第五章-5.1-4-通信接口技术要点课件.ppt

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、SPI、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,为弥补RS-232之不足及改进RS-232通信距离短、速率低的缺点，提出了RS-422通信标准，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 RS-422、RS-485与RS-232不一样，数据信号采用差分传输方式，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。,RS-485的信号在传送出去之前会先分解成正负对称的两条线路（即我们常说的A、B信号线），当到达接收端后，再将信号相减还原成原来的信号。发送驱动器A、B之间的正电平在+2+6V，是一个逻辑状态；负电平在-2-6V，是另一个逻辑状态；另有一个信号地C，在RS-485中还有一“使能”端。“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，称作“第三态”，即它是有别于逻辑“1”与“0”的第三态。接收器也与发送端相对的电平逻辑规定，收、发端通过平衡双绞线将AA与BB对应相连，当在接收端AB之间(DT)(D+)-(D-)有大于+200mV的电平时，输出正逻辑电平，小于-200mV时，输出负逻辑电平。接收器接收平衡线上的电平范围通常在200mV至6V之间。,RS-485的信号在传送出去之前会先分解成正负对称的两条线路（即我们常说的A、B信号线），当到达接收端后，再将信号相减还原成原来的信号。如果将原来的信号标注为(DT)，而被分解后的信号分别标注为(D+)和(D-)，则原始信号与分解后的信号在由传输端传送出去时的运算关系如下：(DT)=(D+)-(D-)同样地，接收端在接收到信号后，也按上式的关系将信号还原成原来的样子。如果此线路受到干扰时，在两条传输线上的信号会分别成为（D+）+Noise 和（D-）+Noise,如果接收端接收此信号，它必须按照一定的方式将其合成，合成的方程式如下：(DT)=(D+Noise)-(D-)+Noise(D+)-(D-)此方程与前一方程式的结果是一样的，干扰信号被抵消。因此在RS-485网络传输中要求两根信号线缆必须进行对绞，进一步降低信号的共模干扰。,线缆的双绞要求及抗干扰原理,阻抗匹配及手拉手方式要求（通信电缆中的信号反射）,在通信过程中，有两种情况会导致信号反射：阻抗不连续和阻抗不匹配。阻抗不连续，信号在传输线末端突然遇到电缆阻抗很小甚至没有，信号在这个地方就会引起反射，如图1所示。这种信号反射的原理，与光从一种媒质进入另一种媒质要引起反射是相似的。,消除这种反射的方法，就必须在电缆的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻，使电缆的阻抗连续。由于信号在电缆上的传输是双向的，因此，在通讯电缆的另一端可跨接一个同样大小的终端电阻，如图2所示。,从理论上分析，在传输电缆的末端只要跨接了与电缆特性阻抗相匹配的终端电阻，就再也不会出现信号反射现象。但是，在实现应用中，由于传输电缆的特性阻抗与通讯波特率等应用环境有关，特性阻抗不可能与终端电阻完全相等，因此或多或少的信号反射还会存在。,引起信号反射的另一个原因是数据收发器与传输电缆之间的阻抗不匹配。这种原因引起的反射，主要表现在通讯线路处在空闲方式时，整个网络数据混乱。信号反射对数据传输的影响，归根结底是因为反射信号触发了接收器输入端的比较器，使接收器收到了错误的信号，导致CRC校验错误或整个数据帧错误。要减弱反射信号对通讯线路的影响，通常采用噪声抑制和加偏置电阻的方法。在实际应用中，对于比较小的反射信号，为简单方便，经常采用加偏置电阻的方法,2）RS-485的网络安装注意要点（1）485总线一定要用双绞线，在没有大的电磁干扰场合，可以不加屏蔽，但一定要双绞。