工業(yè)通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教案第1頁課程題目第9講現(xiàn)場(chǎng)總線——UART·Modbus（1）基于UART的串行通信基本特征與節(jié)點(diǎn)的一般構(gòu)成、EIA/TIA/RS232接口標(biāo)準(zhǔn)、EIA/TIA/RS485接口標(biāo)準(zhǔn)課時(shí)2學(xué)時(shí)教學(xué)目的：掌握EIA/TIA/RS232和EIA/TIA/RS485的接口標(biāo)準(zhǔn)；掌握基于UART的串行通信基本特征與節(jié)點(diǎn)的一般構(gòu)成。教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)：重點(diǎn)：EIA/TIA/RS232和EIA/TIA/RS485的接口標(biāo)準(zhǔn)；難點(diǎn)：兩標(biāo)準(zhǔn)的電平轉(zhuǎn)換芯片及接口電路。教學(xué)方法與手段：方法：講授法；手段：課堂教學(xué)。教學(xué)內(nèi)容與課時(shí)分配：基于UART的串行通信基本特征、EIA/TIA/RS232接口標(biāo)準(zhǔn)；1學(xué)時(shí)EIA/TIA/RS485接口標(biāo)準(zhǔn)。1學(xué)時(shí)教具：作業(yè)與思考：教學(xué)后記：備注教學(xué)內(nèi)容工業(yè)通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教案第2頁備注教學(xué)內(nèi)容第9講現(xiàn)場(chǎng)總線——UART·Modbus（1）一、概述UART指通用異步收發(fā)器（UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter），即是采用異步串行通信方式的接口/裝置。線路簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易。目前大多數(shù)微控制器都支持UART通信。1、基于UART的串行通信的基本特征圖4-1異步串行通信字符幀格式1)當(dāng)傳輸線（總線）上沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，總線處于空閑狀態(tài)“1”。2)發(fā)送器發(fā)送一幀數(shù)據(jù)（字符幀）時(shí)，首先發(fā)送一個(gè)起始位“0”標(biāo)志一幀的起始。3)發(fā)送器在發(fā)送起始位后，緊接著發(fā)送由5-8個(gè)二進(jìn)制位組成的數(shù)據(jù)位（字符）。每一幀數(shù)據(jù)首先發(fā)送數(shù)據(jù)最低位，最后發(fā)送數(shù)據(jù)最高位。4)數(shù)據(jù)位發(fā)送完后，可以選擇一個(gè)奇偶校驗(yàn)位，用于校驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸是否正確?？梢赃x擇奇校驗(yàn)，也可以選擇偶校驗(yàn)，還可以選擇無校驗(yàn)。5)最后發(fā)送停止位（停止元素），用以表示一幀的結(jié)束。停止位為“1”，可以是1位、1.5位或2位。圖4-2基于UART的串行通信節(jié)點(diǎn)硬件的一般構(gòu)成二、EIA/TIA/RS-232接口標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)名詞解釋：EIA（ElectronicIndustriesAssociation）：美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)；TIA（TelecommunicationsIndustryAssociation）：美國(guó)電信工業(yè)協(xié)會(huì)；RS（RecommendedStandard）：推薦標(biāo)準(zhǔn)；EIA/TIA/RS-232是EIA（ElectronicIndustriesAssociation）制定的物理接口標(biāo)準(zhǔn)；EIA/TIA/RS-232標