串口通信的定义.docx
《串口通信的定义.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《串口通信的定义.docx（16页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
串口通信的定义
一、串口通信的定义2
1．1通信系统数据传送的工作方式2
1．2串行通信数据的收发方式2
1．3信号的调制与解调3
1．4信息的检错与纠错4
1．5传输速率4
二、RS-232C、RS-422与RS-485的由来4
2．1RS232C串行通信接口5
2.2RS422串行通信接口7
2.3RS-485电气规定8
三、RS-422与RS-485的网络安装注意要点9
四、RS-422与RS-485传输线上匹配的一些说明9
五、RS-422与RS-485的接地问题10
5.1共模干扰问题10
5.2（EMI）问题10
六、RS-422与RS-485的网络失效保护11
七、RS-422与RS-485的瞬态保护12
7.1．隔离保护方法12
7.2．旁路保护方法13
八、接线说明与串口调试注意问题13
8.1.DB9和DB25的常用信号脚说明13
8.2.RS232C串口通信接线方法（三线制）13
8.3.串口调试中要注意的几点14
九、问题14
一、串口通信的定义
串口通信是以二进制的位（bit）为单位的数据传输方式。
除了公共线外，数据传输在一个传输方向上只用一根传输线。
这根线即作为数据线又为通信联络控制线。
数据和联络信号在这根线上按位进行传输。
串行通信在传送数据时，数据的各个不同位分时使用同一根传输线，从低位开始一位接一位地传送，数据有多少位就需要传送多少次，只要几条传输线就可以在两设备间交换信息。
串行通信传送速度慢，但需要的信号线少，最少需要两根线，可以大大节省成本，所以特别适合于远距离传输。
串行通信多用于计算机与计算机之间，计算机与PLC之间，多台PLC之间的数据传送。
1．1通信系统数据传送的工作方式
数据通信按信息在设备间传送方式的方向和时间，可分为单工、半双工和全双工三种方式。
单工通信：
传输线只有一回（2根），数据只能按固定的单方向传递。
半双工通信：
传输线只有一回，允许两个方向传送数据，但不能同时传输，只能交替进行。
在任一时刻，数据只能按一个方向传送，为了控制线路换向，必须对两端设备进行控制，以确定数据流向。
这可用增加接口的附加控制线来实现，也可以用软件约定来实现，因此双向传送时速率较低。
全双工通信：
有两回（4根）传输线，允许两台设备同时接受和发送数据，数据传送快。
显然，这两个方向的资源必须完全独立。
1．2串行通信数据的收发方式
串行通信按信息的传输格式，可分为同步传送和异步传送两种方式。
同步传送：
传送数据时不需要增加冗余的标志位，有利于提高传送速度，但要求有统一的时钟信号来实现发送端和接收端之间的严格同步，而且对同步时钟信号的相位一致性要求非常严格。
因此，这种方式硬件设备复杂，限制了不同速度的设备之间的信息传递。
异步传送：
允许传输线上的各个部件有各自的时钟，在各部件之间进行通信时没有统一的时间标准，相邻两个字符之间的停顿时间长短可以不一样，他是靠发送信息时同时发出字符的起始和结束标志来实现的。
异步传送时，以字符为单位一个个地接收和发送数据，字符开始和结束标志分别用冗余的起始位和停止位实现。
通信的设备之间必须有两项约定：
相同的传送字符数据格式和一致的传送速率。
每个字符的组成格式为：
第一位起始标志位，他的宽度为1bit，低电平；紧跟着是字符数据位（数据有效位可以是5~8位），以高电平为“1”，低电平为“0”；随后是奇偶校验位（根据需要可选），最后是一位或多位的停止位。
