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1、,第4章 通用串行端口数据通信,通用串行端口数据通信,EIA-232-D接口标准 EIA-485-D接口标准,EIA-232-D接口标准,美国电子工业协会EIA制订的物理接口标准，也是目前数据通信中应用最广泛的一种标准。 前身是RS-232-C物理接口标准。,机械特性,DB25连接器 DB9连接器,电气特性,EIA-232-D电气特性采用负逻辑。515V，表示逻辑“1”；515V，表示逻辑“0”。 EIA-232-D的逻辑电平与TTL电平不兼容，必须进行电平转换。,电气特性ext,非平衡电气连接方式,地线,信号线,电气特性ext,噪声,地线,接口特性,近距离通信,最简接线（3线制） 标准接线
2、（7线制）,最简接线,无硬件握手方式,近距离通信,最简接线（3线制） 标准接线 （7线制）,标准接线,全握手方式,甲,乙,通用串行端口数据通信,EIA-232-D接口标准 EIA-485-D接口标准,EIA-485与EIA-232,EIA-232最大传输距离15m，最大传输速率19.2Kbps，最多2个节点。 EIA-485最大传输距离1200m，最大传输速率10Mbps，最多32个节点。 EIA-485更适合工业通讯。,EIA-485的电气特性,EIA-485-D电气特性采用正逻辑。26V，表示逻辑“1”；26V，表示逻辑“0”。 接口信号电平比EIA-232-D降低了，不易损坏接口电路的芯
3、片， 且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL 电路连接。,EIA-485的电气特性ext,平衡差分电路，能够抑制噪声。,串音,EIA-485的电气特性ext,RS485的信号发送端会先分解成正负的两条线路；当到达接收端后，再将信号相减还原成原来的信号。 这种方式可以有效的抑制噪声，适用于工业数据通讯。,EIA-485的电气特性ext,发送端信号：DT=(D+)(D-) DT：发送端原始信号；D+、D-：差分后信号。 如果无噪声干扰，接收端信号：DR(D+)(D-) = DT,EIA-485的电气特性ext,如果存在噪声干扰，传输线上信号电压分别成为(D)Noise和(D-)Noise； 如果
4、接收端接收此信号，并计算电压差： DR(D)+Noise-(D-)Noise(D+)-(D-)DT 与发送端信号相同,EIA-485的端口连接,EIA-485的全双工连接EIA-485的半双工连接EIA-232到EIA-485端口的转换,EIA-485的全双工连接,EIA-485的半双工连接,EIA-485的网络连接,网络拓扑 电气隔离,网络拓扑,半双工通信时，采用总线形或树形拓扑。 EIA-485规定，每个网段最多连接32个负载。如果超过32个，需要添加中继器。,主从式介质访问控制方式,网段的一个节点被指定为主节点，其他节点为从节点。 由主节点负责控制网段上所有的通信连接。从节点不能主动发起
5、通信。 为保证每个从节点都有机会传送数据，主节点需要对从节点依次逐一轮询。 主节点不停地传送报文给从节点，并等待从节点的应答报文。,主从通讯示例,Controller,Drive1,Sensor,Drive3,Drive2,Data Acquisition,HMI,Analog I/O,示例：DF1主从通讯配置,计算机和MicroLogix1000控制器处于同一EIA-485网络，通过配置实现PC机与MicroLogix1000的主从通讯。 计算机作为主设备 MicroLogix1000作为从设备,MicroLogix1000作为从节点的配置,1、建立已知类型(如DF1全双工)的通讯，并启动R
