通讯方式和通讯协议介绍.doc
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1、目录一、RS232的串口通讯3应用3工作方式3接口标准4电路组成4概述4简介4二、RS485串行通讯4简介5接口5电缆5布网6区别6三、串行通信7概念7分类8同步通信8异步通信8特点8形式和标准8调幅方式8调频方式9数字编码方式9数据传输率9发送时钟和接收时钟10异步通信协议10通信协议11普遍协议11USB12IEEE 139412相关应用13四、通讯协议13简介13详细介绍14TCP/IP14IPX/SPX14NetBEUI15通信协议15RS-232-C15RS-44915V.3516X.2116HDLC16管理协议17SNMP17PPP17一、RS232的串口通讯串口通信(Serial
2、 Communication), 是指外设和计算机间,通过数据信号线 、地线、控制线等,按位进行传输数据的一种通讯方式。这种通信方式使用的数据线少,在远距离通信中可以节约通信成本,但其传输速度比并行传输低。应用随着计算机系统的应用和微机网络的发展,通信功能越来越显得重要.这里所说的通信是指计算机与外界的信息交换.因此,通信既包括计算机与外部设备之间,也包括计算机和计算机之间的信息交换.由于串行通信是在一根传输线上一位一位的传送信息,所用的传输线少,并且可以借助现成的电话网进行信息传送,因此,特别适合于远距离传输.对于那些与计算机相距不远的人机交换设备和串行存储的外部设备如终端、打印机、逻辑分析
3、仪、磁盘等,采用串行方式交换数据也很普遍.在实时控制和管理方面,采用多台微机处理机组成分级分布控制系统中,各 CPU 之间的通信一般都是串行方式.所以串行接口是微机应用系统常用的接口。许多外设和计算机按串行方式进行通信,这里所说的串行方式,是指外设与接口电路之间的信息传送方式,实际上,CPU 与接口之间仍按并行方式工作.工作方式由于 CPU 与接口之间按并行方式传输,接口与外设之间按串行方式传输,因此,在串行接口中,必须要有 接收移位寄存器 (串并)和 发送移位寄存器 (并串). 在数据输入过程中,数据 1 位 1 位地从外设进入接口的 接收移位寄存器 ,当 接收移位寄存器 中已接收完 1 个
4、字符的各位后,数据就从 接收移位寄存器 进入 数据输入寄存器 . CPU 从 数据输入寄存器 中读取接收到的字符.(并行读取,即 D7D0 同时被读至累加器中). 接收移位寄存器 的移位速度由 接收时钟 确定.在数据输出过程中,CPU 把要输出的字符(并行地)送入 数据输出寄存器 , 数据输出寄存器 的内容传输到 发送移位寄存器 ,然后由 发送移位寄存器 移位,把数据 1 位 1 位地送到外设. 发送移位寄存器 的移位速度由 发送时钟 确定.接口中的 控制寄存器 用来容纳 CPU 送给此接口的各种控制信息,这些控制信息决定接口的工作方式. 状态寄存器 的各位称为 状态位 ,每一个状态位都可以用
5、来指示数据传输过程中的状态或某种错误.例如,用状态寄存器的 D5 位为 1 表示 数据输出寄存器 空,用 D0 位表示 数据输入寄存器满 ,用 D2 位表示 奇偶检验错 等.能够完成上述 串 并 转换功能的电路,通常称为 通用异步收发器 (UART :Universal Asynchronous Receiver and Transmitter),典型的芯片有:Intel 8250/8251,16550接口标准实现数据格式化:因为来自CPU的是普通的并行数据,所以,接口电路应具有实现不同串行通信方式下的数据格式化的任务。在异步通信方式下,接口自动生成起止式的帧数据格式。在面向字符的同步方式下,
6、接口要在待传送的数据块前加上同步字符。进行串-并转换:串行传送,数据是一位一位串行传送的,而计算机处理数据是并行数据。所以当数据由计算机送至数据发送器时,首先把串行数据转换为并行数才能送入计算机处理。因此串并转换是串行接口电路的重要任务。控制数据传输速率:串行通信接口电路应具有对数据传输速率波特率进行选择和控制的能力。进行错误检测:在发送时接口电路对传送的字符数据自动生成奇偶校验位或其他校验码。在接收时,接口电路检查字符的奇偶校验或其他校验码,确定是否发生传送错误。进行TTL与EIA电平转换:CPU和终端均采用TTL电平及正逻辑,它们与EIA采用的电平及负逻辑不兼容,需在接口电路中进行转换。提