串行传送的数据加上起始位和停止位就构成了串行字符传送格式。
在进行异步传送时，字符间隔长短不定，在停止后可以加一位或几位空闲位，空闲位用高电平表示，用以等待下一个字符的传送。
因此，接收和发送可以随时地或间断地进行，而不受时间限制
在PLC与其他设备之间进行串行通信时，大多采用异步串行通信方式。
1．3信号的调制与解调
对于远距离的信号传输，如果采用数字方波信号形式，容易发生信号畸变，误码率高。
一般采用调制器把要发送的数字信号转换成正弦波模拟信号，送到通信线路上，接受方同时采用解调器把收到的模拟信号还原成数字信号，从而有效的消除数据通信中的信号失真，并可方便的利用各种传输媒体，如公用电话交换网、无线电波、微波等进行数据通信。
大多数情况下，通信是双向的，调制器和解调器合在一个装置中，该装置成为调制解调器（MODEM）。
串行通信使用调制解调器如下所示:
MODEM把从RS232C接口输入的发送方发送的数字方波信号调制成适合各种传媒传输的调制波，送至模拟发送端；它也把从模拟接收端输入的调制波解调还原成数字方波信号至RS232C接口，并输出给通信接收方。
1．4信息的检错与纠错
在数据传输过程中，由于干扰而引起误码是难免的，这将直接影响通信系统的可靠性，所以通信中的误码控制能力就成为衡量一个通信系统质量的重要指标。
在数据传输过程中，发现错误的过程叫检错，发现错误之后，消除错误的过程叫纠错。
在基本的通信控制过程中，一般采用奇偶校验或方阵码检错，以反馈重发方式纠错。
在高级通信控制过程中，一般采用循环冗余码（CRC）检错，以自动纠错方式纠错。
1．5传输速率
传输速率是指单位时间内传输的信息量，他是衡量数据传输的主要指标，它要求发送设备和接收设备都必须以相同的数据传输速率工作，在数据传输中常用的有码元速率和比特速率。
码元速率也称调制速率，是脉冲信号经过调制后的传输速率，即信号在调制过程中，单位时间内调制信号波形变化次数，也就是单位时间内所能调制的次数，单位是波特（Baud），通常用于表示调制解调器之间的传输信号的速率。
比特速率即指每秒传送多少比特位，单位是比特/秒（bit/s）.
当传输的信号是二元制码时，码元速率和比特速率在数值上是相同的。
二、RS-232C、RS-422与RS-485的由来
RS-232、RS-422与RS-485都是串行数据接口标准,最初都是由电子工业协会（EIA）制订并发布的,RS-232在1962年发布,命名为EIA-232-E,作为工业标准,以保证不同厂家产品之间的兼容。
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10Mb/s,传输距离延长到4000英尺（速率低于100kb/s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。
由于EIA提出的建议标准都是以“RS”作为前缀,所以在通讯工业领域,仍然习惯将上述标准以RS作前缀称谓。
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。
因此在视频界的应用,许多厂家都建立了一套高层通信协议,或公开或厂家独家使用。
如录像机厂家中的Sony与松下对录像机的RS-422控制协议是有差异的,视频服务器上的控制协议则更多了,如Louth、Odetis协议是公开的,而ProLINK则是基于Profile上的。
2．1RS232C串行通信接口
RS-232C标准（协议）是美国EIA（电子工业协会）于1969年公布的通信协议。
RS是“推荐标准（RecommendStandard）”一词的缩写，“232”是标志号，C表示此标准修改的次数。
它适合于数据传输速率在0～20000bit/s范围内的串行通信。
