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12 2016年

几种主流的串口通信方式

1,什么是串口?
串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议(不要与通用串行总线Universal Serial Bus或者USB混淆)。大多数计算机包含两个基于RS232的串口。串口同时也是仪器仪表设备通用的通信协议;很多GPIB兼容的设备也带有RS- 232口。同时,串口通信协议也可以用于获取远程采集设备的数据。

串口通信的概念非常简单,串口按位(bit)发送和接收字节。尽管比按字节(byte)的并行通信慢,但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。它很简单并且能够实现远距离通信。比如IEEE488定义并行通行状态时,规定设备线总常不得超过20米,并且任意两个设备间的长度不得超过2米;而对于串口而言,长度可达1200米。

典型地,串口用于ASCII码字符的传输。通信使用3根线完成:(1)地线,(2)发送,(3)接收。由于串口通信是异步的,端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。其他线用于握手,但是不是必须的。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。对于两个进行通行的端口,这些参数必须匹配:


a,波特率:这是一个衡量通信速度的参数。它表示每秒钟传送的bit的个数。例如300波特表示每秒钟发送300个bit。当我们提到时钟周期时,我们就是指波特率例如如果协议需要4800波特率,那么时钟是4800Hz。这意味着串口通信在数据线上的采样率为4800Hz。通常电话线的波特率为 14400,28800和36600。波特率可以远远大于这些值,但是波特率和距离成反比。高波特率常常用于放置的很近的仪器间的通信,典型的例子就是 GPIB设备的通信。


b,数据位:这是衡量通信中实际数据位的参数。当计算机发送一个信息包,实际的数据不会是8位的,标准的值是5、7和8位。如何设置取决于你想传送的信息。比如,标准的ASCII码是0~127(7位)。扩展的ASCII码是0~255(8位)。如果数据使用简单的文本(标准 ASCII码),那么每个数据包使用7位数据。每个包是指一个字节,包括开始/停止位,数据位和奇偶校验位。由于实际数据位取决于通信协议的选取,术语 “包”指任何通信的情况。


c,停止位:用于表示单个包的最后一位。典型的值为1,1.5和2位。由于数据是在传输线上定时的,并且每一个设备有其自己的时钟,很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束,并且提供计算机校正时钟同步的机会。适用于停止位的位数越多,不同时钟同步的容忍程度越大,但是数据传输率同时也越慢。

d,奇偶校验位:在串口通信中一种简单的检错方式。有四种检错方式:偶、奇、高和低。当然没有校验位也是可以的。对于偶和奇校验的情况,串口会设置校验位(数据位后面的一位),用一个值确保传输的数据有偶个或者奇个逻辑高位。例如,如果数据是011,那么对于偶校验,校验位为0,保证逻辑高的位数是偶数个。如果是奇校验,校验位位1,这样就有3个逻辑高位。高位和低位不真正的检查数据,简单置位逻辑高或者逻辑低校验。这样使得接收设备能够知道一个位的状态,有机会判断是否有噪声干扰了通信或者是否传输和接收数据是否不同步。

2,什么是RS-232?
RS-232 (ANSI/EIA-232标准)是IBM-PC及其兼容机上的串行连接标准?捎糜谛矶嘤猛,比如连接鼠标、打印机或者Modem,同时也可以接工业仪器仪表。用于驱动和连线的改进,实际应用中RS-232的传输长度或者速度常常超过标准的值。RS-232只限于PC串口和设备间点对点的通信。RS- 232串口通信最远距离是50英尺。

DB-9针连接头
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\ 1 2 3 4 5 /
\ 6 7 8 9 /

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从计算机连出的线的截面。
RS-232针脚的功能:

数据:
TXD(pin 3):串口数据输出
RXD(pin 2):串口数据输入

握手:
RTS(pin 7):发送数据请求
CTS(pin 8):清除发送
DSR(pin 6):数据发送就绪
DCD(pin 1):数据载波检测
DTR(pin 4):数据终端就绪

