第2章 串行接口通信

智能仪表是伴随20世纪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。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RS-232C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RS-485解决了这个问题。

RS-485总线标准是工业中（考勤、监控和数据采集系统）使用非常广泛的双向、平衡传输标准接口，支持多点连接，允许创建多达32个节点的网络；最大传输距离1200m，支持1200m时为100Kbps的高速传输，抗干扰能力很强，布线仅有两根线，很简单。本章将对其展开阐述，并列举具体的项目研发实例加以详细说明。

2.1 串行接口通信基础

2.1.1 计算机串行通信基础

随着多微机系统的广泛应用与计算机网络技术的普及，计算机的通信功能越来越显得重要。计算机通信是指将计算机技术和通信技术相结合，完成计算机与外部设备或计算机与计算机之间的信息交换。通信方式可以分为两大类：并行通信与串行通信。在多微机系统及现代测控系统中信息的交换多采用串行通信方式。

（1）并行通信

并行通信通常是将数据字节的各位用多条数据线同时进行传送，如图2-1所示。

并行通信控制简单、传输速度快；由于传输线较多，长距离传送时成本高且接收方的各位同时接收存在困难。

（2）串行通信

串行通信是将数据字节分成1位1位的形式，再在一条传输线上逐个地传送，如图2-2所示。

串行通信的特点：传输线少，长距离传送时成本低，且可以利用电话网等现成的设备，但数据的传送控制比并行通信复杂。

串行通信的基本概念和具体特点介绍如下。

1.异步通信与同步通信

（1）异步通信

异步通信是指通信的发送与接收设备使用各自的时钟控制数据的发送和接收过程。为使双方的收发协调，要求发送和接收设备的时钟尽可能一致。

异步通信是以字符（构成的帧）为单位进行传输的，字符与字符之间的间隙（时间间隔）是任意的，但每个字符中的各位是以固定的时间传送的，即字符之间不一定有“位间隔”的整数倍的关系，但同一字符内的各位之间的距离均为“位间隔”的整数倍，图2-3和图2-4分别为异步通信的收发示意图和数据格式。

异步通信的特点：不要求收发双方的时钟严格一致，实现容易，设备开销较小，但每个字符要附加2～3位用于起止位，各帧之间还有间隔，因此传输效率不高。

（2）同步通信

同步通信时要建立发送方时钟对接收方时钟的直接控制，使双方达到完全同步。此时，传输数据的位之间的距离均为“位间隔”的整数倍，同时传送的字符间不留间隙，既保持位同步关系，也保持字符同步关系。发送方对接收方的同步可以通过两种方法实现，如图2-5所示，分别对应于外同步和自同步两种方法。

另外，根据同步格式的不同，同步通信可以分为面向字符和面向位这两种同步格式，具体如图2-6所示。

在面向字符的同步格式中，传送的数据和控制信息都必须由规定的字符集（如ASCII码）中的字符所组成。图2-6（a）中帧头为一个或两个同步字符SYN（ASCII码为16H）。SOH为序始字符（ASCII码为01H），表示标题的开始，标题中包含源地址、目标地址和路由指示等信息。STX为文始字符（ASCII码为02H），表示传送数据块的开始。数据块是传送的正文内容，由多个字符组成。数据块后面是组终字符ETB（ASCII码为17H）或文终字符ETX（ASCII码为03H），然后是校验码。

典型的面向字符的同步规程是IBM的二进制同步规程BSC。

而在面向位的同步格式中，是将数据块看做数据流，并用序列01111110作为开始和结束标志。为了避免在数据流中出现序列01111110时引起的混乱，发送方总是在其发送的数据流中每出现5个连续的“1”就插入一个附加的“0”；接收方则每检测到5个连续的“1”并且其后有一个“0”时，就删除该0。

典型的面向位的同步协议有：ISO的高级数据链路控制规程HDLC和IBM的同步数据链路控制规程SDLC。

在这种情况下，同步通信的特点是以特定的位组合“01111110”作为帧的开始和结束标志的，所传输的一帧数据可以是任意位。所以传输的效率较高，但实现的硬件设备比异步通信复杂。