(biāo)準(zhǔn)全稱：數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)和數(shù)據(jù)線路端接設(shè)備（DCE）間使用串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)交換的接口（InterfaceBetweenDataTerminalEquipmentandDataCircuitTerminatingEquipmentEmployingSerialBinaryDataInterchange）；EIA-232可以應(yīng)用在計(jì)算機(jī)、調(diào)制解調(diào)器、掃描儀、打印機(jī)等設(shè)備上；1、機(jī)械特性與電氣特性圖4-325芯和9芯插座EIA-232的接口為非平衡型：每根信號(hào)用一根導(dǎo)線；所有信號(hào)回路共用一根地線；這樣的連接方式抗干擾能力較低。通信速率：20kbps以內(nèi)；通信距離：15m以內(nèi)；信號(hào)電平（負(fù)邏輯）；邏輯1：-3V~-15V之間（數(shù)據(jù)線上：傳號(hào)Mark；控制線上：OFF狀態(tài)）；邏輯0：+3V~+15V之間（數(shù)據(jù)線上：空號(hào)Space；控制線上：ON狀態(tài)）。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定驅(qū)動(dòng)端與接收端之間必須保證2V的噪聲容限：在驅(qū)動(dòng)端提供的一個(gè)邏輯電平在-5V~-15V之間，另一個(gè)邏輯電平在+5V~+15V之間。圖4-4電氣連接圖2、功能特性與過程特性DB25和DB9各引腳的功能分配分別如表4-1和表4-2所示。表中所說的“發(fā)送”和“接收”都是從DTE（數(shù)據(jù)終端設(shè)備）的角度來說的。表4-1DB25引腳定義續(xù)表4-1表4-2DB9引腳定義2）DB25中常用的也就是DB9中定義的9根線，下面詳細(xì)說明DB9中各信號(hào)的含義：（a）數(shù)據(jù)載波檢測(cè)DCD：這是DCE向DTE發(fā)出的狀態(tài)信息，指明從通信線路上收到的載波信號(hào)是否已經(jīng)進(jìn)入指定的范圍。當(dāng)DCD=ON時(shí)，表示接收信號(hào)已經(jīng)進(jìn)入指定范圍，此時(shí)RxD上的數(shù)據(jù)是有效的。當(dāng)DCD=OFF時(shí)，表示接收信號(hào)尚未進(jìn)入規(guī)定的范圍，此時(shí)DTE不能接收RxD上的數(shù)據(jù)。（b）接收數(shù)據(jù)RxD：這是DTE接收DCE發(fā)來數(shù)據(jù)的引線。當(dāng)DCE不向DTE發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，該線上的電壓為-12V。DB9中的2號(hào)線對(duì)于DTE來說是接收數(shù)據(jù)線，對(duì)于DCE來說是發(fā)送數(shù)據(jù)線。（c）發(fā)送數(shù)據(jù)TxD：這是DTE向DCE發(fā)送數(shù)據(jù)的引線。當(dāng)DTE不向DCE發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，該線上的電壓為為-12V。DB9中的3號(hào)線對(duì)于DTE來說是發(fā)送數(shù)據(jù)線，對(duì)于DCE來說是接收數(shù)據(jù)線。（d）數(shù)據(jù)終端就緒DTR：這是DTE向DCE發(fā)送的握手信號(hào)。當(dāng)DTR=ON時(shí)，表示DTE處于就緒狀態(tài)，希望本地DCE和遠(yuǎn)程DCE之間建立通信信道。當(dāng)DTR=OFF時(shí)，DCE將停止通信。（e）信號(hào)地SG：EIA-232接口中所有電信號(hào)的公共回路，通過該引線將DTE和DCE的信號(hào)關(guān)聯(lián)起來。（f）數(shù)據(jù)設(shè)備就緒DSR：這是DCE向DTE發(fā)送的握手信號(hào)。