计算机接口与通信 串行通讯PPT课件

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1、 串行通信接口（Serial Communication Interface）按国际标准化组织提供的电气标准及协议划分为RS-232、RS-485、USB、IEEE 1394等。 RS-232和RS-485标准只对接口的电气特性做出规定，不涉及接插件、电缆或协议。 USB和IEEE 1394是近几年发展起来的新型接口标准，主要应用于高速数据传输领域。 第1页/共61页第2页/共61页 4.1 串行通讯基础第3页/共61页第4页/共61页基本通讯方式 一、异步通讯(Asynchronous Communication) 异步串行通讯规定了字符数据的传送格式，每个字符数据按照相同格式传送，这个格式

2、称为帧，每一帧信息由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位组成，如图4-1所示。第5页/共61页字符传送的开始 ，接收方开始准备接收数据信号。58位数据位用于有限差错检测 ，可选。数据传送结束的标志 字符发送间隙 字符发送间隙（空闲状态 ）第6页/共61页第7页/共61页 异步通讯，发送和接受双方必须使用相同的字符数据帧格式，否则会造成数据错误，进而导致通讯失败。 异步通讯通常用于信息传送量不太大、传输速度不太高的场合，如每秒50115200位。 二、同步通讯(Synchronous Communication)第8页/共61页 在异步通讯中，每个字符数据的帧格式要求使用起始位和停止位作为字符开始

3、和结束的标志，占用了一定的传输时间。 去除这些标志后可以达到提高通讯速度的目的，这种通讯方式即为同步传送。 同步通讯通过同步字符在每个数据块传送开始时令发送和接收双方同步，其通讯格式如图4-2所示：第9页/共61页图4-2 同步通讯的数据传送格式同步通讯的特点是：以同步字符作为传送的开始，使发送和接收双方取得同步。每个字符数据位占用的时间相等。 在同步通讯方式中，字符数据之间不允许有空隙存在，当线路空闲或没有字符发送时发送同步字符。 同步字符可以由用户选择一个或二个特殊的8位二进制码作为同步字符。习惯上选用通讯过程中没有出现的字符数据。 同步通讯双方也必须使用相同的同步字符。 在信息量大、要求

4、传输速度比较高的情况下，用同步通讯，速度可以达到每秒800,000位或更高。第10页/共61页波特率 波特率(Baud Rate) 串行通讯中传送的字符数据流，是逐个字符逐个位传送的，每一个数据位在通讯线路上保持时间（位信号持续时间）由数据传送速度确定。 波特率用于描述串行通讯数据传送速率，规定为：单位时间内传送的信息量，以每秒传送的位数表示，单位为波特，即： 1波特=1位/秒 通常用bps表示 传送1位的时间：Td=1/波特率。第11页/共61页第12页/共61页接收和发送时钟 接收和发送双方通过时钟信号对传送的数据进行定位及采样。 接收和发送时钟能够用来控制通讯设备接收和发送字符数据速度。

5、 该时钟信号通常由外部时钟电路产生。第13页/共61页图4-3 发送时钟和接收时钟第14页/共61页第15页/共61页 接收器在每一个接收时钟的上升沿接收数据线，当发现接收数据线上出现低电平时认为是起始位，此后，如果在连续的8个时钟周期内检测到接收数据线上仍保持为低电平，确定为起始位。 采用这种方法，能够排除接收线上的噪声干扰并识别假起始位，较精确地确定起始位的中间点，从而提供一个准确的时间基准。第16页/共61页串行通讯工作方式 可将数据传输线路分成三种： 第17页/共61页 在单工方式下，通讯线路为单向连接，字符数据只能够按照固定方向传送。反方向传送是不允许的。 半双工方式中通讯线路只有一

6、条，发送器和接收器通过收发开关连接到通讯线路上。开关切换一般需大约几毫秒时间。数据能双向传送，但不能在二个方向上同时传送。 接收和发送方式之间的切换延迟在对时间较敏感的交互式应用中是不允许的。其主要原因是，切换所引起的延迟积累，会导致通信协议效率不高。 解决上述问题的方法是，采用全双工连接中，使用两条通讯线路保证通讯双方同时发送和接收。这样，在全双工通讯系统中，每个通讯设备都包含发送器和接收器，数据能够在两条通讯线路上实现同时双向传送。第18页/共61页数字信号的调制与解调第19页/共61页第20页/共61页第21页/共61页差错检测和校正 由于传输线路上的反射、噪声、衰减和串扰等影响，将引起