2.串行通信的传输方向

串行通信的传输方向分为单工、半双工、全双工3类，如图2-7所示。

① 单工：单工是指数据传输仅能沿一个方向，不能实现反向传输。

② 半双工：半双工是指数据传输可以沿两个方向，但需要分时进行。

③ 全双工：全双工是指数据可以同时进行双向传输。

3.信号的调制与解调

如图2-8所示，利用调制器（Modulator）把数字信号转换成模拟信号，然后送到通信线路上去，再由解调器（Demodulator）把从通信线路上收到的模拟信号转换成数字信号。由于通信是双向的，调制器和解调器合并在一个装置中，这就是调制解调器MODEM。

4.串行通信的错误校验

（1）奇偶校验

在发送数据时，数据位尾随的1位为奇偶校验位（1或0）。奇校验时，数据中“1”的个数与校验位“1”的个数之和应为奇数；偶校验时，数据中“1”的个数与校验位“1”的个数之和应为偶数。接收字符时，对“1”的个数进行校验，若发现不一致，则说明传输数据过程中出现了差错。

（2）代码和校验

代码和校验是指发送方将所发数据块求和（或各字节异或），产生1字节的校验字符（校验和）附加到数据块末尾。接收方在接收数据的同时对数据块（除校验字节外）求和（或各字节异或），将所得的结果与发送方的“校验和”进行比较，相符则无差错，否则即认为传送过程中出现了差错。

（3）循环冗余校验

这种校验是通过某种数学运算实现有效信息与校验位之间的循环校验，常用于对磁盘信息的传输、存储区的完整性校验等。这种校验方法纠错能力强，广泛应用于同步通信中。

5.传输速率与传输距离

（1）传输速率

比特率是每秒钟传输二进制代码的位数，单位是位/秒（bps）。如每秒钟传送240个字符，而每个字符格式包含10位（1个起始位、1个停止位和8个数据位），这时的比特率为10位× 240字符/秒 = 2400位/秒（bps）。

（2）传输距离与传输速率的关系

串行接口或终端直接传送串行信息位流的最大距离与传输速率及传输线的电气特性有关。当传输线使用每0.3m（约1英尺）有50pF电容的非平衡屏蔽双绞线时，传输距离随传输速率的增加而减小。当比特率超过1000bps时，最大传输距离迅速下降，如9600bps时最大距离下降到只有76m（约250英尺）。

2.1.2 RS-232C串行通信接口

RS-232C是EIA（美国电子工业协会）1969年修订的RS-232C标准。RS-232C定义了数据终端设备（DTE）与数据通信设备（DCE）之间的物理接口标准。

1.机械特性

RS-232C接口规定使用25针连接器，连接器的尺寸及每个插针的排列位置都有明确的定义，如图2-9所示。

2.功能特性

RS-232C接口的主要功能特性如表2-1所示。

3.过程特性

过程特性规定了信号之间的时序关系，以便正确地接收和发送数据。图2-10分别对应于远程通信和近程通信两种连接方式。

4.RS-232C电平与TTL电平转换驱动电路

图2-11所示为RS-232C电平与TTL电平转换驱动电路。

5.采用RS-232C接口存在的问题

（1）传输距离短，传输速率低

RS-232C总线标准受电容允许值的约束，使用时传输距离一般不要超过15m（线路条件好时也不超过几十米）。最高传送速率为20Kbps。

（2）有电平偏移

RS-232C总线标准要求收发双方共地。通信距离较大时，收发双方的地电位差别较大，在信号地上将有比较大的地电流并产生压降。

（3）抗干扰能力差

RS-232C在电平转换时采用单端输入输出，在传输过程中当干扰和噪声混在正常的信号中时，为了提高信噪比，RS-232C总线标准不得不采用比较大的电压摆幅。

2.1.3 RS-485串行通信接口

在图2-12中，RS-422A输出驱动器为双端平衡驱动器。如果其中一条线为逻辑1状态，另一条线就为逻辑0，比采用单端不平衡驱动对电压的放大倍数大一倍。差分电路能从地线干扰中拾取有效信号，差分接收器可以分辨200mV以上电位差。若传输过程中混入了干扰和噪声，由于差分放大器的作用，可使干扰和噪声相互抵消。因此可以避免或大大减弱地线干扰和电磁干扰的影响。RS-422A传输速率为90Kbps时，传输距离可达1200m。