采用屏蔽双绞线有助于减少和消除两根485通信线之间产生的分布电容以及来自于通讯线周围产生的共模干扰。建议使用双绞屏蔽RVSP2*0.5，线材阻抗120欧姆最佳。（2）在同一个网络系统中，必须使用同一种电缆，尽量减少线路中的接点。接点处确保焊接良好，包扎紧密，避免松动和氧化。（3）接地线，485收发器在规定的共模电压-7V至+12V之间时，才能正常工作。如果超出此范围会影响通讯，严重的会损坏通讯接口。共模干扰会增大上述共模电压。消除共模干扰的有效手段之一是将485通讯线的屏蔽层用作地线，将机具、电脑等网络中的设备地连接在一起。,（4）布线尽量远离高压电线，不要与电源线并行，更不能捆扎在一起。（5）当总线长度超过100米后，应在最后一台485设备的485+和485-上并接 120欧姆的终端电阻，通讯稳定性增加。(D6米)（6）当总线长度超过200米后，建议在最后一个设备的485+和485-上并接一个120欧姆的终端电阻。若系统加了中继器，应该在中继器的进线端485+和485-上并接一个120欧姆的终端电阻，中继器出线端最后一个设备也要并接终端电阻。（7）485总线一定要是手拉手式的总线结构,坚决杜绝星型连接和分叉连接。,图所示为实际应用中常见的一些错误连接方式（a，b，c）和正确的连接方式（d，e，f）。（a，b，c）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。,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。,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，传输速率有低速1.5Mbps和高速12Mbps两种模式。USB 2.0已于2000年4月27日由Compaq、HP、Intel、Lucent、Micrsoft、NEC、Philips正式对外发布，作为新一代USB标准，USB 2.0兼容所有USB 1.0外部设备及电缆线等，传输速率达480Mbps。USB 2.0不仅使USB大大提速，而且使更多的设备可以经USB连接到PC。,5.4.1 USB的性能特点,传输速度快连接简单快捷通用连接器无须外接电源 扩充外设能力强,1）传输速度快 USB 1.0 提供了两种速度：USB低速1.5Mbps，低速的USB支持低速设备，例如，调制解调器、键盘、鼠标、优盘、硬盘、光驱、网卡、扫描仪、数码相机等；USB全速12Mbps，它用于大范围的多媒体设备。而USB 2.0的数据传输速度可以高达480Mbps。2）连接简单快捷 USB连接简单快捷，可以进行热插拔。即设备连到USB时，不必打开机箱，也不必关闭主机电源。,3）通用连接器 USB用一种通用的连接器可以连接多种类型的外设，其外型为4针插头。,4）无须外接电源 由USB总线提供电源到外部设备，USB能提供+5V/500mA的电源，供低功耗USB设备如USB键盘、USB鼠标、优盘等作电源使用；但需高功耗的USB设备,如扫描仪等仍需自带电源；USB还采用APM（Advanced Power Management）技术，可以有效地节省电源功耗。,5）扩充外设能力强 USB采用星形层式结构和Hub技术，允许一个USB主控机可以连接多达127个外设。两个外设间的距离可达5米，扩充方便。,5.4.2 USB的物理接口和电气特性,1）接口信号线,2）电气特性,D+、D-线电气特性：无驱动：高速VD+2.7V,VD-0.8V,低速反之；有驱动：高速VD+2.0V,VD-2.0V,低速反之。,收发器：对地电源电压为4.755.25V，设备吸入的最大电流值为500mA，D+、D-上不加电压；USB设备：高速在D+上加3.03.6V电压,低速反之。,3）USB设备及其描述器,（1）USB设备 USB设备分成Hub设备和功能设备两种（2）管道 管道是从逻辑概念上来描述信息传输的通道（3）端点（4）USB描述器（a）设置描述器（b）设备描述器（c）端点描述器（d）接口描述器,5.4.3 USB系统组成及拓扑结构,1）USB系统的组成,USB的软硬件,USB主控制器/根集线器 USB集线器(USB Hub)USB设备,USB设备驱动程序 USB驱动程序 USB主控制器驱动程序,2）USB系统拓扑结构,（1）USB主机USB总线USB设备物理结构是层迭式星形拓扑（USB拓扑结构）,（2）USB设备,USB主控制器/根集线器 主控制器负责将并行数据转换成串行，并将数据传给根集线器。