第3章串行通信接口技術(shù)

第3章串行通信接口技術(shù)第一頁，共24頁。3.1串行通信基礎(chǔ)1.串行異步通信數(shù)據(jù)格式異步串行通信數(shù)據(jù)格式是NRZ數(shù)據(jù)格式，即“標(biāo)準(zhǔn)不歸零傳號(hào)/空號(hào)數(shù)據(jù)格式”。這種格式的空閑狀態(tài)為“1”，發(fā)送器通過發(fā)送一個(gè)“0”表示一個(gè)字節(jié)傳輸?shù)拈_始，隨后是數(shù)據(jù)位，數(shù)據(jù)位可以是5~8個(gè)二進(jìn)制位，5~8位的信息位是從低到高順序排列的，字符的數(shù)據(jù)位的后面是一位可選擇的的奇偶校驗(yàn)位，緊接著，是作為標(biāo)識(shí)的停止位，停止位要求為邏輯“1”，傳輸中可以是1個(gè)停止位、1.5個(gè)停止位或2個(gè)停止位。停止位表示一個(gè)字節(jié)傳送結(jié)束。若繼續(xù)發(fā)送下一字節(jié)，則重新發(fā)送開始位，開始一個(gè)新的字節(jié)傳送。若不發(fā)送新的字節(jié)，則繼續(xù)維持“1”的狀態(tài)，使發(fā)送數(shù)據(jù)線處于空閑。從開始位到結(jié)束位的時(shí)間稱為一幀。每一幀字符是用起始位和停止位同步的。雖然，串行異步通信格式當(dāng)中一些項(xiàng)的設(shè)定是可以選擇的，但是，在同一系統(tǒng)發(fā)送和接收的雙方，設(shè)置的數(shù)據(jù)格式必須絕對(duì)相同。第二頁，共24頁。2.連接握手連接握手過程是指發(fā)送者在發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)之前使用一個(gè)特定的握手信號(hào)來引起接收者的注意，表明要發(fā)送數(shù)據(jù)，接收者則通過握手信號(hào)回應(yīng)發(fā)送者，說明它已經(jīng)做好了接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。3.確認(rèn)接收者為表明數(shù)據(jù)已經(jīng)收到而向發(fā)送者回復(fù)信息的過程稱為確認(rèn)。4.中斷中斷是通知CPU有需要立即響應(yīng)的任務(wù)信號(hào)。5.輪詢通過周期性地獲取特征或信號(hào)來讀取數(shù)據(jù)或發(fā)現(xiàn)是否有事件發(fā)生的工作過程稱為輪詢。6.差錯(cuò)檢驗(yàn)（1）冗余數(shù)據(jù)校驗(yàn)（2）奇偶校驗(yàn)（3）校驗(yàn)和（4）出錯(cuò)的簡(jiǎn)單處理3.1串行通信基礎(chǔ)第三頁，共24頁。1.RS-232C端子RS-232C標(biāo)準(zhǔn)（協(xié)議）的全稱是EIA-RS-232C標(biāo)準(zhǔn),其中EIA(Electronic

Industry

Association)代表美國電子工業(yè)協(xié)會(huì),RS（recommeded

standard）代表推薦標(biāo)準(zhǔn),232是標(biāo)識(shí)號(hào),C代表RS232的最新一次修改（1969）,在這之前,有RS232B、RS232A。。它規(guī)定連接電纜和機(jī)械、電氣特性、信號(hào)功能及傳送過程。

RS-232C的連接頭有25針或9針。（1）信號(hào)含義（2）電氣特性其電性能用±12V標(biāo)準(zhǔn)脈沖，值得注意的是EIA-232-D采用負(fù)邏輯。在發(fā)送數(shù)據(jù)（TxD）和接收數(shù)據(jù)（RxD）等數(shù)據(jù)線上：Mark（傳號(hào)）=－5V~－15V，邏輯“1”電平；Space（空號(hào)）=＋5V~＋15V，邏輯“0”電平。在請(qǐng)求發(fā)送（RTS）、允許發(fā)送（CTS）和DTE準(zhǔn)備就緒（DTR）等控制線上：OFF（斷開，信號(hào)無效）=－5V~－15V，邏輯“1”電平；ON（接通，信號(hào)有效）=＋5V~＋15V，邏輯“0”電平。