6、SLogix500软件，在线MicroLogix1000控制器。,第二步,2、选择Channel Configuration（通道组态）,第三步,3、将程序下载到MicroLogix控制器中，此时与PC机的原有通讯丢失，等待建立新通讯。,计算机作为主设备的配置1,1、启动RSLinx软件，选择组态驱动.,计算机作为主设备的配置2,2、选择驱动类型为DF1 Polling Master Driver.,协议类型,计算机作为主设备的配置3,3、设置计算机的节点地址为1。,计算机作为主设备的配置4,4、定义轮询列表，将从节点地址加入。,从节点地址,计算机作为主设备的配置5,5、设置计算机串口，定义物
7、理层。,计算机作为主设备的配置6,6、设置DF1主从协议规定部分，超时和差错检测模式。,通讯建立,习题,详述EIA-232和EIA-485在抗噪声干扰方面的不同点，并分析原因。 详述主从通讯过程。,CAN-控制器局域网,背景与应用 CAN与ISO 7层模型 物理层 数据链路层,CAN - 控制器局域网络,由欧洲 Bosch 所开发 要求来自 BMW 与 Mercedes 应用于汽车内部的通讯 减少配线的数量 衔接各个分布式控制器 可靠 经过EMC测试 可靠的错误检测和限制机制 贯穿工业领域 廉价 多主网络,CAN - 控制器局域网络ext,车尾灯,发动机 控制,门,车前灯,ABS,仪表板,CA
8、N,CAN - 控制器局域网络ext,应用领域已由汽车扩展到过程控制、机械制造、机器人和楼宇自动化等。 最早的国际标准。 CAN总线仅定义物理层和数据链路层，基于CAN总线又开发了新的协议：如DeviceNet、SDS、CANopen等。,CAN-控制器局域网,背景与应用 CAN与OSI 7层模型 物理层 数据链路层,CAN 与 OSI /RM,逻辑链路控制子层,超载通知,接收过滤,介质访问控制子层,故障限定,错误检测,确认,报文帧,仲裁,物理层,位定时和同步,传输速率,信号电平,ISO OSI 7 层模型,CAN 层次结构,表述层,应用层,会话层,传输层,网络层,数据链路层,物理层,CAN-
9、控制器局域网,背景与应用 CAN与OSI 7层模型 物理层 数据链路层,物理层,CAN组网 CAN总线速率与距离的关系 电气特性 位编码 位定时 同 步,CAN组网,CAN总线比较常用物理介质是双绞线和光缆。,物理层,CAN组网 CAN总线速率与距离的关系 电气特性 位编码 位定时 同步,通信速率与距离,速率与距离的关系ext,CAN的直接通信距离最远可达10km（传输速率为5kbps）；最高通信速率可达1Mbps（传输距离为40m）。 CAN的节点数最多为110个。,物理层,CAN总线的速率与距离的关系 电气特性 位定时 位编码 同步,电气特性,采用差分连接的方式。,电气特性,双绞线中一根为
10、CAN-H,另一根为CAN-L.,地线,电气特性ext,逻辑“1” 时，总线呈现“隐性”状态。 VCAN-H和VCAN-L固定在平均电压2.5V，即Vdiff近似为0。 逻辑“0” 时，总线呈现“显性”状态。 VCAN-H为3.5V,VCAN-L为1.5V，即Vdiff为2V。,物理层,电气特性 CAN总线的速率与距离的关系 位编码 位定时 同步,位编码,采用全宽单极性不归零码（NRZ）,位编码ext,NRZ 技术的优势 噪音信号少 适用于逐位仲裁技术 (Bit-Wise Arbitration) NRZ 技术的劣势 不确定性同步 (Non-determinant Synchronisatio
11、n)采用位填充技术 (Bit-Stuffing)解决,同步,位编码ext,位填充：在每五个连续的同电位(或逻辑)之后，嵌入一个位的反相电位(或逻辑)。 实例 : 传输数据 = 0110 0000 0001,物理层,电气特性 CAN总线的速率与距离的关系 位编码 位定时 同步,位定时,理想的发送器在没有进行同步的情况下，每秒发送的位数定义为正常位速率。 在一个给定的CAN系统里，位传输速率是唯一的，并且是固定的。 位时间指一位的持续时间，是位速率的倒数。,位时间的组成,采样点,位时间的组成ext,同步段用于同步总线上的各个节点或设备。在此段内，等待一个跳变沿。 传播段用于补偿网络内的物理延迟时间
