變?yōu)?ON,狀態(tài)）。,CTS,需要延遲是因為遠端,DCE,從載波到達到給出,DCD,信號有一段延時,t,。為了保證數(shù)據(jù)能被遠端,DCE,正確接收，,CTS,的延遲,T,應(yīng)該大于,t,。遠端,DCE,檢測到載波后，置,DCD,為,ON,狀態(tài)，通知遠端的,DTE,準備接收數(shù)據(jù)。,（,3,）,DTE,檢測到,CTS,變?yōu)?ON,狀態(tài)后，通過,TxD,發(fā)送數(shù)據(jù)，同時通過,RxD,接收數(shù)據(jù)。,（,4,）,DTE,發(fā)送完數(shù)據(jù)后，置,RTS,為,OFF,狀態(tài)，通知本地,DCE,發(fā)送結(jié)束。本地,DCE,檢

12、測到,RTS,后，停止發(fā)送載波，并置,CTS,為,OFF,狀態(tài)。遠端,DCE,檢測不到載波后，置,DCD,為,OFF,。,（,5,）本地,DTE,置,DTR,線為,OFF,，通知,DCE,釋放連接。,DCE,檢測到,DTR,的,OFF,狀態(tài)后，置,DSR,為,OFF,狀態(tài)作為回答，至此發(fā)送數(shù)據(jù)過程結(jié)束。,3,、,常用連接方法,（,1,）使用調(diào)制解調(diào)器（,Modem,）連接,(a),(b),(c),（,2,）零調(diào)制解調(diào)器（,Null Modem,）連接,MC1488,MC1489,4,、,用于,EIA-232,的電平轉(zhuǎn)換芯片及接口,（TTL轉(zhuǎn)EIA-232電平）,（ EIA-232轉(zhuǎn)TTL 電平

13、）,MAX232,典型工作電路,MAX232,（雙向電平轉(zhuǎn)換）,5,、,EIA-232,接口標準的缺點,（,1,）傳輸距離短。標準規(guī)定的直接連接的最大傳輸距離僅為,15m,，遠程傳輸時需要使用,Modem,，在工業(yè)控制應(yīng)用中往往要求不使用,Modem,。,（,2,）單端信號對地傳輸，信號易受共模噪聲干擾。,（,3,）傳輸速率低。由于易受噪聲干擾，傳輸速率不能過高，標準規(guī)定最高傳輸速率不超過,20kbps,。,（,4,）不能用于多點互連系統(tǒng)。,三、,EIA/TIA/RS-485,接口標準,標準全稱：用于平衡數(shù)字多點系統(tǒng)的發(fā)送器和接收器的電氣特性標準（,Standard for Electrica

14、l Characteristics of Generators and Receivers for Use in Balanced Digital Multipoint Systems,） 。,EIA-485,是,EIA-422,的變型。,EIA-485,也是其它一些現(xiàn)場總線的物理層的接口標準（或之一），如,Profibus,、,Interbus,、,Modbus,、,LonWorks,、,P-NET,、,BACnet,、,BIT Bus,等,接口標準,EIA-232,EIA-422,EIA-485,操作方式,單端,差分,差分,最大傳輸距離,15m,1.2km(9.6kbps),1.2km(9

15、.6kbps),最大傳輸速率,20kbps,12Mbps(10m),12Mbps(10m),同相電壓范圍,-25V+25V,-0.25V+6V,-7V+12V,驅(qū)動器輸出電壓（空載）,25V,6V,6V,驅(qū)動器輸出電壓（負載）,5V15V,2V,1.5V,接收器敏感度,3V,200mV,200mV,最大驅(qū)動器數(shù)量,1,1,32,最大接收器數(shù)量,1,10,32,驅(qū)動器負載阻抗,3k7 k,100,54,接收器輸入電阻,3k7 k,4 k,12 k,1,、,EIA-485,技術(shù)參數(shù)及與,232,、,422,之比較,EIA-485,電氣連接圖,EIA-485,的兩根差分信號線分別記作,A,線、,B,

16、線，以,A,和,B,之間的電位差來表示邏輯電平。驅(qū)動端,A,和,B,之間的電位差輸出范圍為,2V6V,，接收端,A,和,B,之間可以檢測的輸入電壓,V,AB,的絕對值的最小值為,200mV,，即要求,V,AB,-200mV,，或,V,AB,200mV,。,EIA-485,規(guī)定，在接收端，當,A,線電位,V,A,比,B,線電位,V,B,低,200mV,以上時，即當,V,AB,=,V,A,-,V,B,0.2V,時，認為是二進制,0,（,ON,狀態(tài)）。,2,、,EIA-485,的端口連接,典型的,EIA-485,兩線制半雙工連接方式,典型的,EIA-485,四線制主從式全雙工連接,任何時候應(yīng)該只能有