根集线器控制USB端口的电源，激活和禁止端口，识别与端口相连的设备，设置和报告与每个端口相连的状态事件。USB集线器(USB Hub)完成USB设备的添加（扩展）、删除和电源管理等。USB设备 HUB设备和功能设备（外设），外设含一定数量独立的寄存器端口（端点）。外设有一个惟一的地址。通过这个地址和端点号，主机软件可以和每个端点通信。数据的传送是在主机软件和USB设备的端点之间进行的。,（3）USB的软件,USB设备驱动程序 在USB外设中，通过I/O请求包将请求发送给USB设备。USB驱动程序 在设备设置时读取描述器以获取USB设备的特征，并根据这些特征，在请求发生时组织数据传输。USB驱动程序可以是捆绑在操作系统中，也可以是以可装载的驱动程序形式加入到操作系统中。USB主控制器驱动程序 完成对USB交换的调度，并通过根Hub或其他的Hub完成对交换的初始化。,5.4.4 USB数据流类型,USB数据流类型有四种：控制信号流、块数据流、中断数据流、实时数据流。,1）控制信号流:控制信号流的作用是当USB设备一旦加入系统时，USB系统软件与设备之间建立起控制信号流来发送控制信号，这种数据不允许出错或丢失2）实时数据流:实时数据流用于传输连续的固定速率的数据，它所需要的带宽与所传输数据的采样率有关。因为实时数据流要求有固定的速率和低延时，在USB系统中，专门对此操作进行了设计，尽量保证有较大的缓冲区，并确保有低的误码率3）块数据流:通常用于发送大量数据 4）中断数据流:用于传输少量随机输入信号。它包括事件通知信号、输入字符或坐标等信息,5.4.5 USB的传输类型,USB有4种基本的传输类型（与USB数据流类型对应）,批传输：单/双向，用于大批数据传输，要求准确，出错重传。时间性不强。,控制传输：双向，用于配置设备或特殊用途，发生错误需重传。每个设备必须要用端点0完成USB主机检测时和主机交换信息的控制传送。,中断传输：单向入主机，用于随机少量传送。采用查询中断方式，出错下一查询周期重新传。,等时传输：单/双向，用于连续实时的数据传输，时间性强，但出错无需重传。传输速率固定。,5.4.6 USB交换的包格式,标志包,数据包,握手包,一次交换（事务处理）,交换完毕，进入帧结束间隔区发送方把D+和D-上的电压降低到0.8V以下，并保持2个位的传输时间，然后维持1个位传输时间的J状态表示包结束，之后进入闲置状态。,每次交换均由主机发起，对中断传输，亦由主机发送查询包取得中断信息。,帧结束间隔区,包的一般格式,SYNC,PID,包特定信息,CRC,8位,8位,n位,5位或16位,SYNC：同步序列,PID：包标识别，发送从低位到高位,所有数据发发送都时从低位开始向高位发送,数据为10000000b,PID,PID的反码,包的种类及格式标记包,(1)帧开始包（SOF）（一帧持续时间为1ms）,编码,数据,0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1,LSb,MSb,(2)接受包,(3)发送包,接受交换包括了全部4种传输类型,接受交换:根Hub广播接受包目标设备返回数据包根发握手包（等时传输无握手包）,发送交换:根Hub广播发送包根发数据包目标设备发握手包（批传输才有握手包）,发送交换包括了除等时传输外的其他3种传输类型,数据包,(4)设置包,控制传输开始由主机发设置包，后面可能由一个或多个IN或OUT交换，或只包含一个从端点传到主机的状态。,握手包,特殊包,数据接受方发向数据发送方,只有SYNC和PID组成主机希望与低速设备进行低速传输的时候发此包PID域应该高速（全速）发送。PID之后，在低速数据包传输之前要延迟4个高速字节时间低速设备只支持控制传输与中断传输与低速设备交换数据只有8字节,