通信接口技術

第五章通信接口技術

通信接口是智能儀器的重要組成部分之一。通信接口是智能儀器之間或者智能儀器與計算機之間進行信息交換和傳輸?shù)穆?lián)絡裝置。按通信方式分類，可分為并行通信和串行通信兩種。串行總線有RS322C、RS485、I2C總線、USB及現(xiàn)場總線等。5.1串行通信接口5.1.1串行通信的概念串行通信：一條信息的各位數(shù)據(jù)被逐位按順序傳送的通訊方式稱為串行通訊。串行通訊的特點是：數(shù)據(jù)位傳送，傳按位順序進行，最少只需一根傳輸線即可完成，成本低但送速度慢。串行通訊的距離可以從幾米到幾千米。根據(jù)信息的傳送方向，串行通訊可以進一步分為單工、半雙工和全雙工三種。5.1.2串行通信的基本方式（a）同步通信（b）異步通信5.1.3串行通信協(xié)議

異步通信協(xié)議規(guī)定每個字符以位串行方式傳輸，每個串行數(shù)據(jù)由起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位和停止位組成。串行傳輸數(shù)據(jù)格式如下圖所示，具體定義如下：

在異步通信中，接收和發(fā)送雙方必須保持相同的傳輸速率。傳輸速率即波特率，它是以每秒傳輸?shù)亩M制位數(shù)來度量的，單位為比特/秒(b/s)。規(guī)定的波特率有50、75、110、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200、38400等。在異步串行通信中，通信雙方必須持相同的傳輸波特率，并以每個字符數(shù)據(jù)的起始位來進行同步，同時“數(shù)據(jù)格式”即起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶位和停止位的約定，在同一次傳輸過程中也要保持一致，這樣才能保證成功地進行數(shù)據(jù)傳輸。5.2RS-232C串行通信接口RS-232C對電器特性、邏輯電平和各種信號線功能都作了規(guī)定。在TxD和RxD上：邏輯1(MARK)=-3V～-15V

邏輯0(SPACE)=+3～＋15V在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制線上：信號有效（接通，ON狀態(tài)，正電壓）=+3V～+15V信號無效（斷開，OFF狀態(tài)，負電壓)=-3V～-15VRS23C連接器的機械特性串口通信基本接線方法

9針串口（DB9）

25針串口（DB25）

針號功能說明縮寫針號功能說明縮寫1數(shù)據(jù)載波檢測DCD8數(shù)據(jù)載波檢測DCD2接收數(shù)據(jù)RXD3接收數(shù)據(jù)RXD3發(fā)送數(shù)據(jù)TXD2發(fā)送數(shù)據(jù)TXD4數(shù)據(jù)終端準備DTR20數(shù)據(jù)終端準備DTR5信號地GND7信號地GND6數(shù)據(jù)設備準備好DSR6數(shù)據(jù)準備好DSR7請求發(fā)送RTS4請求發(fā)送RTS8清除發(fā)送CTS5清除發(fā)送CTS9振鈴指示RI22振鈴指示RI實際應用AB

2

4

14325最簡連接簡單連接完全連接電平轉(zhuǎn)換芯片介紹

傳輸線驅(qū)動器MC1488和接收器MC1489傳輸線驅(qū)動器MC1488內(nèi)部邏輯圖接收器MC1489內(nèi)部邏輯圖單電源供電的雙RS23收發(fā)器ICL2325.3RS-485/RS422

RS-422由RS-232發(fā)展而來，它是為彌補RS-232之不足而提出的。為改進RS-232通信距離短、速率低的缺點，RS-422定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到10Mb/s，傳輸距離延長到4000英尺（速率低于100kb/s時），并允許在一條平衡總線上連接最多個接收器。

RS-422是一種單機發(fā)送、多機接收的單向、平衡傳輸規(guī)范。

RS-485標準，增加了多點、雙向通信能力，即允許多個發(fā)送器連接到同一條總線上，同時增加了發(fā)送器的驅(qū)動能力和沖突保護特性，擴展了總線共模范圍。

RS-485是RS-422的變形，RS-422A是全雙工，兩對平衡差分信號線分別用于發(fā)送和接收，所以采用RS422A接口通信時最少需要4根線。RS-485為半雙工，只有一對平衡差分信號線，不能同時發(fā)送和接收，最少只需二根連線。