RS-485是RS-422A的改进型：RS-422A用于全双工，而RS-485则用于半双工。RS-485是一种多发送器标准，在通信线路上最多可以使用32对差分驱动器/接收器。如果在一个网络中连接的设备超过32个，还可以使用中继器。图2-13所示为RS-485接口的收发示意图。

1.RS-485的特点

① RS-485的电气特性：逻辑0以两线间的电压差为+（2～6）V表示；逻辑1以两线间的电压差为-(2～6)V表示。接口信号电平比RS-232C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。

② RS-485的数据最高传输速率为10Mbps。

③ RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好。

④ RS-485最大的通信距离约为1219m，最大传输速率为10Mbps，传输速率与传输距离成反比，在100Kbps的传输速率下，才可以达到最大的通信距离，如果需传输更长的距离，需要加485中继器。RS-485总线一般最大支持32个节点，如果使用特制的485芯片，可以达到128个或者256个节点，最大的可以支持到400个节点。

2.RS-485接口

RS-485的信号传输采用两线间的电压来表示，即逻辑1和逻辑0。由于发送方需要两根传输线，接收方也需要两根传输线，传输线采用差动信道，所以它的干扰抑制性极好，又因为它的阻抗低，无接地问题，所以传输距离和传输速率相对都比较有优势。

RS-485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。大多采用的是两线制接线方式，这种接线方式为总线型拓扑结构，在同一总线上最多可以挂接32个节点。在RS-485通信网络中一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。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，这有两个原因：

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默认的只带有RS-232C接口，有两种方法可以得到PC上位机的RS-485电路：

① 通过RS-232C/RS-485转换电路将PC串口RS-232C信号转换成RS-485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珊的产品。

② 通过PCI多串口卡，可以直接选用输出信号为RS-485类型的扩展卡。

3.RS-485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、长传输距离时，则必须采用阻抗匹配（一般为120Ω）的RS-485专用电缆（STP-120Ω for RS-485 & CAN one pair 18 AWG），而在干扰恶劣的环境下还应采用铠装型双绞线屏蔽电缆（ASTP-120Ω for RS-485 &CAN one pair 18 AWG）。在使用RS-485接口时，对于特定的传输线路，从RS-485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，这个长度主要数据由信号失真及噪声等影响所确定。理论上，通信速率在100Kbps及以下时，RS-485的最长传输距离可达1200m，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8个中继，也就是说理论上RS-485的最大传输距离可以达到9.6km。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5～10km，而采用单模光纤可达50km的传播距离。

4.RS-485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 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。

在RS-485组网过程中另一个需要注意的问题是终端负载电阻问题，在设备距离短的情况下不加终端负载电阻整个网络能很好地工作，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。终端电阻在RS-485网络中取120Ω，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100～120Ω。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。

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中。

还有一种采用二极管的匹配方法，这种方法虽未实现真正的“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。

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。

5.RS-485的功能

PC与智能设备通信多借助RS-232C、RS-485、以太网等方式，主要取决于设备的接口规范。但RS-232C、RS-485只能代表通信的物理介质层和链路层，如果要实现数据的双向访问，就必须自己编写通信应用程序，但这种程序多数都不能符合ISO/OSI的规范，只能实现较单一的功能，适用于单一设备类型，程序不具备通用性。在RS-232C或RS-485设备连成的设备网中，如果设备数量超过两台，就必须使用RS-485做通信介质，RS-485网的设备间要想互通信息只有通过主（Master）设备中转才能实现，这个主设备通常是PC，而这种设备网中只允许存在一个主设备，其余全部是从（Slave）设备。而现场总线技术是以ISO/OSI模型为基础的，具有完整的软件支持系统，能够解决总线控制、冲突检测、链路维护等问题。

RS-485是一点对多点的通信接口，一般采用双绞线的结构。普通的PC一般不带RS-485接口，因此要使用RS-232C/RS-485转换器。对于单片机可以通过芯片MAX485来完成TTL/RS-485的电平转换。在计算机和单片机组成的RS-485通信系统中，下位机由单片机系统组成，上位机为普通的PC，负责监视下位机的运行状态，并对其状态信息进行集中处理，以图文方式显示下位机的工作状态，以及工业现场被控设备的工作状况。系统中各节点（包括上位机）的识别是通过设置不同的站地址来实现的。