7、信号的畸变。 所以，要求通讯过程中引入差错检查并加以校正功能。 差错检查的基本方法有三种：奇偶校验、校验和、循环冗余码校验。差错校正的方法主要采用海明码校验。第22页/共61页 奇偶校验 实现过程是：发送时，在每个字符的最高位之后附加一个奇偶校验位。 奇偶校验位可是“1”或“0”，保证整个字符（包括校验位在内）为“1”的位数为偶数(偶校验)或为奇数(奇校验)。 接收时，根据发送方指定的校验方法，对接收到的每个字符进行校验，如果校验的结果不正确，说明出现了差错。第23页/共61页 奇偶校验每个字符校验一次。 只能提供最低级的错误检测，即只能检测到影响了奇数个位的错误，例如：某个字符在传输过程中，

8、如果有两个数据位发生了翻转，即由“1”变成“0”或者由“0”变成“1”，那么这种方法是不能检测出来的。 一般，奇偶校验只用在异步通讯中。第24页/共61页校验和 是针对数据块传送设计的。在数据块发送之前，发送方对数据块中所有字符求和（逻辑和），产生一单字节校验字符(校验和)附加到数据块结尾，接收方接收到数据块之后，按照同样过程对数据块求和，所得的结果与接收到的校验和字符比较，如果两者相同，表示接收正确，否则有错。 图4-9 校验和第25页/共61页4.2 串行通讯总线标准及其接口 串行通讯接口 异步串行通讯接口有三类： RS-232C(RS-232A，RS-232B) RS-449，RS-42

9、2，RS-423 RS-485 由美国电子工业协会（EIA）公布的接口标准。第26页/共61页 RS-232C接口标准，包括了物理接口功能标准和电气接口标准。 RS-449只定义了物理接口功能标准。 RS-423A，RS-422A，RS-485则是电气标准，既可以通过RS-232C物理接口标准来实现，也可以通过RS-499物理接口标准来实现。 RS-232C在异步串行通讯中是应用最广的标准总线， 第27页/共61页 为了提高并保证高可靠性的通讯要求，在选择接口标准时，必须注意： 1、通讯速度与距离的关系 通常的标准串行接口标准，其电气特性指具有可靠传输时的最大通讯速度或传送距离指标，但指标间性

10、能不能同时具备。第28页/共61页 2、抗干扰能力 考虑抗干扰能力，以保证信号的可靠传输。 但一般的工业测控系统运行环境往往十分恶劣，因此，在通讯介质选择、接口标准选择时要充分注意其抗干扰能力，并采取必要的抗干扰措施。例如：在长距离传输时，使用RS-422标准，能有效地抑制共模信号干扰。 在高噪声污染环境中，使用带有金属屏蔽层、光纤介质减少电磁噪声的干扰，光电隔离提高通讯系统的安全性等。 第29页/共61页接口 RS-232是微型计算机与通信工业中应用最广泛的一种串行通讯接口标准。 RS-232采取不平衡传输方式，即单端通信方式。因此是一种在低速率、近距离环境使用的串行通信。 RS-232C串

11、行接口总线适用于：设备之间的通讯距离不大于15m，传输速率最大为20Kb/s。第30页/共61页第31页/共61页第32页/共61页接口信号 完整的RS-232C接口有22根线，采用标准的25芯插头座。 第33页/共61页第34页/共61页电气特性 第35页/共61页第36页/共61页通讯系统的连接 第37页/共61页第38页/共61页第39页/共61页接口的实现及电平转换 RS-232C规定的电气标准，并不能满足TTL电平传送要求，因此，当RS-232C电平与TTL电平接口时，必须进行电平转换。 第40页/共61页第41页/共61页第42页/共61页 目前使用最多的电平转换芯片第43页/共6

12、1页远距离串行通讯接口标准 解决RS-232C标准缺点：数据传输速率慢；通讯距离短；未规定标准的连接器；接口处各信号间易产生串扰等问题。 接口标准 RS-449与RS-232C之间主要差别是信号在传输线路上的传输方法不同。RS-232C是利用传输信号线与公共地之间的电压差传输，而RS-449接口是利用信号导线之间的信号电压差传输，可在约1,220m长的24#AWG双绞线上进行数字通讯，速率可达90,000波特率。第44页/共61页 RS-449规定了两种标准接口连接器，一种为37脚，一种为9脚。两种连接器的管脚排列顺序见表4-3和表4-4。 与RS-232C相比，在不使用调制解调器的情况下，R