RS-422、RS-485與RS-232一樣，標準只對接口的電氣特性做出規(guī)定，而不涉及接插件、電纜或協(xié)議，在此基礎上用戶可以建立自己的高層通信協(xié)議。因此在視頻界的應用，許多廠家都建立了一套高層通信協(xié)議。1)RS-422與RS-485串行接口標準

(1)平衡傳輸

RS-422、RS-485與RS-232不一樣，數(shù)據(jù)信號采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸，它使用一對雙絞線，將其中一線定義為A，另一線定義為B。

（2）RS-485、RS-422的電氣特性

發(fā)送A、B之間：正電平在+2～+6V； 負電平在-2～+6V。接收A、B之間：正邏輯電平大于+200mV； 負邏輯電平小于-200mV。

另有一個信號地C，在RS-485中還有一“使能”端，而在RS-422中這是可用可不用的。“使能”端是用于控制發(fā)送驅(qū)動器與傳輸線的切斷與連接。當“使能”端起作用時，發(fā)送驅(qū)動器處于高阻狀態(tài)。

（3）電氣規(guī)定

RS-422標準全稱是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”，它定義了接口電路的特性。圖5是典型的RS-422四線接口。實際上還有一根信號地線，共5根線。圖4是其DB9連接器引腳定義。由于接收器采用高輸入阻抗和發(fā)送驅(qū)動器比RS232更強的驅(qū)動能力，故允許在相同傳輸線上連接多個接收節(jié)點，最多可接10個節(jié)點。

RS-422需要一終接電阻，要求其阻值約等于傳輸電纜的特性阻抗。在矩距離傳輸時可不需終接電阻，即一般在300米以下不需終接電阻。終接電阻接在傳輸電纜的最遠端。

RS-485是從RS-422基礎上發(fā)展而來的，所以RS-485許多電氣規(guī)定與RS-422相仿。如都采用平衡傳輸方式、都需要在傳輸線上接終接電阻等。RS-485可以采用二線與四線方式，二線制可實現(xiàn)真正的多點雙向通信。而采用四線連接時，與RS-422一樣只能實現(xiàn)點對多的通信，即只能有一個主（Master）設備，其余為從設備，但它比RS-422有改進，無論四線還是二線連接方式總線上可多接到32個設備。RS-232C、RS-422A、RS485性能比較

接口性能RS-232CRS-422ARS-485操作方式單端差動方式差動方式最大距離/m15(24kb/s)1200(100kb/s)1200(100kb/s)最大速率200kb/s10Mb/s10Mb/s最大驅(qū)動器數(shù)目1132最大接收器數(shù)目11032接收靈敏度±3V±200mV±200mV驅(qū)動器輸出阻抗300Ω60kΩ120kΩ接收器負載阻抗3～7kΩ>4kΩ>12kΩ負載阻抗3～7kΩ100Ω60Ω對共用點電壓范圍/V±25-0.25～+6-7～122）RS-422與RS-485的網(wǎng)絡安裝注意要點

RS-422可支持10個節(jié)點，RS-485支持32個節(jié)點。網(wǎng)絡拓撲一般采用終端匹配的總線型結(jié)構，不支持環(huán)形或星形網(wǎng)絡。在構建網(wǎng)絡時，應注意:(1)采用一條雙絞線電纜作總線，將各個節(jié)點串接起來，從總線到每個節(jié)點的引出線長度應盡量短，以便使引出線中的反射信號對總線信號的影響最低。

(2)應注意總線特性阻抗的連續(xù)性，在阻抗不連續(xù)點就會發(fā)生信號的反射。下列幾種情況易產(chǎn)生這種不連續(xù)性：總線的不同區(qū)段采用了不同電纜，或某一段總線上有過多收發(fā)器緊靠在一起安裝，再者是過長的分支線引出到總線?？傊瑧撎峁┮粭l單一、連續(xù)的信號通道作為總線。

圖所示為實際應用中常見的一些錯誤連接方式（a，c，e）和正確的連接方式（b，d，f）。a，c，e這三種網(wǎng)絡連接盡管不正確，在短距離、低速率仍可能正常工作，但隨著通信距離的延長或通信速率的提高，其不良影響會越來越嚴重，主要原因是信號在各支路末端反射后與原信號疊加，會造成信號質(zhì)量下降。