地线:
GND(pin 5):地线

其他
RI(pin 9):铃声指示

3,什么是RS-422?
RS -422(EIA RS-422-A Standard)是Apple的Macintosh计算机的串口连接标准。RS-422使用差分信号,RS-232使用非平衡参考地的信号。差分传输使用两根线发送和接收信号,对比RS-232,它能更好的抗噪声和有更远的传输距离。在工业环境中更好的抗噪性和更远的传输距离是一个很大的优点。

4,什么是RS-485?
RS -485(EIA-485标准)是RS-422的改进,因为它增加了设备的个数,从10个增加到32个,同时定义了在最大设备个数情况下的电气特性,以保证足够的信号电压。有了多个设备的能力,你可以使用一个单个RS-422口建立设备网络。出色抗噪和多设备能力,在工业应用中建立连向PC机的分布式设备网络、其他数据收集控制器、HMI或者其他操作时,串行连接会选择RS-485。RS-485是RS-422的超集,因此所有的RS-422设备可以被 RS-485控制。RS-485可以用超过4000英尺的线进行串行通行。

DB-9 引脚连接
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\ 1 2 3 4 5 /
\ 6 7 8 9 /
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从计算机连出的线的截面。

RS-485和RS-422的引脚的功能
数据:TXD+(pin 8),TXD-(pin 9),RXD+(pin 4),RXD-(pin 5)
握手:RTS+(pin 3),RTS-(pin 7),CTS+(pin 2),CTS-(pin 6)
地线:GND (pin 1)

5,什么是握手?
RS -232通行方式允许简单连接三线:Tx、Rx和地线。但是对于数据传输,双方必须对数据定时采用使用相同的波特率。尽管这种方法对于大多数应用已经足够,但是对于接收方过载的情况这种使用受到限制。这时需要串口的握手功能。在这一部分,我们讨论三种最常用的RS-232握手形式:软件握手、硬件握手和 Xmodem。

a,软件握手:我们讨论的第一种握手是软件握手。通常用在实际数据是控制字符的情况,类似于GPIB使用命令字符串的方式。必须的线仍然是三根:Tx, Rx和地线,因为控制字符在传输线上和普通字符没有区别,函数SetXModem允许用户使能或者禁止用户使用两个控制字符XON和OXFF。这些字符在通信中由接收方发送,使发送方暂停。
例如:假设发送方以高波特率发送数据。在传输中,接收方发现由于CPU忙于其他工作,输入buffer已经满了。为了暂时停止传输,接收方发送XOFF,典型的值是十进制19,即十六进制13,直到输入buffer空了。一旦接收方准备好接收,它发送XON,典型的值是十进制17,即十六进制11,继续通信。输入buffer半满时,LabWindows发送XOFF。此外,如果XOFF传输被打断,LabWindows会在buffer达到75%和 90%时发送XOFF。显然,发送方必须遵循此守则以保证传输继续。

b,硬件握手:第二种是使用硬件线握手。和Tx和Rx线一样,RTS/CTS和DTR/DSR一起工作,一个作为输出,另一个作为输入。第一组线是RTS (Request to Send)和CTS(Clear to Send)。当接收方准备好接收数据,它置高RTS线表示它准备好了,如果发送方也就绪,它置高CTS,表示它即将发送数据。另一组线是DTR(Data Terminal Ready)和DSR(Data Set Ready)。这些现主要用于Modem通信。使得串口和Modem通信他们的状态。例如:当Modem已经准备好接收来自PC的数据,它置高DTR线,表示和电话线的连接已经建立。读取DSR线置高,PC机开始发送数据。一个简单的规则是DTR/DSR用于表示系统通信就绪,而RTS/CTS用于单个数据包的传输。

在LabWindows,函数SetCTSMode使能或者禁止使用硬件握手。如果CTS模式使能,LabWindows使用如下规则:当PC发送数据:RS-232库必须检测CTS线高后才能发送数据。