當(dāng)DSR=ON時(shí)，表示本地DCE已和通信信道連通；當(dāng)DSR=OFF時(shí)，表示本地DCE還沒準(zhǔn)備好。（g）請(qǐng)求發(fā)送RTS：這是DTE向DCE發(fā)出的握手信號(hào)。當(dāng)RTS=ON時(shí)，表示DTE請(qǐng)求向DCE發(fā)送數(shù)據(jù)；當(dāng)RTS=OFF時(shí)，表示DTE不想發(fā)送數(shù)據(jù)。在DTE有數(shù)據(jù)要發(fā)送或正在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，RTS都要保持ON狀態(tài)。（h）允許發(fā)送CTS：這是DCE向DTE發(fā)出的握手信號(hào)。DCE收到DTE的RTS信號(hào)后延遲一段給定時(shí)間后給出該信號(hào)。當(dāng)CTS=ON時(shí)，表示DCE已經(jīng)準(zhǔn)備好發(fā)送數(shù)據(jù)；當(dāng)CTS=OFF時(shí)，表示DCE還沒準(zhǔn)備好，不能發(fā)送數(shù)據(jù)。（i）振鈴指示RI：這是DCE向DTE發(fā)出的狀態(tài)信息。表示本地DCE是否正在接收遠(yuǎn)程DCE的振鈴信號(hào)。當(dāng)RI=ON時(shí)，表示正在接收振鈴信號(hào)；當(dāng)RI=OFF時(shí)，表示不在接收振鈴信號(hào)。3）EIA-232規(guī)定了DTE/DCE之間的控制信號(hào)與數(shù)據(jù)信號(hào)的發(fā)送時(shí)序、應(yīng)答關(guān)系及操作過程等內(nèi)容。示例：DTE發(fā)送數(shù)據(jù)過程。（a）當(dāng)DTE要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，置EIA-232的DTR（數(shù)據(jù)終端就緒）為高電平（ON狀態(tài)），通知本地DCE（如Modem）已準(zhǔn)備好。如果本地DCE也已做好準(zhǔn)備，即連接成功，DCE向DTE發(fā)送DSR（數(shù)據(jù)設(shè)備就緒）信號(hào)。（b）DTE置RTS（請(qǐng)求發(fā)送）為高電平（ON狀態(tài)），通知本地DCE請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)。本地DCE檢測(cè)到RTS信號(hào)后，一方面向遠(yuǎn)端發(fā)送載波，另一方面通過延時(shí)電路控制CTS（允許發(fā)送）的接通（變?yōu)镺N狀態(tài)）。CTS需要延時(shí)接通是因?yàn)檫h(yuǎn)程DCE從載波到達(dá)至給出DCD（數(shù)據(jù)載波檢測(cè)）信號(hào)需要一段時(shí)間t。為了保證數(shù)據(jù)能被遠(yuǎn)程DCE正確接收，本地CTS的延時(shí)T應(yīng)該大于t。遠(yuǎn)程DCE檢測(cè)到載波后，置DCD為ON狀態(tài)，通知遠(yuǎn)程的DTE準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。（c）DTE檢測(cè)到CTS變?yōu)镺N狀態(tài)后，通過TxD發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)遠(yuǎn)程DTE通過RxD接收數(shù)據(jù)。（d）DTE發(fā)送完數(shù)據(jù)后，置RTS為OFF狀態(tài)，通知本地DCE發(fā)送結(jié)束。本地DCE檢測(cè)到RTS后，停止發(fā)送載波，并置CTS為OFF狀態(tài)。遠(yuǎn)程DCE檢測(cè)不到載波后，置DCD為OFF狀態(tài)。（e）本地DTE置DTR線為OFF狀態(tài)，通知DCE釋放連接。DCE檢測(cè)到DTR的OFF狀態(tài)后，置DSR為OFF狀態(tài)作為回答，至此發(fā)送數(shù)據(jù)過程結(jié)束。3、常用連接方法EIA-232是連接DTE和DCE的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際應(yīng)用中既有DTE與DCE之間的連接，也有DTE與DTE之間的連接。