通信接口技术

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1、第五章 通信接口技术,通信接口是智能仪器的重要组成部分之一。通信接口是智能仪器之间或者智能仪器与计算机之间进行信息交换和传输的联络装置。按通信方式分类，可分为并行通信和串行通信两种。 串行总线有 RS322C、RS485、I2C总线、USB及现场总线等。,5.1 串行通信接口,5.1.1 串行通信的概念,串行通信：一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通讯方式称为串行通讯。 串行通讯的特点是：数据位传送，传按位顺序进行，最少只需一根传输线即可完成， 成本低但送速度慢。串行通讯的距离可以从几米到几千米。 根据信息的传送方向，串行通讯可以进一步分为单工、半双工和全双工三种。,5.1.2 串行通信的基

2、本方式,（a）同步通信,（b）异步通信,5.1.3 串行通信协议,异步通信协议规定每个字符以位串行方式传输，每个串行数据由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位组成。串行传输数据格式如下图所示，具体定义如下：,在异步通信中，接收和发送双方必须保持相同的传输速率。传输速率即波特率，它是以每秒传输的二进制位数来度量的，单位为比特/秒 (b/s)。规定的波特率有50、75、110、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200、38400等。 在异步串行通信中，通信双方必须持相同的传输波特率，并以每个字符数据的起始位来进行同步，同时“数据格式”即起始位、数据位、奇偶位和停止位

3、的约定，在同一次传输过程中也要保持一致，这样才能保证成功地进行数据传输。,5.2 RS-232C串行通信接口,RS-232C对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。 在TxD和RxD上：逻辑1(MARK) =-3V-15V 逻辑0(SPACE)=+315V 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,RS23C连接器的机械特性,串口通信基本接线方法,实际应用,A,B,2,4,1,4,3,2,5,最简连接,简单连接,完全连接,电平转换芯片介绍 传输线驱动器MC1488和

4、接收器MC1489,传输线驱动器MC1488内部逻辑图,接收器MC1489内部逻辑图,单电源供电的双 RS23收发器ICL232,5.3 RS-485/RS422,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。 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

5、器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围。 RS-485是RS-422的变形，RS-422A是全双工，两对平衡差分信号线分别用于发送和接收，所以采用RS422A接口通信时最少需要4根线。RS-485为半双工，只有一对平衡差分信号线，不能同时发送和接收，最少只需二根连线。,RS-422、RS-485与RS-232一样，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。 1)RS-422与RS-485串行接口标准 (1)平衡传输 RS-422、RS-485与RS-232不一样，数据信号采

6、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。,（2）RS-485、RS-422的电气特性 发送A、B之间：正电平在+2+6V； 负电平在-2+6V。 接收A、B之间：正逻辑电平大于+200mV； 负逻辑电平小于-200mV。,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。,（3）电气规定 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。图5是典型的RS-422四线接口。实际上还有一

7、根信号地线，共5根线。图4是其DB9连接器引脚定义。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。,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-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

8、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-232C、RS-422A、RS485性能比较,2）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。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: (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

9、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。,图所示为实际应用中常见的一些错误连接方式（a，c，e）和正确的连接方式（b，d，f）。a，c，e这三种网络连接尽管不正确，在短距离、低速率仍可能正常工作，但随着通信距离的延长或通信速率的提高，其不良影响会越来越严重，主要原因是信号在各支路末端反射后与原信号叠加，会造成信号质量下降。,3）RS-422与RS-485传输线上匹配 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

10、端匹配。那么在什么情况下不用考虑匹配呢？ 配的一条经验性的原则：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（24AWG PVC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，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1

11、00，在RS-485网络中取120。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，如左图。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，如右图。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。,MAX481,5.3 RS485通信接口的防护方法,5.3.1防雷电路中的元器件 1）气体放电管,气体放电管是一种开关型保护器件，工作原理是气体放电。当两极间电压