当PC接收数据:
如果端口打开,且输入队列有空接收数据,库函数置高RTS和DTR。
如果输入队列90%满,库函数置低RTS,但使DTR维持高电平。
如果端口队列近乎空了,哭喊数置高RTS,但使DRT维持高电平。
如果端口关闭,库函数置低RTS和DTR。

c,XModem握手:最后讨论的握手叫做XModem文件传输协议。这个协议在Modem通信中非常通用。尽管它通常使用在Modem通信中, XModem协议能够直接在其他遵循这个协议的设备通信中使用。在LabWindows中,实际的XModem应用对用户隐藏了。只要PC和其他设备使用 XModem协议,在文件传输中就使用LabWindows的XModem函数。函数是XModemConfig,XModemSend和 XModemReceive。

XModem使用介于如下参数的协议:start_of_data、end_of_data、neg_ack、wait_delay、 start_delay、max_tries、packet_size。这些参数需要通信双方认定,标准的XModem有一个标准的定义:然而,可以通过 XModemConfig函数修改,以满足具体需要。这些参数的使用方法由接收方发送的字符neg_ack确定。这通知发送方其准备接收数据。它开始尝试发送,有一个超时参数start_delay;当超时的尝试超过max_ties次数,或者收到接收方发送的start_of_data,发送方停止尝试。如果从发送方收到start_of_data,接收方将读取后继信息数据包。包中含有包的数目、包数目的补码作为错误校验、packet_size字节大小的实际数据包,和进一步错误检查的求和校验值。在读取数据后,接收方会调用wait_delay,然后想发送方发送响应。如果发送方没有收到响应,它会重新发送数据包,直到收到响应或者超过重发次数的最大值max_tries。如果一直没有收到响应,发送方通知用户传输数据失败。

由于数据必须以pack_size个字节按包发送,当最后一个数据包发送时,如果数据不够放满一个数据包,后面会填充ASCII码NULL(0)字节。这导致接收的数据比原数据多。在XModem情况下一定不要使用XON/XOFF,因为XModem发送方发出包的数目很可能增加到XON/OFF控制字符的值,从而导致通信故障。

RS485 半双工接法为:RX+ 和TX+ 并联为Data+;RX- 和TX- 并联为Data-。RS485 全双工/RS422 接法为:FULL 和GND 短接;信号线为RX+,TX+,RX-,TX-,可根据需要连接GND。

一、什么是RS-232-C接口?采用RS-232-C接口有何特点?传输电缆长度如何考虑?
答: 计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种方式。由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低,特别是在远程传输时,避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。 在串行通讯时,要求通讯双方都采用一个标准接口,使不同 的设备可以方便地连接起来进行通讯。 RS-232-C接口(又称 EIA RS-232-C)是目前最常用的一种串行通讯接口。它是在1970年由美国电子工业协会(EIA)联合贝尔系统、 调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标 准。它的全名是“数据终端设备(DTE)和数据通讯设备(DCE)之间 串行二进制数据交换接口技术标准”该标准规定采用一个25个脚的 DB25连接器,对连接器的每个引脚的信号内容加以规定,还对各种信 号的电平加以规定。

(1)接口的信号内容 实际上RS-232-C的25条引线中有许多是很少使用的,在计算机与终端通讯中一般只使用3-9条引线。RS-232-C最常用的9条引线的信号内容见附表1所示
(2)接口的电气特性 在RS-232-C中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即:逻 辑“1”,-5— -15V;逻辑“0” +5— +15V 。噪声容限为2V。即 要求接收器能识别低至+3V的信号作为逻辑“0”,高到-3V的信号 作为逻辑“1” 附表1


(3)接口的物理结构 RS-232-C接口连接器一般使用型号为DB-25的25芯插头座,通常插头在DCE端,插座在DTE端. 一些设备与PC机连接的RS-232-C接口,因为不使用对方的传送控制信号,只需三条接口线,即“发送数据”、“接收数据”和“信号地”。所以采用DB-9的9芯插头座,传输线采用屏蔽双绞线。

