《精编》串行通信接口标准讲义

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1、1 第一章串口基本概念第三节串行通信接口标准 主讲教师 张辉办公地点 北科大机电楼1218A室办公电话 010 62332730联系电话 13671391346Email zhanghui56 2 3 1 3 3RS 485标准 1 3 2RS 422标准 1 3 1RS 232C标准 1 3 5三个标准的区别 1 3 4RS 422与RS 485的安装 4 串口标准发展概况 串口标准发展概况 5 串口标准发展概况 在数据通信 计算机网络以及分布式工业控制系统中 经常采用串行通信来交换数据和信息 串行通信接口标准经过使用和发展 目前已经有几种 如 EIARS 232 CRS 422 AEIAR

2、S 423AEIARS 485 6 串口标准发展概况 RS 232C RS422 RS423 RS449 RS485 7 串口标准发展概况 1969年 RS 232C作为串行通信接口的电气标准定义了 数据终端设备 DataTerminalEquipment DTE 和数据通信设备 DataCommunicationsEquipment DCE 间按位串行传输的接口信息 合理安排了接口的电气信号和机械要求 在世界范围内得到了广泛的应用 优点 8 串口标准发展概况 但它采用单端驱动非差分接收电路 因而存在着传输距离不太远 最大传输距离15m 和传送速率不太高 最大位速率为20kb s 的问题 而远

3、距离串行通信必须使用MODEM 增加了成本 在分布式控制系统和工业局部网络中 传输距离常介于近距离 20m 和远距离 2km 之间的情况 这时RS 232C 25脚连接器 不能采用 用MODEM又不经济 因而需要制定新的串行通信接口标准 缺点 9 串口标准发展概况 1977年 美国电子工业协会 electronicindustryassociation EIA 制定了RS 449 它除了保留与RS 232C兼容的特点外 还在提高传输速率 增加传输距离及改进电气特性等方面作了很大努力 并增加了10个控制信号 与RS 449同时推出的还有RS 422和RS 423 它们是RS 449的标准子集 1

4、0 串口标准发展概况 为改进RS 232通信距离短 速率低的缺点 RS 422标准规定采用平衡驱动差分接收电路 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 11 串口标准发展概况 RS 423标准规定采用单端驱动差分接收电路 其电气性能与RS 232C几乎相同 两者均是全双工的 并设计成可连接RS 232C和RS 422 它一端可与RS 422连接 另一端则可与RS 232C连接 提供了一种从旧技术到新技术过渡的手

5、段 同时又提高位速率 最大为300kb s 和传输距离 最大为600m 12 串口标准发展概况 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 因RS 485为半双工的 当用于多站互连时可节省信号线 便于高速 远距离传送 许多智能仪器设备均配有RS 485总线接口 将它们联网也十分方便 13 串口标准发展概况 串行通信由于接线少 成本低 在数据采集和控制系统中得到了广泛的应用 产品也越来越丰富多样 14 1 3 1R

6、S 232C标准 1 3 1RS 232C标准 15 1 3 1RS 232C标准 RS 232C标准的全称是EIA RS 232C标准 其中EIA代表美国电子工业协会 RS recommendedstandard 代表推荐标准 232是标识号 C代表RS232的最新一次修改 1969 说明在此之前有RS 232A和RS 232B两个标准 16 1 3 1RS 232C标准 RS 232C标准的全名是 数据终端设备和数据通信设备之间串行二进制数据交换接口技术标准 它是目前最常用的一种串行通信接口 1969年正式公布实施 在1970年由美国电子工业协会联合贝尔系统 调制解调器厂家及计算机终端生产

7、厂家共同制定 该标准规定了串行通信接口的连接电缆 机械特性 电气特性 信号功能及传送过程 17 1 3 1RS 232C标准 最初 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定义 还对各种信号的电平加以规定 适合于数据传输速率在0 20000b s范围内的通信 之后 IBM的PC机将RS 232简化成了DB 9连接器 从而成为事实标准 而工业控制的RS 232一般只使用RxD TxD和GND三条线 25针 9针 3针 18 1 3 1RS 232C标准 RS 232C标准最初是为远程通信连接数据终端设备与数据通信设备而制定的 因此这个标准的制定 并未考虑计算机

8、系统的应用要求 但目前它又广泛地被借来用于计算机 更准确的说 是计算机接口 与终端或外设之间的近端连接标准 显然 这个标准的有些规定和计算机系统是不一致的 甚至是相矛盾的 因此 有时RS 232C标准会出现计算机不兼容的问题 RS 232C标准中所提到的 发送 和 接收 都是站在DTE立场上 而不是站在DCE的立场来定义的 由于在计算机系统中 往往是CPU和I O设备之间传送信息 两者都是DTE 因此双方都能发送和接收 19 1 3 1RS 232C标准 电气特性 20 1 3 1RS 232C标准 EIA RS 232C对电器特性 逻辑电平和各种信号功能都作了规定 在TxD和RxD上 逻辑1

9、 MARK 3V 15V逻辑0 SPACE 3 15V在RTS CTS DSR DTR和DCD等控制线上 信号有效 接通 ON状态 正电压 3V 15V 信号无效 断开 OFF状态 负电压 3V 15V 21 1 3 1RS 232C标准 以上规定说明了RS 323C标准对逻辑电平的定义 对于数据 信息码 逻辑 1 传号 的电平低于 3V 逻辑 0 空号 的电平高于 3V 对于控制信号 接通状态 ON 即信号有效的电平高于 3V 断开状态 OFF 即信号无效的电平低于 3V 也就是当传输电平的绝对值大于3V时 电路可以有效地检查出来 介于 3 3V之间的电压无意义 低于 15V或高于 15V的