3.2RS-232C串行通信接口第四頁，共24頁。2.通信接口的連接3.RS-232C電平轉(zhuǎn)換器根據(jù)RS232-C標(biāo)準(zhǔn)對(duì)邏輯電平的定義，對(duì)于數(shù)據(jù)信息：邏輯“1”的電平低于－5V，邏輯“0”的電平高于＋5V；對(duì)于控制信號(hào)：接通狀態(tài)（ON）即信號(hào)有效的電平高于＋5V、低于＋15V，斷開狀態(tài)（OFF）即信號(hào)無效的電平高于－15V低于－5V。也就是當(dāng)傳輸電平的絕對(duì)值大于5V時(shí)，電路可以有效地檢查出來，介于－5V~＋5V之間的電壓無意義，低于－15V或高于＋15V的電壓也認(rèn)為無意義，因此，實(shí)際工作時(shí)，應(yīng)保證電平在±（5~15）V之間。EIA-232-D的邏輯電平與TTL電平不兼容，為了與TTL器件相連必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。現(xiàn)有成品組件SN75188驅(qū)動(dòng)器和SN75189接收器即是EIA-232-D通用的集成電路轉(zhuǎn)換器件。

3.2RS-232C串行通信接口第五頁，共24頁。1.RS-485接口標(biāo)準(zhǔn)

RS-485接口采用兩線差分平衡傳輸，使用一對(duì)雙絞線，其中一條為A，另一條為B，其信號(hào)定義如下：當(dāng)采用＋5V電源供電時(shí)：若差分電壓信號(hào)為－2500~－200mV時(shí)，為邏輯“0”；若差分電壓信號(hào)為＋2500~＋200mV時(shí)，為邏輯“1”；若差分電壓信號(hào)為－200~＋200mV時(shí)，為高阻狀態(tài)。RS-485的差分平衡電路如圖2-21所示，其一根導(dǎo)線上的電壓是另一根導(dǎo)線上的電壓值取反。接收器的輸入電壓為這兩根導(dǎo)線電壓的差值VA－VB。RS-485實(shí)際上是RS-422的變型。RS-422采用兩對(duì)差分平衡線路，而RS-485只用一對(duì)。差分電路的最大優(yōu)點(diǎn)是抑制噪聲。差分電路的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不受節(jié)點(diǎn)間地電平差異的影響。

3.3RS-485串行通信接口第六頁，共24頁。3.3RS-485串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目EIA-232-DRS-422RS-485最大傳輸距離15m1200m（速率100kbps）1200m（速率100kbps）最大傳輸速率20kbps10Mbps（距離12m）10Mbps（距離12m）驅(qū)動(dòng)器最小輸出（V）±5±2±1.5驅(qū)動(dòng)器最大輸出（V）±15±10±6接收器敏感度（V）±3±0.2±0.2最大驅(qū)動(dòng)器數(shù)量1132單位負(fù)載最大接收器數(shù)量11032單位負(fù)載電氣特征類型非平衡平衡平衡RS232-C、RS-422和RS-485的主要性能指標(biāo)