3）RS-422與RS-485傳輸線上匹配

RS-422與RS-485總線網(wǎng)絡一般要使用終接電阻進行匹配。但在短距離與低速率下可以不用考慮終端匹配。那么在什么情況下不用考慮匹配呢？

配的一條經(jīng)驗性的原則：當信號的轉(zhuǎn)換時間（上升或下降時間）超過電信號沿總線單向傳輸所需時間的3倍以上時就可以不加匹配。例如具有限斜率特性的RS-485接口MAX483輸出信號的上升或下降時間最小為250ns，典型雙絞線上的信號傳輸速率約為0.2m/ns（24AWGPVC電纜），那么只要數(shù)據(jù)速率在250kb/s以內(nèi)、電纜長度不超過16米，采用MAX483作為RS-485接口時就可以不加終端匹配。

一般終端匹配采用終接電阻方法，RS-422在總線電纜的遠端并接電阻，RS-485則應在總線電纜的開始和末端都需并接終接電阻。終接電阻一般在RS-422網(wǎng)絡中取100Ω，在RS-485網(wǎng)絡中取120Ω。這種匹配方法簡單有效，但有一個缺點，匹配電阻要消耗較大功率，對于功耗限制比較嚴格的系統(tǒng)不太適合。另外一種比較省電的匹配方式是RC匹配，如左圖。利用一只電容C隔斷直流成分可以節(jié)省大部分功率。但電容C的取值是個難點，需要在功耗和匹配質(zhì)量間進行折衷。

還有一種采用二極管的匹配方法，如右圖。這種方案雖未實現(xiàn)真正的“匹配”，但它利用二極管的鉗位作用能迅速削弱反射信號，達到改善信號質(zhì)量的目的。節(jié)能效果顯著。MAX4815.3RS485通信接口的防護方法5.3.1防雷電路中的元器件1）氣體放電管氣體放電管是一種開關型保護器件，工作原理是氣體放電。當兩極間電壓足夠大時，極間間隙將放電擊穿，由原來的絕緣狀態(tài)轉(zhuǎn)化為導電狀態(tài)，類似短路。導電狀態(tài)下兩極間維持的電壓很低，一般在20～50V，因此可以起到保護后級電路的效果。氣體放電管的通流量比壓敏電阻和TVS管要大，氣體放電管與TVS等保護器件合用時應使大部分的過電流通過氣體放電管泄放，因此氣體放電管一般用于防護電路的最前級，其后級的防護電路由壓敏電阻或TVS管組成。

氣體放電管主要可應用在交流電源口相線、中線的對地保護；直流RTN和保護地之間的保護；信號口線對地的保護；天饋口饋線芯線對屏蔽層的保護。2）壓敏電阻壓敏電阻是一種限壓型保護器件。利用壓敏電阻的非線性特性，當過電壓出現(xiàn)在壓敏電阻的兩極間，壓敏電阻可以將電壓鉗位到一個相對固定的電壓值，從而實現(xiàn)對后級電路的保護。壓敏電阻的響應時間比空氣放電管快，比TVS管稍慢一些；壓敏電阻的結(jié)電容一般在幾百到幾千pF的數(shù)量級范圍，一般不宜直接應用在高頻信號線路的保護電路中。

壓敏電阻主要可用于直流電源、交流電源、低頻信號線路、帶饋電的天饋線路。3）瞬態(tài)抑制二極管（TVS）

TVS（TransientVoltageSuppression）是一種限壓保護器件，作用與壓敏電阻很類似。也是利用器件的非線性特性將過電壓鉗位到一個較低的電壓值實現(xiàn)對后級電路的保護。TVS的響應時間是限壓型浪涌保護器件中最快的。用于電子電路的過電壓保護時其響應速度都可滿足要求。

TVS管的結(jié)電容根據(jù)制造工藝的不同，大體可分為兩種類型，高結(jié)電容型TVS一般在幾百～幾千pF的數(shù)量級，低結(jié)電容型TVS的結(jié)電容一般在幾pF～幾十pF的數(shù)量級。一般分立式TVS的結(jié)電容都較高，表貼式TVS管中兩種類型都有。在高頻信號線路的保護中，應主要選用低結(jié)電容的TVS管。TVS管的非線性特性比壓敏電阻好，具有壓敏電阻更理想的殘壓輸出。在很多需要精細保護的電子電路中，應用TVS管是比較好的選擇。TVS管的通流容量在限壓型浪涌保護器中是最小的，一般用于最末級的精細保護，因其通流量小，一般不用于交流電源線路的保護，直流電源的防雷電路使用TVS管時，一般還需要與壓敏電阻等通流容量大的器件配合使用。