(4)传输电缆长度 由RS-232C标准规定在码元畸变小于4%的情况下,传输电缆长度应为50英尺,其实这个4%的码元畸变是很保守的,在实际应用中,约有99%的用户是按码元畸变10-20%的范围工作的,所以实际使用中最大距离会远超过50英尺,美国DEC公司曾规定允许码元畸变为10%而得出附表2 的实验结果。其中1号电缆为屏蔽电缆,型号为DECP.NO.9107723 内有三对双绞线,每对由22# AWG 组成,其外覆以屏蔽网。2号电缆为不带屏蔽的电缆。型号为DECP.NO.9105856-04是22#AWG的四芯电缆。 附表2 DEC 公司的实验结果:





二、什么是RS-485接口?它比RS-232-C接口相比有何特点?
答: 由于RS-232-C接口标准出现较早,难免有不足之处,主要有以下四点:
1、接口的信号电平值较高,易损坏接口电路的芯片,又因为与TTL 电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。
2、传输速率较低,在异步传输时,波特率为20Kbps。
3、接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式, 这种共地传输容易产生共模干扰,所以抗噪声干扰性弱。
4、传输距离有限,最大传输距离标准值为50英尺,实际上也只能 用在50米左右。

针对RS-232-C的不足,于是就不断出现了一些新的接口标准,RS-485就是其中之一,它具有以下特点:
1、RS-485的电气特性:逻辑“1”以两线间的电压差为+(2—6) V表示;逻辑“0”以两线间的电压差为-(2—6)V表示。接口信号电平比RS-232-C降低了,就不易损坏接口电路的芯片, 且该电平与TTL电平兼容,可方便与TTL 电路连接。
2、RS-485的数据最高传输速率为10Mbps
3、RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合,抗共模干能力增强,即抗噪声干扰性好。
4、RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺,实际上可达 3000米,另外RS-232-C接口在总线上只允许连接1个收发器, 即单站能力。而RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。即具有多站能力,这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。
因RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性,长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。 因为RS485接口组成的半双工网络,一般只需二根连线,所以RS485接口均采用屏蔽双绞线传输。 RS485接口连接器采用DB-9的9芯插头座,与智能终端RS485接口采用DB-9(孔),与键盘连接的键盘接口RS485采用DB-9(针)。

三、采用RS485接口时,传输电缆的长度如何考虑?

答: 在使用RS485接口时,对于特定的传输线经,从发生器到负载其数据信号传输所允许的最大电缆长度是数据信号速率的函数,这个 长度数据主要是受信号失真及噪声等影响所限制。下图所示的最大电缆长度与信号速率的关系曲线是使用24AWG铜芯双绞电话电缆(线 径为0。51mm),线间旁路电容为52。5PF/M,终端负载电阻为100欧 时所得出。(曲线引自GB11014-89附录A)。由图中可知,当数据信 号速率降低到90Kbit/S以下时,假定最大允许的信号损失为6dBV时, 则电缆长度被限制在1200M。实际上,图中的曲线是很保守的,在实 用时是完全可以取得比它大的电缆长度。 当使用不同线径的电缆。则取得的最大电缆长度是不相同的。例 如:当数据信号速率为600Kbit/S时,采用24AWG电缆,由图可知最 大电缆长度是200m,若采用19AWG电缆(线径为0。91mm)则电缆长 度将可以大于200m; 若采用28AWG 电缆(线径为0。32mm)则电缆 长度只能小于200m。

串口控制

通常我们对于视频服务器、录像机、切换台等直接播出、切换控制主要使用串口进行,主要使用到RS-232、RS-422与RS-485三种接口控制。下面就串口的接口标准以及使用和外部插件和电缆进行探讨。