他是为远程通信中数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）的连接而制定的。
这个标准对串行通信接口的机械特性，信号功能，电气特性和过程特性都作了明确的规定。
（1）接口的机械特性RS-232C的标准接插件是9针或25针的D形连接器。
凸形连接器安装在数据终端设备（DTE）上，凹形连接器安装在数据通信设备（DCE）上。
（2）接口的信号功能RS-232C标准规定了数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）之间的接口信号功能。
信号的方向是从数据终端设备（DTE）的角度来定义的。
25针RS-232C接口有25信号线，其中有2根地线、4根数据线、11根控制线、3根定时线、5根备用或未定义。
而常用的只有9根。
下面是25针RS-232C标准接口常用的引脚号、名称及功能。
引脚号
信号名称
缩写名称
功能
1
保护地线
PG
设备地线
2
发送数据
TXD
由DTE输出数据到DCE
3
接收数据
RXD
由DCE输入数据到DTE
4
请求发送
RTS
至DCE,DTE请求切换到发送数据
5
允许发送
CTS
DCE已切换到准备接受
6
数传装置准备好
DSR
由DCE来，指示DCE已可以使用
7
信号地线
SG
信号地线
8
载波检测
DCD
由DCE来，指示DCE正接收通信链路的信号
20
数据终端准备好
DTR
至DCE,指示DTE已可以使用
22
振铃指示
RI
由DCE来，指示通信线路测出响铃
1）.设备状态信号线
数据装置准备好（DSR）：
高电平有效。
有效时，表明数据通信设备（DCE）处于可以使用的状态。
数据终端准备好（DTR）：
高电平有效。
有效时，表明数据终端设备（DTE）处于可以使用的状态。
2）。
发送控制信号线
请求发送（RTS）：
当数据终端设备（DTE）要发送数据时，使该信号有效（高电平），向数据通信设备（DCE）发出发送请求。
它用来控制数据通信设备（DCE）是否进入发送状态。
允许发送（CTS）：
是对请求发送信号（RTS）的响应信号。
当数据通信设备（DCE）已准备好接收数据终端设备（DTE）传来的数据并可发送时，使该信号有效（高电平），通知数据终端设备（DTE）开始发送数据。
3）接收控制线
载波检测（DCD）：
当数据通信设备（DCE）正在接收由通信链路的另一端的数据通信设备（DCE）发送来的载波信号时，使DCD有效（高电平），通知数据终端设备（DTE）准备接收，并且数据通信设备（DCE）将接收下来的载波信号解调成数字信号后，沿接收数据线（RXD）送到数据终端设备（DTE）.
振铃指示（RI）：
当数据通信设备（DCE）收到交换台送来的振铃呼叫信号时，使该信号有效（高电平），通知数据终端设备（DTE）已被呼叫。
4）数据发送和接收线
发送数据（TXD）：
通过TXD，数据终端设备（DTE）将串行数据发送到数据通信设备（DCE）.
接收数据（RXD）：
通过RXD，数据终端设备（DTE）接收从数据通信设备（DCE）发来的串行数据。
5）地线
数字地线（SG）：
无方向的信号地线。
（3）接口的电气特性和过程特性RS-232C标准对接口的电气特性作了规定。
信号状态的表示如下所示。
由于RS-232C使用负逻辑，因而ON状态对应逻辑0，OFF状态对应逻辑1，电压VI是对信号地而言；驱动器输出电压在-15～-3V时，表示逻辑1或MARK状态；电压在3~15V时，表示逻辑0或SPACE状态。
该接口规定信号线与信号地之间分布电容不超过2500PF，驱动电路必须经受电缆中任何导线的短路而不损坏他本身或其他相关设备，数据通信的速率为0～20000bit/s，数据终端设备（dte）和数据通信设备（DCE）之间的电缆最大长度为15M.