4）正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC）

PTC是一種限流保護器件，它有一個動作溫度值TS，當其本體內(nèi)溫度低于TS時，其阻值維持基本恒定，這時的阻值稱為冷電阻。當正溫度系數(shù)電阻本體那溫度高于TS時，其阻值迅速增大，可以達到的最大阻值能過比冷電阻值打10000倍左右。由于它的阻值可以隨溫度升高而迅速增大，所以一般串聯(lián)于線上用作暫態(tài)大電流的過流保護。PTC在信號線及電源線路上都有應用。5.3.2

RS485防護電路1）室外走線RS485口防雷電路當信號線走線較長，可能出戶外時，端口的防護等級要求較高，此時可采用下圖的防護電路。電路采用氣體放電管、電阻、快恢復二極管、TVS管組成，其中氣體放電管將線纜引入的大部分雷擊過電流泄放。電阻的作用是用于兩級電路間的配合，由TVS管和快恢復二極管組成的橋式電路是第2級防雷電路，進一步降低防雷器輸出的殘壓，從而有效的保護后級設備。

G1為三極氣體放電管3R097CXA，主要起共模保護；R1、R2為2W/4.7歐姆電阻，阻值在不影響信號傳輸質(zhì)量的情況下可以再取大一些；整流橋四周和對地共六個二極管為快恢復二極管MURS120T3，整流橋中間為TVS管SM6T6V8A，起后級的共模和差模保護的作用。

該電路一般用于被保護端口的信號速率不高的情況。2）室內(nèi)走線RS485口防雷電路當接口用于小于10米的框間通信時，可根據(jù)需要確定是否加防護電路。單點防護電路一點對多點防護電路5.4通用串行總線USB

USB（UniversalSerialBus）通用串行總線是由Compaq、DigitalEquipment、Intel、Microsoft、IBM、NEC及NorthernTelecom等7家公司聯(lián)合開發(fā)的一種流行的外設接口標準。1996年2月公布了USB1.0版本，傳輸速率有低速1.5Mbps和高速12Mbps兩種模式。USB2.0已于2000年4月27日由Compaq、HP、Intel、Lucent、Micrsoft、NEC、Philips正式對外發(fā)布，作為新一代USB標準，USB2.0兼容所有USB1.0外部設備及電纜線等，傳輸速率達480Mbps。USB2.0不僅使USB大大提速，而且使更多的設備可以經(jīng)USB連接到PC。

5.4.1USB的性能特點

傳輸速度快

連接簡單快捷

通用連接器

無須外接電源

擴充外設能力強 1）傳輸速度快 USB1.0提供了兩種速度：USB低速1.5Mbps，低速的USB支持低速設備，例如，調(diào)制解調(diào)器、鍵盤、鼠標、優(yōu)盤、硬盤、光驅(qū)、網(wǎng)卡、掃描儀、數(shù)碼相機等；USB全速12Mbps，它用于大范圍的多媒體設備。而USB2.0的數(shù)據(jù)傳輸速度可以高達480Mbps。2）連接簡單快捷USB連接簡單快捷，可以進行熱插拔。即設備連到USB時，不必打開機箱，也不必關閉主機電源。

3）通用連接器

USB用一種通用的連接器可以連接多種類型的外設，其外型為4針插頭。

VBUSD—GNDD+VBUSD+D—GND4）無須外接電源

由USB總線提供電源到外部設備，USB能提供+5V/500mA的電源，供低功耗USB設備如USB鍵盤、USB鼠標、優(yōu)盤等作電源使用；但需高功耗的USB設備,如掃描儀等仍需自帶電源；USB還采用APM（AdvancedPowerManagement）技術，可以有效地節(jié)省電源功耗。

5）擴充外設能力強USB采用星形層式結(jié)構和Hub技術，允許一個USB主控機可以連接多達127個外設。兩個外設間的距離可達5米，擴充方便。5.4.2USB的物理接口和電氣特性1）接口信號線