7、供EIA-RS-232C接口标准所要求的信号线:远距离通信采用MODEM时,需要9根信号线;近距离零MODEM方式,只需要3根信号线。这些信号线由接口电路提供,以便与MODEM或终端进行联络与控制。(理论性强)电路组成概述为了完成上述串行接口的任务,串行通信接口电路一般由可编程的串行接口芯片、波特率发生器、EIA与TTL电平转换器以及地址译码电路组成。简介其中,串行接口芯片,随着大规模集成电路技术的发展,通用的同步(USRT)和异步(UART)接口芯片种类越来越多,如下表所示。它们的基本功能是类似的,都能实现上面提出的串行通信接口基本任务的大部分工作,且都是可编程的。采用这些芯片作为串行通信接
8、口电路的核心芯片,会使电路结构比较简单。二、RS485串行通讯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,即数据传送按位顺序进行,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。信息只能单向传送为单工;信息能双向传送但不能同时双向传送称为半双工;信息能够同时双向传送则称为全双工。 串行通讯又分为异步通讯和同步通讯两种方式。在单片机中,主要使用异步通讯方式。简介智能仪表是随着80年代初单片机技术的成熟而发展起来的,现在世界仪表市场基本被智能仪表所垄断。
9、究其原因就是企业信息化的需要,企业在仪表选型时其中的一个必要条件就是要具有联网通信接口。最初是数据模拟信号输出简单过程量,后来仪表接口是RS232接口,这种接口可以实现点对点的通信方式,但这种方式不能实现联网功能。随后出现的RS485解决了这个问题。下面我们就简单介绍一下RS485。接口RS485采用差分信号负逻辑,-2V-6V表示“0”,+2V+6V表示“1”。RS485有两线制和四线制两种接线,四线制只能实现点对点的通信方式,现很少采用,现在多采用的是两线制接线方式,这种接线方式为总线式拓扑结构在同一总线上最多可以挂接32个结点。在RS485通信网络中一般采用的是主从通信方式,即一个主机带
10、多个从机。很多情况下,连接RS-485通信链路时只是简单地用一对双绞线将各个接口的“A”、“B”端连接起来。而忽略了信号地的连接,这种连接方法在许多场合是能正常工作的,但却埋下了很大的隐患,这有二个原因:(1)共模干扰问题: RS-485接口采用差分方式传输信号方式,并不需要相对于某个参照点来检测信号,系统只需检测两线之间的电位差就可以了。但人们往往忽视了收发器有一定的共模电压范围,RS-485收发器共模电压范围为-7+12V,只有满足上述条件,整个网络才能正常工作。当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠,甚至损坏接口。(2)EMI问题:发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返
11、回通路,如没有一个低阻的返回通道(信号地),就会以辐射的形式返回源端,整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。由于PC机默认的只带有RS232接口,有两种方法可以得到PC上位机的RS485电路:(1)通过RS232/RS485转换电路将PC机串口RS232信号转换成RS485信号,对于情况比较复杂的工业环境最好是选用防浪涌带隔离栅的产品。(2)通过PCI多串口卡,可以直接选用输出信号为RS485类型的扩展卡。电缆在低速、短距离、无干扰的场合可以采用普通的双绞线,反之,在高速、长线传输时,则必须采用阻抗匹配(一般为120)的RS485专用电缆(STP-120(for RS485 & CAN)