电压状态
-15V+3V二进制逻辑
1
0
信号状态
MARK（传号）
SPACE（空号）
功能
OFF
ON
2.2RS422串行通信接口
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-2～6V,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。
“使能”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.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-2～6V,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。
“使能”端是用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。
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。
接收器也作与发送端相对的规定,收、发端通过平衡双绞线将AA与BB对应相连,当在收端AB之间有大于+200mV的电平时,输出正逻辑电平,小于-200mV时,输出负逻辑电平。
接收器接收平衡线上的电平范围通常在200mV至6V之间。
RS-422标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”,它定义了接口电路的特性。
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。
接收器输入阻抗为4k,故发端最大负载能力是10×4k+100Ω（终接电阻）。
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10Mb/s。
其平衡双绞线的长度与传输速率成反比,在100kb/s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1Mb/s。
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。
RS-422有关电气参数见表1
2.3RS-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。
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。
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接收器最小输入阻抗为12kΩ,RS-422是4kΩ;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10Mb/s。
平衡双绞线的长度与传输速率成反比,在100kb/s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1Mb/s。
RS-485需要2个终接电阻,其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗。
在短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。
终接电阻接在传输总线的两端。
三、RS-422与RS-485的网络安装注意要点
RS-422可支持10个节点,RS-485支持32个节点,因此多节点构成网络。
网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构,不支持环形或星形网络。
在构建网络时,应注意如下几点：
1．采用一条双绞线电缆作总线,将各个节点串接起来,从总线到每个节点的引出线长度应尽量短,以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。
2．应注意总线特性阻抗的连续性,在阻抗不连续点就会发生信号的反射。
下列几种情况易产生这种不连续性：
总线的不同区段采用了不同电缆,或某一段总线上有过多收发器紧靠在一起安装,再者是过长的分支线引出到总线。
总之,应该提供一条单一、连续的信号通道作为总线。
四、RS-422与RS-485传输线上匹配的一些说明
对RS-422与RS-485总线网络一般要使用终接电阻进行匹配。
但在短距离与低速率下可以不用考虑终端匹配。
那么在什么情况下不用考虑匹配呢？
理论上,在每个接收数据信号的中点进行采样时,只要反射信号在开始采样时衰减到足够低就可以不考虑匹配。
但这在实际上难以掌握,美国MAXIM公司有篇文章提到一条经验性的原则可以用来判断在什么样的数据速率和电缆长度时需要进行匹配：
当信号的转换时间（上升或下降时间）超过电信号沿总线单向传输所需时间的3倍以上时就可以不加匹配。
例如具有限斜率特性的RS-485接口MAX483输出信号的上升或下降时间最小为250ns,典型双绞线上的信号传输速率约为0.2m/ns（24AWGPVC电缆）,那么只要数据速率在250kb/s以内、电缆长度不超过16米,采用MAX483作为RS-485接口时就可以不加终端匹配。
一般终端匹配采用终接电阻方法,前文已有提及,RS-422在总线电缆的远端并接电阻,RS-485则应在总线电缆的开始和末端都需并接终接电阻。
终接电阻一般在RS-422网络中取100Ω,在RS-485网络中取120Ω。
相当于电缆特性阻抗的电阻,因为大多数双绞线电缆特性阻抗大约在100～120Ω。