17、一個驅(qū)動器處于發(fā)送狀態(tài)，其它驅(qū)動器必須處于高阻態(tài)，這是通過驅(qū)動器上的發(fā)送使能端控制的。若有兩個或多個驅(qū)動器同時工作，當一個試圖發(fā)送邏輯,1,，一個試圖發(fā)送邏輯,0,時，會在某些器件中產(chǎn)生大電流。因此符合,EIA-485,標準的接口芯片都具有限流和過熱關(guān)閉功能，以便保護器件。,主站不能同時請求多個從站，否則會引起沖突。,在一個沒有中繼器的系統(tǒng)中最多只能有兩個終端電阻，分別并聯(lián)于傳輸線的首尾兩端。通常取,120,電阻。,兩線制連接網(wǎng)絡(luò)中,帶偏置電阻的收發(fā)器,當,EIA-485,網(wǎng)絡(luò)處于空閑狀態(tài)時，所有的節(jié)點應(yīng)處于只聽（接收）狀態(tài)。這時沒有驅(qū)動器處于發(fā)送狀態(tài)，所有驅(qū)動器均處于高阻態(tài)。沒有任何驅(qū)動器驅(qū)

18、動網(wǎng)絡(luò)，傳輸線狀態(tài)不確定。因此應(yīng)當為網(wǎng)絡(luò)添加偏置電阻使其處于確定狀態(tài)。,3,、用于,EIA-485,的電平轉(zhuǎn)換芯片及接口電路,常用的,EIA-485,接口芯片有,Maxim,公司的,MAX481/483/485/487/488/489/490/491,系列低功耗收發(fā)器。每種型號的芯片內(nèi)部均集成了一個驅(qū)動器和一個接收器，符合,EIA-422/EIA-485,接口標準。,（,1,）,MAX48X/MAX49X,系列芯片特點,使用,+5V,單電源供電；,0.1A,低電流關(guān)閉模式（,MAX481,483,487,）；,低功耗，靜態(tài)工作電流：,MAX483/487/488/489,為,120A,，,MA

19、X481/485/490/491,為,300A,；,限制轉(zhuǎn)換速率的無差錯數(shù)據(jù)傳輸（,MAX483,487,488,489,）；,共模輸入電壓范圍,-7V+12V,；,總線上最大可連接,128,個收發(fā)器（,MAX487,）；,具有電流限制和熱關(guān)斷特性的驅(qū)動器過載保護；,MAX48X/MAX49X,系列芯片的性能比較如表,7-4,所示。,型號,半,/,全雙工,數(shù)據(jù)速率,/Mbps,轉(zhuǎn)換率限制,低功耗關(guān)閉,接收器,/,驅(qū)動器使能,靜態(tài)工作電流,/A,總線上收發(fā)器數(shù)量,引腳數(shù),MAX481,半,2.5,無,有,有,300,32,8,MAX483,半,0.25,有,有,有,120,32,8,MAX485

20、,半,2.5,無,無,有,300,32,8,MAX487,半,0.25,有,有,有,120,128,8,MAX488,全,0.25,有,無,無,120,32,8,MAX489,全,0.25,有,無,有,120,32,14,MAX490,全,2.5,無,無,無,300,32,8,MAX491,全,2.5,無,無,有,300,32,14,表7-4 MAX48X/MAX49X系列芯片性能比較,（,2,）,MAX48X/MAX49X,系列芯片引腳分布及典型工作電路,MAX481/483/485/487,芯片為,8,引腳封裝，適用于半雙工通信，其引腳分布與典型工作電路如圖,7-17,所示。圖（,a,）中

21、，上圖和下圖分別為,DIP/SO,、,MAX,封裝的引腳分布圖；圖（,b,）中，傳輸線為雙絞線，,Rt,為終端匹配電阻。對于圖,7-17,（,b,），在實際應(yīng)用中，往往將,DE,與,/RE,連在一起，即在任意時刻，,DE,與,/RE,只能有一個有效或均無效（呈高阻態(tài)）。,（a）引腳分布圖 （b）典型工作電路,圖7-17 MAX481/483/485/487引腳分布及典型工作電路,MAX488/490,芯片也為,8,引腳封裝，其驅(qū)動器輸出與接收器輸入引腳是分開的，便于組成全雙工通信，其引腳分布與典型工作電路如圖,7-18,所示。圖中，傳輸線為雙絞線，,Rt,為終端匹配電阻。,（,a,）引腳分布圖

22、 （,b,）典型工作電路,圖,7-18 MAX488/490,引腳分布及典型工作電路,MAX489/491,芯片為,14,引腳封裝，也用于全雙工通信，相比,MAX488/490,增加了,RE,和,DE,引腳。其引腳分布與典型工作電路如圖,7-19,所示。圖中，傳輸線為雙絞線，,Rt,為終端匹配電阻。,（,a,）引腳分布圖 （,b,）典型工作電路,圖,7-19 MAX489/491,引腳分布與典型工作電路,MAX48X/MAX49X,系列芯片的各引腳分布和功能如表,7-5,所示。發(fā)送和接收功能如表,7-6,和表,7-7,所示。,引腳號,名稱,功能,MAX481/483/,485/487,MAX4