12、足够大时，极间间隙将放电击穿，由原来的绝缘状态转化为导电状态，类似短路。导电状态下两极间维持的电压很低，一般在2050V，因此可以起到保护后级电路的效果。,气体放电管的通流量比压敏电阻和TVS管要大，气体放电管与TVS等保护器件合用时应使大部分的过电流通过气体放电管泄放，因此气体放电管一般用于防护电路的最前级，其后级的防护电路由压敏电阻或TVS管组成。 气体放电管主要可应用在交流电源口相线、中线的对地保护；直流RTN和保护地之间的保护；信号口线对地的保护；天馈口馈线芯线对屏蔽层的保护。,2）压敏电阻,压敏电阻是一种限压型保护器件。利用压敏电阻的非线性特性，当过电压出现在压敏电阻的两极间，压敏电

13、阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护。 压敏电阻的响应时间比空气放电管快，比TVS管稍慢一些；压敏电阻的结电容一般在几百到几千pF的数量级范围，一般不宜直接应用在高频信号线路的保护电路中。 压敏电阻主要可用于直流电源、交流电源、低频信号线路、带馈电的天馈线路。,3）瞬态抑制二极管（TVS）,TVS（Transient Voltage Suppression）是一种限压保护器件，作用与压敏电阻很类似。也是利用器件的非线性特性将过电压钳位到一个较低的电压值实现对后级电路的保护。 TVS的响应时间是限压型浪涌保护器件中最快的。用于电子电路的过电压保护时其响应速度都可满足要

14、求。,TVS管的结电容根据制造工艺的不同，大体可分为两种类型，高结电容型TVS一般在几百几千pF的数量级，低结电容型TVS的结电容一般在几pF几十pF的数量级。一般分立式TVS的结电容都较高，表贴式TVS管中两种类型都有。在高频信号线路的保护中，应主要选用低结电容的TVS管。 TVS管的非线性特性比压敏电阻好，具有压敏电阻更理想的残压输出。在很多需要精细保护的电子电路中，应用TVS管是比较好的选择。TVS管的通流容量在限压型浪涌保护器中是最小的，一般用于最末级的精细保护，因其通流量小，一般不用于交流电源线路的保护，直流电源的防雷电路使用TVS管时，一般还需要与压敏电阻等通流容量大的器件配合使用

15、。,4）正温度系数热敏电阻(PTC）,PTC是一种限流保护器件，它有一个动作温度值TS，当其本体内温度低于TS时，其阻值维持基本恒定，这时的阻值称为冷电阻。当正温度系数电阻本体那温度高于TS时，其阻值迅速增大，可以达到的最大阻值能过比冷电阻值打10000倍左右。由于它的阻值可以随温度升高而迅速增大，所以一般串联于线上用作暂态大电流的过流保护。PTC在信号线及电源线路上都有应用。,5.3.2 RS485防护电路 1）室外走线RS485口防雷电路,当信号线走线较长，可能出户外时，端口的防护等级要求较高，此时可采用下图的防护电路。,电路采用气体放电管、电阻、快恢复二极管、TVS管组成，其中气体放电管

16、将线缆引入的大部分雷击过电流泄放。电阻的作用是用于两级电路间的配合，由TVS管和快恢复二极管组成的桥式电路是第2级防雷电路，进一步降低防雷器输出的残压，从而有效的保护后级设备。,G1为三极气体放电管3R097CXA，主要起共模保护；R1、R2为2W/4.7欧姆电阻，阻值在不影响信号传输质量的情况下可以再取大一些；整流桥四周和对地共六个二极管为快恢复二极管MURS120T3，整流桥中间为TVS管SM6T6V8A，起后级的共模和差模保护的作用。,该电路一般用于被保护端口的信号速率不高的情况。,2）室内走线RS485口防雷电路,当接口用于小于10米的框间通信时，可根据需要确定是否加防护电路。,单点防护电路,一点对多点防护电路,5.4 通用串行总线USB,USB（Universal Serial Bus）通用串行总线是由Compaq、Digital Equipment、Intel、Microsoft、IBM、NEC及Northern Telecom等7家公司联合开发的一种流行的外设接口标准。 1996年2月公布了USB 1.0版本，传输