这种匹配方法简单有效,但有一个缺点,匹配电阻要消耗较大功率,对于功耗限制比较严格的系统不太适合。
另外一种比较省电的匹配方式是RC匹配,利用一只电容C隔断直流成分可以节省大部分功率。
但电容C的取值是个难点,需要在功耗和匹配质量间进行折衷。
还有一种采用二极管的匹配方法,这种方案虽未实现真正的“匹配”,但它利用二极管的钳位作用能迅速削弱反射信号,达到改善信号质量的目的。
节能效果显著。
五、RS-422与RS-485的接地问题
电子系统接地是很重要的,但常常被忽视。
接地处理不当往往会导致电子系统不能稳定工作甚至危及系统安全。
RS-422与RS-485传输网络的接地同样也是很重要的,因为接地系统不合理会影响整个网络的稳定性,尤其是在工作环境比较恶劣和传输距离较远的情况下,对于接地的要求更为严格。
否则接口损坏率较高。
很多情况下,连接RS-422、RS-485通信链路时只是简单地用一对双绞线将各个接口的“A”、“B”端连接起来。
而忽略了信号地的连接,这种连接方法在许多场合是能正常工作的,但却埋下了很大的隐患,这有下面二个原因：
5.1共模干扰问题
正如前文已述,RS-422与RS-485接口均采用差分方式传输信号方式,并不需要相对于某个参照点来检测信号,系统只需检测两线之间的电位差就可以了。
但人们往往忽视了收发器有一定的共模电压范围,如RS-422共模电压范围为-7～+7V,而RS-485收发器共模电压范围为-7～+12V,只有满足上述条件,整个网络才能正常工作。
当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠,甚至损坏接口。
5.2（EMI）问题
发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路,如没有一个低阻的返回通道（信号地）,就会以辐射的形式返回原端,整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。
由于上述原因,RS-422、RS-485尽管采用差分平衡传输方式,但对整个RS-422或RS-485网络,必须有一条低阻的信号地。
一条低阻的信号地将两个接口的工作地连接起来,使共模干扰电压VGPD被短路。
这条信号地可以是额外的一条线（非屏蔽双绞线）,或者是屏蔽双绞线的屏蔽层。
这是最通常的接地方法。
值得注意的是,这种做法仅对高阻型共模干扰有效,由于干扰源内阻大,短接后不会形成很大的接地环路电流,对于通信不会有很大影响。
当共模干扰源内阻较低时,会在接地线上形成较大的环路电流,影响正常通信。
笔者认为,可以采取以下三种措施：
（1）如果干扰源内阻不是非常小,可以在接地线上加限流电阻以限制干扰电流。
接地电阻的增加可能会使共模电压升高,但只要控制在适当的范围内就不会影响正常通信。
（2）采用浮地技术,隔断接地环路。
这是较常用也是十分有效的一种方法,当共模干扰内阻很小时上述方法已不能奏效,此时可以考虑将引入干扰的节点（例如处于恶劣的工作环境的现场设备）浮置起来（也就是系统的电路地与机壳或大地隔离）,这样就隔断了接地环路,不会形成很大的环路电流。
（3）采用隔离接口。
有些情况下,出于安全或其它方面的考虑,电路地必须与机壳或大地相连,不能悬浮,这时可以采用隔离接口来隔断接地回路,但是仍然应该有一条地线将隔离侧的公共端与其它接口的工作地相连。
六、RS-422与RS-485的网络失效保护
RS-422与RS-485标准都规定了接收器门限为±200mV。
这样规定能够提供比较高的噪声抑制能力,如前文所述,当接收器A电平比B电平高+200mV以上时,输出为正逻辑,反之,则输出为负逻辑。
但由于第三态的存在,即在主机在发端发完一个信息数据后,将总线置于第三态,即总线空闲时没有任何信号驱动总线,使AB之间的电压在-200～+200mV直至趋于0V,这带来了一个问题：
接收器输出状态不确定。
如果接收机的输出为0V,网络中从机将把其解释为一个新的启动位,并试图读取后续字节,由于永远不会有停止位,产生一个帧错误结果,不再有设备请求总线,网络陷于瘫痪状态。
除上述所述的总线空闲会造成两线电压差低于200mV的情况外,开路或短路时也会出现这种情况。
故应采取一定的措施避免接收器处于不确定状态。
通常是在总线上加偏置,当总线空闲或开路时,利用偏置电阻将总线偏置在一个确定的状态（差分电压≥-200mV）。
将A上拉到地,B下拉到5V,电阻的典型值是1kΩ,具体数值随电缆的电容变化而变化。
上述方法是比较经典的方法,但它仍然不能解决总线短路时的问题,有些厂家将接收门限移到-200mV/-50mV,可解决这个问题。
例如Maxim公司的MAX3080系列RS-485接口,不仅省去了外部偏置电阻,而且解决了总线短路情况下的失效保护问题。
七、RS-422与RS-485的瞬态保护
前文提到的信号接地措施,只对低频率的共模干扰有保护作用,对于频率很高的瞬态干扰就无能为力了。
由于传输线对高频信号而言就是相当于电感,因此对于高频瞬态干扰,接地线实际等同于开路。
这样的瞬态干扰虽然持续时间短暂,但可能会有成百上千伏的电压。
实际应用环境下还是存在高频瞬态干扰的可能。
一般在切换大功率感性负载如电机、变压器、继电器等或闪电过程中都会产生幅度很高的瞬态干扰,如果不加以适当防护就会损坏RS-422或RS-485通信接口。
对于这种瞬态干扰可以采用隔离或旁路的方法加以防护。
7.1．隔离保护方法
这种方案实际上将瞬态高压转移到隔离接口中的电隔离层上,由于隔离层的高绝缘电阻,不会产生损害性的浪涌电流,起到保护接口的作用。
通常采用高频变压器、光耦等元件实现接口的电气隔离,已有器件厂商将所有这些
升级会员 