第七頁，共24頁。3.3RS-485串行通信接口2．RS-485收發(fā)器RS-485收發(fā)器種類較多，如Maxim公司的MAX485，TI公司的SN75LBC184、SN65LBC184、高速型SN65ALS1176等。它們的引腳是完全兼容的。圖2-22給出了一個(gè)收發(fā)器引腳實(shí)例，它是具有瞬變電壓抑制能力的差分收發(fā)器SN75LBC184的引腳圖，引腳定義如下表所示。引腳名稱簡(jiǎn)稱引腳名稱簡(jiǎn)稱1接收端R5地GND2接收使能，低電平有效6差分正輸入端A3發(fā)送使能，高電平有效DE7差分負(fù)輸入端B4發(fā)送端D8+5V電源VCC圖3-8圖3-9第八頁，共24頁。3．應(yīng)用電路RS-485應(yīng)用電路如圖3-9所示。圖中，RS-485收發(fā)器可為SN75LBC184、SN65LBC184、MAX485等。當(dāng)P10為低電平時(shí)，接收數(shù)據(jù)；當(dāng)P10為高電平時(shí)，發(fā)送數(shù)據(jù)。如果采用RS-485構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在雙絞線終端應(yīng)連接120Ω的終端電阻。4．RS-485網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)利用RS-485接口可以使一個(gè)或者多個(gè)信號(hào)發(fā)生器與接收器互聯(lián)，在多臺(tái)計(jì)算機(jī)或帶微處理器的設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信，形成分布式測(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。3.3RS-485串行通信接口第九頁，共24頁。3.3RS-485串行通信接口圖3-10第十頁，共24頁。3.4Modbus通信協(xié)議1Modbus協(xié)議簡(jiǎn)介

Modbus協(xié)議是應(yīng)用于PLC或其它電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其它設(shè)備之間可以通信。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。有了它，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控。此協(xié)議定義了一個(gè)控制器能認(rèn)識(shí)使用的消息結(jié)構(gòu),而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。它描述了一控制器請(qǐng)求訪問其它設(shè)備的過程，如果回應(yīng)來自其它設(shè)備的請(qǐng)求，以及怎樣偵測(cè)錯(cuò)誤并記錄。它制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。當(dāng)在一Modbus網(wǎng)絡(luò)上通信時(shí)，此協(xié)議決定了每個(gè)控制器須要知道它們的設(shè)備地址，識(shí)別按地址發(fā)來的消息，決定要產(chǎn)生何種行動(dòng)。如果需要回應(yīng)，控制器將生成反饋信息并用Modbus協(xié)議發(fā)出。在其它網(wǎng)絡(luò)上，包含了Modbus協(xié)議的消息轉(zhuǎn)換為在此網(wǎng)絡(luò)上使用的幀或包結(jié)構(gòu)。第十一頁，共24頁。3.4Modbus通信協(xié)議（1）在Modbus網(wǎng)絡(luò)上轉(zhuǎn)輸

標(biāo)準(zhǔn)的Modbus口是使用一RS-232C兼容串行接口，它定義了連接口的針腳、電纜、信號(hào)位、傳輸波特率、奇偶校驗(yàn)?？刂破髂苤苯踊蚪?jīng)由Modem組網(wǎng)?？刂破魍ㄐ攀褂弥?從技術(shù)，即僅一設(shè)備（主設(shè)備）能初始化傳輸（查詢）。其它設(shè)備（從設(shè)備）根據(jù)主設(shè)備查詢提供的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)反應(yīng)。典型的主設(shè)備：主機(jī)和可編程儀表。典型的從設(shè)備：可編程控制器。主設(shè)備可單獨(dú)和從設(shè)備通信，也能以廣播方式和所有從設(shè)備通信。如果單獨(dú)通信，從設(shè)備返回一消息作為回應(yīng)，如果是以廣播方式查詢的，則不作任何回應(yīng)。Modbus協(xié)議建立了主設(shè)備查詢的格式：設(shè)備（或廣播）地址、功能代碼、所有要發(fā)送的數(shù)據(jù)、一個(gè)錯(cuò)誤檢測(cè)域。從設(shè)備回應(yīng)消息也由Modbus協(xié)議構(gòu)成，包括確認(rèn)要行動(dòng)的域、任何要返回的數(shù)據(jù)、和一個(gè)錯(cuò)誤檢測(cè)域。如果在消息接收過程中發(fā)生一錯(cuò)誤，或從設(shè)備不能執(zhí)行其命令，從設(shè)備將建立一錯(cuò)誤消息并把它作為回應(yīng)發(fā)送出去。（2）其它類型網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)谑?，?4頁。3.4Modbus通信協(xié)議（3）查詢-響應(yīng)周期