使用調(diào)制解調(diào)器（Modem）遠(yuǎn)程連接；圖4-5使用調(diào)制解調(diào)器（Modem）遠(yuǎn)程連接2）空調(diào)制解調(diào)器（NullModem）連接（DTE與DTE的直接連接方式）；（a）三線制連接(b)三線制加自握手連接式(c)互握手多線制連接方式圖4-6用于EIA-232的電平轉(zhuǎn)換芯片及接口4、用于EIA-232的電平轉(zhuǎn)換芯片及接口由于EIA-232邏輯電平與TTL電平不兼容，因此在與TTL電平電路一起使用時(shí)必須加上適當(dāng)?shù)碾娖睫D(zhuǎn)換電路。圖4-7MC1488圖4-8MC1489圖4-9MC1488和MC1489構(gòu)成的EIA-232接口電路使用MC1488、MC1489的接口電路需要外接±12V對(duì)稱電源，電路比較復(fù)雜。因此，一些公司推出了使用單電源的電平轉(zhuǎn)換芯片，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，如常用的Maxim公司的芯片MAX232。圖4-10MAX232芯片圖4-11MAX232典型工作電路MAX232芯片使用+5V單電源供電。圖4-12MAX232構(gòu)成的EIA-232接口電路5、EIA-232接口標(biāo)準(zhǔn)的缺點(diǎn)1）傳輸距離短。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的直接連接的最大傳輸距離僅為15m，遠(yuǎn)距離程傳輸時(shí)需要使用Modem，而在工業(yè)控制應(yīng)用中往往要求不使用Modem。2）單端信號(hào)對(duì)地傳輸，信號(hào)易受共模噪聲干擾。3）傳輸速率低。因易受噪聲干擾，故傳輸速率不高，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最高傳輸速率不超過20kbps。4）不能用于多點(diǎn)互連系統(tǒng)。三、EIA/TIA/RS-485接口標(biāo)準(zhǔn)EIA/TIA/RS-485標(biāo)準(zhǔn)全稱：用于平衡數(shù)字多點(diǎn)系統(tǒng)的發(fā)送器和接收器的電氣特性標(biāo)準(zhǔn)（StandardforElectricalCharacteristicsofGeneratorsandReceiversforUseinBalancedDigitalMultipointSystems）。EIA-485是EIA-422的變型。EIA-485是其它一些現(xiàn)場(chǎng)總線的物理層的接口標(biāo)準(zhǔn)（或之一），如Modbus、Profibus、Interbus、LonWorks、P-NET、BACnet、BITBus等。表4-3EIA-485技術(shù)參數(shù)及與EIA-232、EIA-422之比較圖4-13EIA-485電氣連接圖EIA-485的兩根差分信號(hào)線分別記作A線、B線，以A和B之間的電位差來表示邏輯電平。驅(qū)動(dòng)端A和B之間的電位差輸出范圍為±2V~±6V，接收端A和B之間可以檢測(cè)的輸入電壓VAB的絕對(duì)值的最小值為200mV，即要求VAB≤-200mV，或VAB≥200mV。EIA-485規(guī)定，在接收端，當(dāng)A線電位VA比B線電位VB低200mV以上時(shí)，即當(dāng)VAB=VA-VB<-0.2V時(shí)，認(rèn)為是二進(jìn)制1（OFF狀態(tài)）；當(dāng)A線電位VA比B線電位VB高200mV以上，即當(dāng)VAB=VA-VB>0.2V時(shí)，認(rèn)為是二進(jìn)制0（ON狀態(tài)）。2、EIA-485的端口連接EIA-485常用于組成主從式多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。在大多數(shù)情況下，EIA-485的端口連接都采用兩線制連接方式。圖4-14典型的EIA-485兩線制半雙工連接方式當(dāng)需要全雙工通信時(shí)，發(fā)送信道和接收信道應(yīng)該相互獨(dú)立，此時(shí)EIA-485可采用四線制連接方式。