12、 one pair 18 AWG),而在干扰恶劣的环境下还应采用铠装型双绞屏蔽电缆(ASTP-120(for RS485 & CAN) one pair 18 AWG)。在使用RS485接口时,对于特定的传输线路,从RS485接口到负载其数据信号传输所允许的最大电缆长度与信号传输的波特率成反比,这个长度数据主要是受信号失真及噪声等因素所影响。理论上,通信速率在100Kpbs及以下时,RS485的最长传输距离可达1200米,但在实际应用中传输的距离也因芯片及电缆的传输特性而所差异。在传输过程中可以采用增加中继的方法对信号进行放大,最多可以加八个中继,也就是说理论上RS485的最大传输距离可以达到
13、9.6公里。如果真需要长距离传输,可以采用光纤为传播介质,收发两端各加一个光电转换器,多模光纤的传输距离是510公里,而采用单模光纤可达50公里的传播距离。RS-485通讯电缆结构图布网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,应注意如下几点:(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。有些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。(2
14、)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。在RS485组网过程中另一个需要注意的问题是终端负载电阻问题,在设备少距离短的情况下不加终端负载电阻整个网络能很好的工作但随着距离的增加性能将降低。理论上,在每个接收数据信号的中点进行采样时,只要反射信号在开始采样时衰减到足够低就可以不考虑匹配。但这在实际上难以掌握,美国MAXIM公司有篇文章提到一条经验性的原则可以用来判断在什么样的数据速率和电缆长度
15、时需要进行匹配: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。一般终端匹配采用终端电阻方法, RS-485应在总线电缆的开始和末端都并接终端电阻。终接电阻在RS-485网络中取120。相当于电缆特性阻抗的电阻,因为大多数双绞线电缆特性阻抗大约在100120。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。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,这种方案虽未实现真正的“匹
16、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。最近两年一些公司基于部分企业信息化的实施已完成,工厂中已经铺设了延伸到车间每个办公室、控制室的局域网的现状,推出了串口服务器来取代多串口卡,这主要是利用企业已有的局域网资源减少线路投资,节约成本,相当于通过tcp/ip把多串口卡放在了现场。区别我们把工业网络归结为三类:RS485网络、HART网络和现场总线网络。HART网络:HART是由现在的艾默生提出一个过度性总线标准,他主要是在420毫安电流信号上面叠加数字信号,物理层采用BELL202频移键控技术,以实现部分智能仪表的功能,但此协议不是一个真正意义上
17、开放的标准,要加入他的基金会才能拿到协议,加入基金会要一部分的费用。技术主要被国外几家大公司垄断,近两年国内也有公司在做,但还没有达到国外公司的水平。现在有很大一部分的智能仪表都带有HART圆卡,都具备HART通讯功能。但从国内来看还没有真正利用其这部分功能,最多只是利用手操器对其进行参数设定,没有发挥出HART智能仪表应有的功能,没有联网进行设备监控。从长远来看由于HART通信速率低组网困难等原因,HART仪表的采购量会呈现下滑趋势,但由于HART仪表已经有十多年的历史,现在装数量非常大,对于一些系统集成商来说还有很大的可利用空间。现场总线网络:现场总线技术是当今自动化领域技术发展热点之一,