查詢查詢消息中的功能代碼告之被選中的從設(shè)備要執(zhí)行何種功能。數(shù)據(jù)段包含了從設(shè)備要執(zhí)行功能的任何附加信息。例如功能代碼03是要求從設(shè)備讀保持寄存器并返回它們的內(nèi)容。數(shù)據(jù)段必須包含要告之從設(shè)備的信息：從何寄存器開始讀及要讀的寄存器數(shù)量。錯(cuò)誤檢測(cè)域?yàn)閺脑O(shè)備提供了一種驗(yàn)證消息內(nèi)容是否正確的方法?；貞?yīng)如果從設(shè)備產(chǎn)生一正常的回應(yīng)，在回應(yīng)消息中的功能代碼是在查詢消息中的功能代碼的回應(yīng)。數(shù)據(jù)段包括了從設(shè)備收集的數(shù)據(jù)：象寄存器值或狀態(tài)。如果有錯(cuò)誤發(fā)生，功能代碼將被修改以用于指出回應(yīng)消息是錯(cuò)誤的，同時(shí)數(shù)據(jù)段包含了描述此錯(cuò)誤信息的代碼。錯(cuò)誤檢測(cè)域允許主設(shè)備確認(rèn)消息內(nèi)容是否可用。第十三頁，共24頁。3.4Modbus通信協(xié)議2兩種傳輸方式

控制器能設(shè)置為兩種傳輸模式（ASCII或RTU）中的任何一種在標(biāo)準(zhǔn)的Modbus網(wǎng)絡(luò)通信。用戶選擇想要的模式，包括串口通信參數(shù)（波特率、校驗(yàn)方式等），在配置每個(gè)控制器的時(shí)候，在一個(gè)Modbus網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數(shù)。所選的ASCII或RTU方式僅適用于標(biāo)準(zhǔn)的Modbus網(wǎng)絡(luò)，它定義了在這些網(wǎng)絡(luò)上連續(xù)傳輸?shù)南⒍蔚拿恳晃?，以及決定怎樣將信息打包成消息域和如何解碼。第十四頁，共24頁。3.4Modbus通信協(xié)議（1）ASCII模式

當(dāng)控制器設(shè)為在Modbus網(wǎng)絡(luò)上以ASCII（美國標(biāo)準(zhǔn)信息交換代碼）模式通信，在消息中的每個(gè)8Bit字節(jié)都作為兩個(gè)ASCII字符發(fā)送。這種方式的主要優(yōu)點(diǎn)是字符發(fā)送的時(shí)間間隔可達(dá)到1秒而不產(chǎn)生錯(cuò)誤。代碼系統(tǒng)：①十六進(jìn)制，ASCII字符0...9，A...F②消息中的每個(gè)ASCII字符都是一個(gè)十六進(jìn)制字符組成每個(gè)字節(jié)的位：①1個(gè)起始位②7個(gè)數(shù)據(jù)位，最小的有效位先發(fā)送③1個(gè)奇偶校驗(yàn)位，無校驗(yàn)則無④1個(gè)停止位（有校驗(yàn)時(shí)），2個(gè)停止位（無校驗(yàn)時(shí)）錯(cuò)誤檢測(cè)域：①LRC(縱向冗長(zhǎng)檢測(cè))第十五頁，共24頁。3.4Modbus通信協(xié)議（2）RTU模式