12、。 相位缓冲段1和2用于补偿相位边沿的误差。,同步,同步,硬同步重同步,硬同步,仅在总线空闲时通过一个跳变沿（帧起始）完成； 强迫引起硬同步的跳变沿位于重新开始计时的位时间的同步段之内。,重同步,在消息帧的随后位中，每当有跳变沿出现，且该跳变落在了同步段之外，就会引起一次重同步。 重同步机制根据跳变沿的位置延长或者缩短位时间以调整采样点的位置，保证正确采样。,重同步ext,相位误差：跳变沿相对同步段的位置。如果跳变沿处于同步段内，则相位误差为0；如果跳变沿位于采样之前，同步段之后，则相位误差大于0；如果跳变沿位于当前的采样点之后，下一个位的同步段之前，则相位误差小于0。,重同步ext,跳变沿落
13、在了同步段之后采样点之前，为正的相位误差，接收器会认为是一个慢速发送器发送的滞后边沿。,重同步ext,跳变沿落在了采样点之后同步段之前，为负的相位误差，接收器认为一个快速发送器发送的下一个位时间的提前边沿。,CAN-控制器局域网,背景与应用 CAN与OSI七层模型 物理层 数据链路层,数据链路层,介质访问控制子层（MAC）逻辑链路控制子层（LLC）,介质访问控制子层,介质访问控制 报文分帧 错误检测,CSMA/CD + NDBA,载波监听多路访问/冲突检测 (Carrier Sense Multiple Access /Collision Detect) 允许多个节点进行总线访问 用于以太网
14、(Ethernet), CAN 等. 非破坏性的位元形式仲裁 (None-DestructiveBit-wise Arbitration) 利用 NRZ (不归零码) 技术 信号冲突时不会破坏信号 不浪费带宽 (bandwidth) 保证很高的信号吞吐率 (throughput),监听过程,如果网络上正在发送一帧报文，另一个节点必须等待，直到发送结束后才能开始发送自己的报文.,节点 A,节点 B,节点 C,总线,隐,显,t1,t2,SOF,t1 & t2 , 节点 C 和节点 B 丢失仲裁,R,D,R,D,R,D,CSMA/CD + NDBA 操作,介质访问控制子层,介质访问控制 报文分帧 错
15、误检测,帧格式,标准帧：含有11位标识符，称为BASIC-CAN。 扩展帧：含有29位标识符，称为Peli-CAN。,帧类型,数据帧：将数据由发送器传输到接收器。 远程帧：由节点发出，请求发送具有相同标识符的数据帧。 错误帧：检测到总线错误后发出。 过载帧：相邻数据帧间提供附加的延时。 帧间空间：分隔多个数据帧。,数据帧,数据帧ext,帧起始标志位(SOF)标志数据帧的起始，一个显性位。在此进行硬同步。仲裁域（Arbitration Field） 由标识符和远程发送请求位RTR标志组成。,数据帧ext,控制域四位数据长度码（DLC）和两个保留位。 数据域 由数据帧中被发送的数据组成，包括08个
16、字节。,数据帧ext,循环冗余码（CRC）域 CRC域包括CRC校验码和界定符(一个隐性位)。 生成多项式：X15+X14+X10+X8+X7+X4+X3+1应答域（ACK） 应答间隙（ACK SLOT）和应答界定（ACK DELIMITER）。当接收器正确地接收到有效的报文，就会在应答隙位发送一显性位。,数据帧ext,帧结束 每个数据帧和远程帧均由7个“隐性位”构成标志序列界定。,远程帧,每个接收节点可以通过发送远程帧启动发送节点传送数据。多用于点对点通信。,远程帧ext,由帧起始、仲裁域、控制域、CRC域、应答域、帧结尾组成。 与数据帧相反，仲裁域中的RTR位是隐性的。且没有数据域。,出错帧ext,错误标志：错误主动标志和错误被动标志 错误界定符：由8个隐性位构成。,错误标志,错误主动标志：连续6个显性位。优先级高，违反了位填充规则 错误被动标志：连续6个隐性位。优先级低，可被其他节点显性位覆盖。,