10、电压也认为无意义 因此 实际工作时 应保证电平在 3 15 V之间 22 1 3 1RS 232C标准 EIA RS 232C是用正负电压来表示逻辑状态 与晶体管 晶体管逻辑集成电路 TTL 以高低电平表示逻辑状态的规定正好相反 因此 为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接 必须在EIA RS 232C与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换 实现这种变换的方法可用分立元件 也可用集成电路芯片 23 1 3 1RS 232C标准 图1 13MC1488和MC1489芯片的内部结构和引脚示意图 24 1 3 1RS 232C标准 EIA RS 232C是用正负电压来表示逻辑状态 与晶体管 晶

11、体管逻辑集成电路 TTL 以高低电平表示逻辑状态的规定正好相反 因此 为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接 必须在EIA RS 232C与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换 实现这种变换的方法可用分立元件 也可用集成电路芯片 连接器 25 1 3 1RS 232C标准 连接器的机械特性 26 1 3 1RS 232C标准 由于RS 232C并未定义连接器的物理特性 因此 出现了DB 25 DB 15和DB 9各种类型的连接器 其引脚的定义也各不相同 27 1 3 1RS 232C标准 DB 25 PC和XT机采用DB 25型连接器 DB 25连接器定义了25根信号线 分为4组 异步通

12、信的9个电压信号 含信号地SG 2 3 4 5 6 7 8 20 22 20mA电流环信号9个 12 13 14 15 16 17 19 23 24 空6个 9 10 11 18 21 25 保护地 PE 1个 作为设备接地端 1 28 1 3 1RS 232C标准 DB 25型连接器的外形及信号线分配如上图所示 注意 20mA电流环信号仅IBMPC和IBMPC XT机提供 至AT机及以后 已不支持 29 1 3 1RS 232C标准 在AT机及以后 不支持20mA电流环接口 使用DB 9连接器 作为提供多功能I O卡或主板上COM1和COM2两个串行接口的连接器 它只提供异步通信的9个信号

13、DB 9型连接器的引脚分配与DB 25型引脚信号完全不同 因此 若与配接DB 25型连接器的DCE设备连接 必须使用专门的电缆线 30 1 3 1RS 232C标准 通常 一些设备与PC机的RS 232口相连时 由于不使用控制信号 因此 只需三条接口线 即发送数据TxD 接收数据TxD和信号地GND RS 232传输线采用屏蔽双绞线 31 1 3 1RS 232C标准 RS 232C标准规定 若不使用MODEM 在码元畸变小于4 的情况下 DTE和DCE之间最大传输距离为15m 50英尺 可见这个最大的距离是在码元畸变小于4 的前提下给出的 为了保证码元畸变小于4 的要求 接口标准在电气特性中

14、规定 驱动器的负载电容应小于2500pF 此时的通信速率低于20kb s 其实 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 因此 实际传输的最大距离会远超过15m 最大直接传输距离 32 1 3 1RS 232C标准 美国DEC公司曾规定允许码元畸变为10 采用两种电缆测得信号的最大传输距离 实验结果如表1 4所示 其中1 电缆为屏蔽电缆 内有三对双绞线 每对由22 AWG组成 外层覆以屏蔽网 2 电缆为不带屏蔽的电缆 内有22 AWG的四芯电缆 表1 4不同波特率下信号的最大传输距离 33 1 3 1RS 232C标准 多年来 RS 232器

15、件以及通信技术经过改进 RS 232通信距离已经大大增加 采用RS 232增强器后可以将普通的RS 232口的通信距离直接延长到1000m 34 1 3 1RS 232C标准 RS 232C的接口信号 35 1 3 1RS 232C标准 RS 232C标准接口有25条线 4条数据线 11条控制线 3条定时线 7条备用和未定义线 常用的只有9根 36 1 3 1RS 232C标准 数据装置准备好 datasetready DSR 有效时 ON 状态 表明MODEM处于可以使用的状态 数据终端准备好 datasetready DTR 有效时 ON 状态 表明数据终端可以使用 这两个信号有时连到电源

16、上 一上电就立即有效 这两个设备状态信号有效 只表示设备本身可用 并不说明通信链路可以开始进行通信了 能否开始进行通信要由下面的控制信号决定 1 联络控制信号线 37 1 3 1RS 232C标准 请求发送 requesttosend RTS 用来表示DTE请求DCE发送数据 即当终端要发送数据时 使该信号有效 ON状态 向MODEM请求发送 它用来控制MODEM是否要进入发送状态 允许发送 cleartosend CTS 用来表示DCE准备好接收DTE发来的数据 是对请求发送信号RTS的响应信号 当MODEM已准备好接收终端传来的数据 并向前发送时 使该信号有效 通知终端开始沿发送数据线TxD发送数据 RTS CTS请求应答联络信号用于半双工MODEM系统中发送方式和接收方式之间的切换 在全双工系统中 因配置双向通道 故不需要RTS CTS联络信号 使其变高 1 联络控制信号线 38 1 3 1RS 232C标准 接收线信号检出 receivedlinedetection RLSD 用来表示DCE已接通通信链路 告知DTE准备接收数据 当本地的MODEM收到由通信链路另一端 远地 的