2）電氣特性

D+、D-線電氣特性：無驅(qū)動：高速VD+＞

2.7V,

VD-＜0.8V,低速反之；有驅(qū)動：高速VD+＞

2.0V,

VD-＜2.0V,低速反之。收發(fā)器：對地電源電壓為4.75~5.25V，設備吸入的最大電流值為500mA

，D+、D-上不加電壓；USB設備：高速在D+上加3.0~3.6V電壓,低速反之。3）USB設備及其描述器（1）USB設備

USB設備分成Hub設備和功能設備兩種

（2）管道管道是從邏輯概念上來描述信息傳輸?shù)耐ǖ溃?）端點（4）USB描述器

（a）設置描述器（b）設備描述器（c）端點描述器（d）接口描述器

5.4.3USB系統(tǒng)組成及拓撲結(jié)構1）USB系統(tǒng)的組成

USB的軟硬件USB主控制器/根集線器

USB集線器(USBHub)USB設備USB設備驅(qū)動程序

USB驅(qū)動程序

USB主控制器驅(qū)動程序2）USB系統(tǒng)拓撲結(jié)構

（1）USB主機——USB總線——USB設備物理結(jié)構是層迭式星形拓撲（USB拓撲結(jié)構）主機設備根集線器設備設備設備設備集線器集線器設備設備設備（2）USB設備USB主控制器/根集線器

主控制器負責將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行，并將數(shù)據(jù)傳給根集線器。根集線器控制USB端口的電源，激活和禁止端口，識別與端口相連的設備，設置和報告與每個端口相連的狀態(tài)事件。

USB集線器(USBHub)

完成USB設備的添加（擴展）、刪除和電源管理等。

USB設備

HUB設備和功能設備（外設），外設含一定數(shù)量獨立的寄存器端口（端點）。外設有一個惟一的地址。通過這個地址和端點號，主機軟件可以和每個端點通信。數(shù)據(jù)的傳送是在主機軟件和USB設備的端點之間進行的。（3）USB的軟件

USB設備驅(qū)動程序

在USB外設中，通過I/O請求包將請求發(fā)送給USB設備。

USB驅(qū)動程序

在設備設置時讀取描述器以獲取USB設備的特征，并根據(jù)這些特征，在請求發(fā)生時組織數(shù)據(jù)傳輸。USB驅(qū)動程序可以是捆綁在操作系統(tǒng)中，也可以是以可裝載的驅(qū)動程序形式加入到操作系統(tǒng)中。

USB主控制器驅(qū)動程序

完成對USB交換的調(diào)度，并通過根Hub或其他的Hub完成對交換的初始化。

5.4.4

USB數(shù)據(jù)流類型◆USB數(shù)據(jù)流類型有四種：控制信號流、塊數(shù)據(jù)流、中斷數(shù)據(jù)流、實時數(shù)據(jù)流。

1）控制信號流:

控制信號流的作用是當USB設備一旦加入系統(tǒng)時，USB系統(tǒng)軟件與設備之間建立起控制信號流來發(fā)送控制信號，這種數(shù)據(jù)不允許出錯或丟失

2）

實時數(shù)據(jù)流:實時數(shù)據(jù)流用于傳輸連續(xù)的固定速率的數(shù)據(jù)，它所需要的帶寬與所傳輸數(shù)據(jù)的采樣率有關。因為實時數(shù)據(jù)流要求有固定的速率和低延時，在USB系統(tǒng)中，專門對此操作進行了設計，盡量保證有較大的緩沖區(qū)，并確保有低的誤碼率3）塊數(shù)據(jù)流:通常用于發(fā)送大量數(shù)據(jù)

4）中斷數(shù)據(jù)流:用于傳輸少量隨機輸入信號。它包括事件通知信號、輸入字符或坐標等信息

5.4.5

USB的傳輸類型

◆USB有4種基本的傳輸類型（與USB數(shù)據(jù)流類型對應）批傳輸：單/雙向，用于大批數(shù)據(jù)傳輸，要求準確，出錯重傳。時間性不強?？刂苽鬏敚弘p向，用于配置設備或特殊用途，發(fā)生錯誤需重傳。每個設備必須要用端點0完成USB主機檢測時和主機交換信息的控制傳送。中斷傳輸：單向入主機，用于隨機少量傳送。采用查詢中斷方式，出錯下一查詢周期重新傳。等時傳輸：單/雙向，用于連續(xù)實時的數(shù)據(jù)傳輸，時間性強，但出錯無需重傳。傳輸速率固定。5.4.6USB交換的包格式標志包數(shù)據(jù)包握手包一次交換（事務處理）等時傳輸無握手包交換完畢，進入幀結(jié)束間隔區(qū)發(fā)送方把D+和D-上的電壓降低到0