當(dāng)控制器設(shè)為在Modbus網(wǎng)絡(luò)上以RTU（遠(yuǎn)程終端單元）模式通信，在消息中的每個(gè)8Bit字節(jié)包含兩個(gè)4Bit的十六進(jìn)制字符。這種方式的主要優(yōu)點(diǎn)是：在同樣的波特率下，可比ASCII方式傳送更多的數(shù)據(jù)。代碼系統(tǒng)：①8位二進(jìn)制，十六進(jìn)制數(shù)0...9，A...F②消息中的每個(gè)8位域都由兩個(gè)十六進(jìn)制字符組成每個(gè)字節(jié)的位：①1個(gè)起始位②8個(gè)數(shù)據(jù)位，最低有效位先發(fā)送③1個(gè)奇偶校驗(yàn)位，無校驗(yàn)則無④1個(gè)停止位（有校驗(yàn)時(shí)），2個(gè)Bit（無校驗(yàn)時(shí)）錯(cuò)誤檢測(cè)域：①CRC(循環(huán)冗長(zhǎng)檢測(cè))第十六頁，共24頁。3.4Modbus通信協(xié)議3Modbus消息幀兩種傳輸模式中（ASCII或RTU），傳輸設(shè)備以將Modbus消息轉(zhuǎn)為有起點(diǎn)和終點(diǎn)的幀，這就允許接收的設(shè)備在消息起始處開始工作，讀地址分配信息，判斷哪一個(gè)設(shè)備被選中（廣播方式則傳給所有設(shè)備），判知何時(shí)信息已完成。部分的消息也能偵測(cè)到并且錯(cuò)誤能設(shè)置為返回結(jié)果。（1）ASCII幀使用ASCII模式，消息以冒號(hào)“：”字符（ASCII碼3AH）開始，以回車換行符（ASCII碼0DH，0AH）結(jié)束。其它域可以使用的字符是十六進(jìn)制的）0~9，A~F。（2）RTU幀使用RTU模式，消息發(fā)送至少要以3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓間隔開始。在網(wǎng)絡(luò)波特率下設(shè)置多個(gè)字符時(shí)間，這是最容易實(shí)現(xiàn)的。傳輸?shù)牡谝粋€(gè)域是設(shè)備地址。可以使用的傳輸字符是十六進(jìn)制的0~9，A~F。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不斷偵測(cè)網(wǎng)絡(luò)總線，包括停頓間隔時(shí)間內(nèi)。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)域（地址域）接收到，每個(gè)設(shè)備都進(jìn)行解碼以判斷是否發(fā)往自己的。在最后一個(gè)傳輸字符之后，一個(gè)至少3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓標(biāo)定了消息的結(jié)束。一個(gè)新的消息可在此停頓后開始。整個(gè)消息幀必須作為一連續(xù)的流轉(zhuǎn)輸。如果在幀完成之前有超過1.5個(gè)字符時(shí)間的停頓時(shí)間，接收設(shè)備將刷新不完整的消息并假定下一字節(jié)是一個(gè)新消息的地址域。同樣地，如果一個(gè)新消息在小于3.5個(gè)字符時(shí)間內(nèi)接著前個(gè)消息開始，接收的設(shè)備將認(rèn)為它是前一消息的延續(xù)。這將導(dǎo)致一個(gè)錯(cuò)誤，因?yàn)樵谧詈蟮腃RC域的值不可能是正確的。第十七頁，共24頁。3.4Modbus通信協(xié)議（3）地址域

消息幀的地址域包含兩個(gè)字符（ASCII）或8Bit（RTU）。允許的從設(shè)備地址是0~247(十進(jìn)制)。單個(gè)設(shè)備的地址范圍是1~247。主設(shè)備通過將要聯(lián)絡(luò)的從設(shè)備的地址放入消息中的地址域來選通從設(shè)備。當(dāng)從設(shè)備發(fā)送回應(yīng)消息時(shí)，它把自己的地址放入回應(yīng)的地址域中，以便主設(shè)備知道是哪一個(gè)設(shè)備作出回應(yīng)。地址0是用作廣播地址，以使所有的從設(shè)備都能認(rèn)識(shí)。當(dāng)Modbus協(xié)議用于更高水準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)，廣播可能不允許或以其它方式代替。（4）功能域消息幀中的功能代碼域包含了兩個(gè)字符（ASCII）或8Bit（RTU）。允許的代碼范圍是十進(jìn)制的1~255。當(dāng)然，有些代碼是適用于所有控制器，有些是適用于某種控制器，還有些保留以備后用。