主站的驅(qū)動(dòng)器和接收器及所有從站的接收器可以一直處于使能狀態(tài)。圖4-15典型的EIA-485四線制主從式全雙工連接任何時(shí)候應(yīng)該只能有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器處于發(fā)送狀態(tài)，其它驅(qū)動(dòng)器必須處于高阻態(tài)，這是通過驅(qū)動(dòng)器上的發(fā)送使能端控制的。若有兩個(gè)或多個(gè)驅(qū)動(dòng)器同時(shí)工作，當(dāng)一個(gè)或多個(gè)試圖發(fā)送邏輯1，一個(gè)或多個(gè)試圖發(fā)送邏輯0時(shí)，會(huì)在某些器件中產(chǎn)生大電流。因此符合EIA-485標(biāo)準(zhǔn)的接口芯片都具有限流和過熱關(guān)閉功能，以便保護(hù)器件。主站不能同時(shí)請(qǐng)求多個(gè)從站，否則會(huì)引起沖突。在一個(gè)沒有中繼器的系統(tǒng)中最多只能有兩個(gè)終端電阻，分別并聯(lián)于傳輸線的首尾兩端，通常取值120Ω。當(dāng)EIA-485網(wǎng)絡(luò)處于空閑狀態(tài)時(shí)，所有的節(jié)點(diǎn)應(yīng)處于只聽（接收）狀態(tài)。這時(shí)沒有驅(qū)動(dòng)器處于發(fā)送狀態(tài)，所有驅(qū)動(dòng)器均處于高阻態(tài)。沒有任何驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，則傳輸線狀態(tài)不確定。因此，應(yīng)當(dāng)為網(wǎng)絡(luò)添加偏置電阻使其處于確定狀態(tài)。圖4-16兩線制連接網(wǎng)絡(luò)中帶偏置電阻的收發(fā)器3、用于EIA-485的電平轉(zhuǎn)換芯片及接口電路常用的EIA-485接口芯片有Maxim公司的MAX481/483/485/487/488/489/490/491系列低功耗收發(fā)器。每種型號(hào)的芯片內(nèi)部均集成了一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)接收器（構(gòu)成一個(gè)收發(fā)器），符合EIA-422/EIA-485接口標(biāo)準(zhǔn)。MAX48X/MAX49X系列芯片特點(diǎn)：使用+5V單電源供電；0.1μA低電流關(guān)閉模式（MAX481／483／487）；低功耗，靜態(tài)工作電流：MAX483/487/488/489為120μA，MAX481/485/490/491為300μA；限制轉(zhuǎn)換速率的無差錯(cuò)數(shù)據(jù)傳輸（MAX483／487／488／489）；共模輸入電壓范圍-7V~+12V；總線上最大可連接128個(gè)收發(fā)器（MAX487）；具有電流限制和熱關(guān)斷特性的驅(qū)動(dòng)器過載保護(hù)。表4-4MAX48X/MAX49X系列芯片性能比較MAX48X/MAX49X系列芯片引腳分布及典型工作電路：MAX481/483/485/487芯片為8引腳封裝，適用于半雙工通信，其引腳分布與典型工作電路如圖4-17所示。圖（a）中，上圖和下圖分別為DIP/SO、μMAX封裝的引腳分布圖；圖（b）中，傳輸線為雙絞線，Rt為終端匹配電阻。對(duì)于圖4-17（b），在實(shí)際應(yīng)用中，往往將DE與/RE連在一起，即在任意時(shí)刻，DE與/RE只能有一個(gè)有效或均無效（呈高阻態(tài)）。（a）引腳分布圖（b）典型工作電路圖4-17MAX481/483/485/487引腳分布及典型工作電路MAX488/490芯片也為8引腳封裝，其驅(qū)動(dòng)器輸出與接收器輸入引腳是分開的，便于組成全雙工通信，其引腳分布與典型工作電路如圖4-18所示。圖中，傳輸線為雙絞線，Rt為終端匹配電阻。（a）引腳分布圖（b）典型工作電路圖4-18MAX488/490引腳分布及典型工作電路MAX489/491芯片為14引腳封裝，也用于全雙工通信，相比MAX488/490增加了和DE引腳。其引腳分布與典型工作電路如圖4-19所示。圖中，傳輸線為雙絞線，Rt為終端匹配電阻。（a）引腳分布圖（b）典型工作電路