23、88/490,MAX,489/491,DIP/SO,MAX,DIP/SO,MAX,DIP/SO,1,3,2,4,2,RO,接收器輸出。,A,B+0.2V,，,RO,1,；,A,B-0.2V,，,RO,0,。,表7-5 MAX48X/MAX49X系列芯片的各引腳分布和功能,2,4,-,-,3,/RE,接收器輸出使能。,/RE,0,時，接收器使能；,/RE,1,時，接收器輸出高阻狀態(tài)。,3,5,-,-,4,DE,驅(qū)動器輸出使能。,DE,1,時，驅(qū)動器使能；,DE,0,時，驅(qū)動器輸出高阻狀態(tài)。,4,6,3,5,5,DI,驅(qū)動器輸入。,DI,1,，,Y,（,A,）輸出高，,Z,（,B,）輸出低；,DI

24、,0,，則反之。,5,7,4,6,6,7,GND,地。,-,-,5,7,9,Y,驅(qū)動器非反相輸出端。,-,-,6,8,10,Z,驅(qū)動器反相輸出端,。,6,8,-,-,-,A,接收器非反相輸入端和驅(qū)動器非反相輸出端。,-,-,8,2,12,A,接收器非反相輸入端。,7,1,-,-,-,B,接收器反相輸入端和驅(qū)動器反相輸出端。,-,-,7,1,11,B,接收器反相輸入端。,8,2,1,3,14,V,CC,電源，,4.75V,V,CC,5.25V,。,-,-,-,-,1,8,13,N.C,空引腳。,輸入,輸出,/RE,DE,DI,Z(B),Y(A),X,1,1,0,1,X,1,0,1,0,0,0,X

25、,高阻,高阻,1,0,X,高阻,*,高阻,*,輸入,輸出,/RE,DE,A-B,RO,0,0,+0.2V,1,0,0,-0.2V,0,0,0,輸入開路,1,1,0,X,高阻,*,表7-6 發(fā)送功能表,表7-7 接收功能表,4,、,采用,MAX485,芯片的,EIA-485,節(jié)點信號波形與電平,圖,7-20,所示為一個采用,MAX485,芯片的簡單,EIA-485,節(jié)點的結(jié)構(gòu)圖。通過對這樣的一個節(jié)點以及由這樣的兩個節(jié)點組成的系統(tǒng)中的信號波形與電平值進行測量，能更直觀地了解,EIA-485,的電氣特性。,圖7-20 簡單的EIA-485節(jié)點,邏輯電平,電壓測量值（,V,）,V,A,V,B,V,AB

26、,1,4.32,0,4.32,0,0.32,4.32,-4.08,表,7-8,單節(jié)點，,R=,時總線電平,(1) R=,時,圖,7-21 MAX485,芯片,A,，,B,引腳電壓波形,(2) R=120,時,表,7-9,單節(jié)點，,R=120,時總線電平,邏輯電平,電壓測量值（,V,）,V,A,V,B,V,AB,1,3.92,1.04,2.80,0,1.04,3.92,-2.88,（,3,）,R=60,時,表,7-10,單節(jié)點，,R=60,時總線電平,邏輯電平,電壓測量值（,V,）,V,A,V,B,V,AB,1,3.64,1.24,2.36,0,1.24,3.64,-2.24,由兩個節(jié)點構(gòu)成的,

27、EIA-485,系統(tǒng)如圖,7-21,所示。分別在,R=,，,120,，,60,時對,V,A,，,V,B,，,V,AB,進行測量，得到的波形與圖,7-20,一致。表,7-11,給出了測量數(shù)據(jù)。,圖,7-22,兩節(jié)點的,EIA-485,系統(tǒng),表7-11兩節(jié)點EIA-485系統(tǒng)總線電平,邏輯電平,電壓測量值（,V,）,V,A,V,B,V,AB,1,4.96,0,4.88,0,0,4.96,-5.04,（a） R=時,(b) R=120時,邏輯電平,電壓測量值（,V,）,V,A,V,B,V,AB,1,4.00,0.88,3.04,0,0.88,4.00,-3.04,(c) R=60,時,邏輯電平,電壓測量值（,V,）,V,A,V,B,V,AB,1,3.48,1.32,2.12,0,1.32,3.48,-2.24,總線負載對于,EIA-485,的,A,，,B,線間的電壓差會產(chǎn)生影響?？偩€負載增大時，,A,，,B,間的電壓差會減小，當,A,，,B,間的電壓差減小到小于,200mV,時就會出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤，,EIA-485,標準規(guī)定最大節(jié)點數(shù)為,32,就是為了避免出現(xiàn)總線負載過大。,