第十八頁，共24頁。3.4Modbus通信協(xié)議（5）數(shù)據(jù)域數(shù)據(jù)域是由兩個(gè)十六進(jìn)制數(shù)集合構(gòu)成的，范圍00~FF。從主設(shè)備發(fā)給從設(shè)備消息的數(shù)據(jù)域包含附加的信息：從設(shè)備必須用于進(jìn)行執(zhí)行由功能代碼所定義的動(dòng)作。這包括了象不連續(xù)的寄存器地址，要處理項(xiàng)的數(shù)目，域中實(shí)際數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。例如，如果主設(shè)備需要從設(shè)備讀取一組保持寄存器（功能代碼03H），數(shù)據(jù)域指定了起始寄存器以及要讀的寄存器數(shù)量。如果主設(shè)備寫一組從設(shè)備的寄存器（功能代碼10H），數(shù)據(jù)域則指明了要寫的起始寄存器以及要寫的寄存器數(shù)量，數(shù)據(jù)域的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，要寫入寄存器的數(shù)據(jù)。如果沒有錯(cuò)誤發(fā)生，從從設(shè)備返回的數(shù)據(jù)域包含請(qǐng)求的數(shù)據(jù)。如果有錯(cuò)誤發(fā)生，此域包含一異常代碼，主設(shè)備應(yīng)用程序可以用來判斷采取下一步行動(dòng)。在某種消息中數(shù)據(jù)域可以是不存在的（0長(zhǎng)度）。例如，主設(shè)備要求從設(shè)備回應(yīng)通信事件記錄（功能代碼0BH），從設(shè)備不需任何附加的信息。（6）錯(cuò)誤檢測(cè)域當(dāng)選用RTU模式作字符幀，錯(cuò)誤檢測(cè)域包含一16Bits值(用兩個(gè)8位的字符來實(shí)現(xiàn))。錯(cuò)誤檢測(cè)域的內(nèi)容是通過對(duì)消息內(nèi)容進(jìn)行循環(huán)冗長(zhǎng)檢測(cè)方法得出的。CRC域附加在消息的最后，添加時(shí)先是低字節(jié)然后是高字節(jié)。故CRC的高位字節(jié)是發(fā)送消息的最后一個(gè)字節(jié)。第十九頁，共24頁。3.4Modbus通信協(xié)議（7）字符的連續(xù)傳輸

當(dāng)消息在標(biāo)準(zhǔn)的Modbus系列網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)，每個(gè)字符或字節(jié)以如下方式發(fā)送（從左到右）：最低有效位...最高有效位使用RTU字符幀時(shí)，位的序列是：4錯(cuò)誤檢測(cè)方法

標(biāo)準(zhǔn)的Modbus串行網(wǎng)絡(luò)采用兩種錯(cuò)誤檢測(cè)方法。奇偶校驗(yàn)對(duì)每個(gè)字符都可用，幀檢測(cè)（LRC或CRC）應(yīng)用于整個(gè)消息。（1）奇偶校驗(yàn)用戶可以配置控制器是奇或偶校驗(yàn)，或無校驗(yàn)。這將決定了每個(gè)字符中的奇偶校驗(yàn)位是如何設(shè)置的。

起始位1234567奇偶位停止位第二十頁，共24頁。（2）LRC（縱向冗余錯(cuò)誤校驗(yàn)）

LRC錯(cuò)誤校驗(yàn)用于ASCII模式。這個(gè)錯(cuò)誤校驗(yàn)是一個(gè)8位二進(jìn)制數(shù),可作為2個(gè)ASCII十六進(jìn)制字節(jié)傳送。把十六進(jìn)制字符轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制,加上無循環(huán)進(jìn)位的二進(jìn)制字符和二進(jìn)制補(bǔ)碼結(jié)果生成LRC錯(cuò)誤校驗(yàn)。這個(gè)LRC在