13、S-449传输速率更高，通讯距离更长。 由于RS-449接口采用平衡信号差电路传输高速信号，所以噪声更低。 还能够实现多台通讯设备共享公用线路通讯，即二台以上的设备可与RS-449通讯电缆连接。第45页/共61页接口标准 RS-422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范。 RS-422定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到10Mb/s，并允许在一条平衡总线上最多可连接10个接收器。 RS-422A规范中给出了在RS-449应用中对电缆、驱动器和接收器的电气要求，规定了双端电气接口标准。 RS-422A的最大传输率为10Mb/s，在该速率下通讯电缆长度可达到120m。如果采用较低的数据

14、传输速率，如90,000波特率时，最大距离可达1,200m。 第46页/共61页 平衡传输第47页/共61页 RS-422接口电路由发送器、平衡连接电缆、电缆终端负载、接收器几部分组成。 每个通道要求用二条信号线。 任一时刻电路中只允许有一个发送器发送数据，但可以同时有多个接收器接收数据。 允许驱动器输出的电压范围为26V，接收器能够检测到的输入信号电平最低可达到200mV。 数据信号传输采用差分方式，也称作平衡传输。 用一对双绞信号线，其中一线定义为A，另一线为B。通常情况下，发送驱动器A、B之间的正电平在+2+6V，是逻辑”1”，负电平在-2-6V，是逻辑”0”。另有一个信号地C。第48页

15、/共61页 接收器端的规定与发送端的规定相同，收、发端通过平衡双绞线将AA与BB对应相连，当接收器两端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0.2V6V之间。 RS-422电气特性 典型的RS-422通讯电缆有5根线，其中4根线用于双向数据传输，另一根线是信号地。 第49页/共61页 RS-422的接收器采用高输入阻抗，这样发送驱动器的驱动能力更强，所以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。因此，RS-422支持一

16、对多点的双向通信。 RS-422的四根传输线接口采用单独的发送和接收通道，不必控制数据方向。第50页/共61页RS-422标准接口的实现及电平转换 目前RS-422与TTL的电平转换最常用芯片是传输线驱动器SN75174和传输线接收器SN75175，用+5V电源，如图4-15所示。 第51页/共61页图4-16 RS-422A接口电平转换电路第52页/共61页关于RS-422接口最大传输距离的说明 最大传输距离约1,219m，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100m长

17、的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为1Mb/s。 通常，采用RS-422接口公共线路的另一端要求安装一个终接电阻，其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。在短距离（ 300m）传输时可不用终接电阻。第53页/共61页标准接口 RS-485规范中，增加了多点、双向通信以及抗共模干扰等能力。 RS-485收发器分别采用平衡发送和差分接收，即在发送端驱动器将TTL电平信号转换成差分信号输出，在接收端接收器将差分信号变成TTL电平。因此，具有较强的抑制共模干扰的能力。 同时，提高接收器的灵敏度，能检测低达200mV的电压，所以，数据传输可达千米以外。 RS-485许多电气规定与RS-422相仿。如都采用平衡传

18、输方式、都需要在传输线上连接终接电阻等。第54页/共61页 最简单的RS-485通讯线路电缆由两条信号线路组成，通讯电缆必须接大地参考点。 这样的连接线路能支持32对发送接收器。为了避免地面路电流，每个设备一定要接大地。 通讯电缆应包括第三信号参考线，连接到每个设备的电缆地。若用屏蔽电缆，屏蔽应接到电缆设备的机壳。第55页/共61页第56页/共61页 二线连接方式能实现真正的多点双向通信（即电路中可有多个发送器、接收器）。 采用四线连接方式时，与RS-422一样只能实现一对多点的通信，即只能有一个发送器，其余为接收器。但它比RS-422有改进。无论采用哪种连接方式总线上可连接多达32个设备。

19、RS-485共模输出电压在-7+12V之间，RS-422在-7+7V之间；RS-485接收器最小输入阻抗为12K，RS-422是4k； RS-485满足所有RS-422的规范。RS-485的驱动器可以用在任何使用RS-422应用中。反之则不行。第57页/共61页 最大传输速率为10Mb/s。当波特率为1,200bps时，最大传输距离理论上可达15km。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。 RS-485需要2个终接电阻，接在传输总线的两端，其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗。在短距离传输（ 300m）时可不用。第58页/共61页表4-5 RS-232 /422/485接口电路特性比较第59页/共61页第60页/共61页感谢您的观看。第61页/共61页