RS-232、RS-422与RS-485标准只对接口的电气特性做出规定,而不涉及接插件、电缆或协议,在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。例如:视频服务器都带有多个RS422串行通讯接口,每个接口均可通过RS422通讯线由外部计算机控制实现记录与播放。 视频服务器除提供各种控制硬件接口外,还提供协议接口,如RS422接口除支持RS422的Profile协议外,还支持 Louth、Odetics 、BVW等通过RS422控制的协议。   

RS-232、RS-422与RS-485都是串行数据接口标准,都是由电子工业协会(EIA)制订并发布的,RS-232在1962年发布。RS-422由RS-232发展而来,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4000英尺(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。

1. S-232串行接口标准

目前RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。RS-232被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。RS-232采取不平衡传输方式,即所谓单端通讯。收、发端的数据信号是相对于信号地。典型的RS-232信号在正负电平之间摆动,在发送数据时,发送端驱动器输出正电平在+5~+15V,负电平在-5~-15V电平。当无数据传输时,线上为TTL,从开始传送数据到结束,线上电平从TTL电平到RS-232电平再返回TTL电平。接收器典型的工作电平在+3~+12V与-3~-12V。由于发送电平与接收电平的差仅为2V至3V左右,所以其共模抑制能力差,再加上双绞线上的分布电容,其传送距离最大为约15米,最高速率为20Kbps。RS-232是为点对点(即只用一对收、发设备)通讯而设计的,其驱动器负载为3kΩ~7kΩ。所以RS-232适合本地设备之间的通信。

2. RS-422与RS-485串行接口标准

(1)平衡传输

RS-422、RS-485与RS-232不一样,数据信号采用差分传输方式,也称作平衡传输,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+2~+6V,是一个逻辑状态,负电平在-2V~6V,是另一个逻辑状态。另有一个信号地C,在RS-485中还有一“使能”端,而在RS-422中这是可用可不用的!笆鼓堋倍耸怯糜诳刂品⑺颓饔氪湎叩那卸嫌肓。当“使能”端起作用时,发送驱动器处于高阻状态,称作“第三态”,即它是有别于逻辑“1”与“0”的第三态。

(2)RS-422电气规定

由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器比RS232更强的驱动能力,故允许在相同传输线上连接多个接收节点,最多可接10个节点。即一个主设备(Master),其余为从设备(Salve),从设备之间不能通信,所以RS-422支持点对多的双向通信。RS-422四线接口由于采用单独的发送和接收通道,因此不必控制数据方向,各装置之间任何必须的信号交换均可以按软件方式(XON/XOFF握手)或硬件方式(一对单独的双绞线)实现。RS-422的最大传输距离为4000英尺(约1219米),最大传输速率为10Mbps。其平衡双绞线的长度与传输速率成反比,在100Kbps速率以下,才可能达到最大传输距离。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为1Mbps。RS-422需要一终接电阻,要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。在矩距离传输时可不需终接电阻,即一般在300米以下不需终接电阻。终接电阻接在传输电缆的最远端。

(3)RS-485电气规定

由于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终接电阻等。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。RS-485总线,在要求通信距离为几十米到上千米时,广泛采用RS-485 串行总线标准。RS-485采用平衡发送和差分接收,因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度,能检测低至200mV的电压,故传输信号能在千米以外得到恢复。 RS-485采用半双工工作方式,任何时候只能有一点处于发送状态,因此,发送电路须由使能信号加以控制。RS-485用于多点互连时非常方便,可以省掉许多信号线。应用RS-485 可以联网构成分布式系统,其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。 RS-485与RS-422的不同还在于其共模输出电压是不同的,RS-485是-7V至+12V之间,而RS-422在-7V至+7V之间;RS-485满足所有RS-422的规范,所以RS-485的驱动器可以用在RS-422网络中应用。RS-485与RS-422一样,其最大传输距离约为1219米,最大传输速率为10Mbps。平衡双绞线的长度与传输速率成反比,在100Kbps速率以下,才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长双绞线最大传输速率仅为1Mbps。
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