18、被誉为自动化领域的计算机局域网,它的出现标志着自动化控制技术又一个新时代的开始。现场总线是连接设置在控制现场的仪表与设置在控制室内的控制设备的数字化、串行、多站通信的网络。其关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通信。现场总线技术近年来成为国际上自动化和仪器仪表发展的热点,它的出现是传统的控制系统结构产生了革命性的变化,是自控系统朝着智能化、数字化、信息化、网络化、分散化的方向迈进,形成新型的网络集成式全分布式控制系统-现场总线控制系统FCS(Fieldbus Control System)。但是现在的现场总线的各种标准并行存在并且都有自己的生存领域,还没有形成真正统一的标准,关键是看不
19、到什么时候能形成统一的标准,技术也不够成熟。另外现场总线的仪表种类还比较少可供选择的余地小,价格也偏高,从最终用户的角度看大多还处于观望状态,都想等到技术成熟之后在考虑,现在实施的少。RS485网络:RS485/MODBUS是现在流行的一种布网方式,其特点是实施简单方便 ,而且现在支持RS485的仪表又特多,特别是在油品行业RS485/MODBUS简直是一统天下,现在的仪表商也纷纷转而支持S485/MODBUS,原因很简单,原来的 HART仪表想买一个转换口非常困难 而且价格昂贵,RS485的转换接口就便宜的多而且种类繁多。至少在低端市场RS485/MODBUS还将是最主要的组网方式,近两三年
20、内不会改变。如今HART仪表想买一个转换口并不困难 而且价格也不再昂贵,目前国内有不少HART协议转换器,例如:SM100-A/SM100-B/SM100-C(嘉兴市松茂电子出的三款)现已基本满足国内用户的需求,同时HART-RS232/HART-RS485还支持MODBUS协议,能很好的满足不同用户的需求。三、串行通信串行通信是指 使用一条数据线,将数据一位一位地依次传输,每一位数据占据一个固定的时间长度。其只需要少数几条线就可以在系统间交换信息,特别适用于计算机与计算机、计算机与外设之间的远距离通信。概念串行通信随着计算机网络化和微机分级分布式应用系统的发展,通信的功能越来越重要。通信是指
21、计算机与外界的信息传输,既包括计算机与计算机之间的传输,也包括计算机与外部设备,如终端、打印机和磁盘等设备之间的传输。在通信领域内,数据通信中按每次传送的数据位数,通信方式可分为:并行通信和串行通信。串行通信是指计算机主机与外设之间以及主机系统与主机系统之间数据的串行传送。使用一条数据线,将数据一位一位地依次传输,每一位数据占据一个固定的时间长度。其只需要少数几条线就可以在系统间交换信息,特别适用于计算机与计算机、计算机与外设之间的远距离通信。串口通信时,发送和接收到的每一个字符实际上都是一次一位的传送的,每一位为1或者为0。分类同步通信同步通信是一种连续串行传送数据的通信方式,一次通信只传送
22、一帧信息。这里的信息帧与异步通信中的字符帧不同,通常含有若干个数据字符。它们均由同步字符、数据字符和校验字符(CRC)组成。其中同步字符位于帧开头,用于确认数据字符的开始。数据字符在同步字符之后,个数没有限制,由所需传输的数据块长度来决定;校验字符有1到2个,用于接收端对接收到的字符序列进行正确性的校验。同步通信的缺点是要求发送时钟和接收时钟保持严格的同步。异步通信异步通信中,在异步通信中有两个比较重要的指标:字符帧格式和波特率。数据通常以字符或者字节为单位组成字符帧传送。字符帧由发送端逐帧发送,通过传输线被接收设备逐帧接收。发送端和接收端可以由各自的时钟来控制数据的发送和接收,这两个时钟源彼
23、此独立,互不同步。接收端检测到传输线上发送过来的低电平逻辑0(即字符帧起始位)时,确定发送端已开始发送数据,每当接收端收到字符帧中的停止位时,就知道一帧字符已经发送完毕。特点数据在单条一位宽的传输线上,一比特接一比特地按顺序传送的方式称为串行通信。 在并行通信中,一个字节(8位)数据是在8条并行传输线上同时由源传到目的地;而在串行通信方式中,数据是在单条1位宽的传输线上一位接一位地顺序传送。这样一个字节的数据要分8次由低位到高位按顺序一位位地传送。由此可见,串行通信的特点如下:1、节省传输线,这是显而易见的。尤其是在远程通信时,此特点尤为重要。这也是串行通信的主要优点。2、数据传送效率低。与并
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