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最详细介绍 RS232、RS485、RS422、串口与握手基础知识

来源:济南磐龙笔记本交换机维修作者:济南磐龙工控机维修网址:http://www.pldtwx.com


详细介绍 RS232RS485RS422、串口与握手基础知识



一、RS232基础知识


  个人计算机上的通讯接口之一,由电子工业协会(ElectronicIndustriesAssociaTIonEIA)所制定的异步传输标准接口。通常RS-232接口以9个引脚(DB-9)或是25个引脚(DB-25)的型态出现,一般个人计算机上会有两组RS-232接口,分别称为COM1COM2


在多数情况下主要使用主通道,对于一般双工通信,仅需几条信号线就可实现,如一条发送线、一条接收线及一条地线。

RS-232-C标准规定的数据传输速率为507510015030060012002400480096001920038400波特。RS-232-C标准规定,驱动器允许有2500pF的电容负载,通信距离将受此电容限制,例如,采用150pF/m的通信电缆时,最大通信距离为15m;若每米电缆的电容量减小,通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送,存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题,因此一般用于20m以内的通信。具体通讯距离还与通信速率有关,例如,在9600pbs时,普通双绞屏蔽线时,距离可达30-35米。

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  rs232的特点:

  (1)接口的信号电平值较高,易损坏接口电路的芯片,又因为与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。

  (2)传输速率较低,在异步传输时,波特率为20Kbps;因此在CPLD开发板中,综合程序波特率只能采用19200,也是这个原因。

  (3)接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式,这种共地传输容易产生共模干扰,所以抗噪声干扰性弱。

  (4)传输距离有限,最大传输距离标准值为50英尺,实际上也只能用在15米左右。

  传输电缆:

  RS-232-C标准规定的数据传输速率为每秒5075100150300600120024004800960019200波特,驱动器允许有2500pF的电容负载,通信距离将受此电容限制。

  例如,采用150pF/m的通信电缆时,最大通信距离为15m;若每米电缆的电容量减小,通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送,存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题,因此一般用于20m以内的通信。

  由RS-232C标准规定在码元畸变小于4%的情况下,传输电缆长度应为50英尺,其实这个4%的码元畸变是很保守的,在实际应用中,约有99%的用户是按码元畸变10-20%的范围工作的,所以实际使用中最大距离会远超过50英尺,美国DEC公司曾规定允许码元畸变为10%而得出下面实验结果。其中1号电缆为屏蔽电缆,型号为DECP.NO.9107723内有三对双绞线,每对由22#AWG组成,其外覆以屏蔽网。2号电缆为不带屏蔽的电缆。型号为DECP.NO.9105856-0422#AWG的四芯电缆。

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  链路层:

  在RS-232标准中,字符是以一系列位元来一个接一个的传输。最长用的编码格式是异步起停asynchronousstart-stop格式,它使用一个起始位后面紧跟78个数据比特,这个可能是奇偶位,然后是两个停止位。所以发送一个字符需要10比特,带来的一个好的效果是使全部的传输速率,发送信号的速率以10分划。

  串行通信在软件设置里需要做多项设置,最常见的设置包括波特率、奇偶校验和停止位。波特率是指从一设备发到另一设备的波特率,即每秒钟多少比特bitspersecondbit/s)。典型的波特率是30012002400960019200bit/s。一般通信两端设备都要设为相同的波特率,但有些设备也可以设置为自动检测波特率。

  奇偶校验Parity是用来验证数据的正确性。奇偶校验一般不用,如果使用,那么既可以做奇校验也可以做偶校验。奇偶校验是通过修改每一发送字节(也可以限制发送的字节)来工作的。如果不作奇偶校验,那么数据是不会被改变的。在偶校验中,因为奇偶校验位会被相应的置10(一般是最高位或最低位),所以数据会被改变以使得所有传送的数位(含字符的各数位和校验位)中“1”的个数为偶数;在奇校验中,所有传送的数位(含字符的各数位和校验位)中“1”的个数为奇数。奇偶校验可以用于接受方检查传输是否发送生错误——如果某一字节中“1”的个数发生了错误,那么这个字节在传输中一定有错误发生。如果奇偶校验是正确的,那么要么没有发生错误要么发生了偶数个的错误。

  停止位是在每个字节传输之后发送的,它用来帮助接受信号方硬件重同步。

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  在串行通信软件设置中D/P/S是常规的符号表示。8/N/1(非常普遍)表明8bit数据,没有奇偶校验,1bit停止位。数据位可以设置为78或者9,奇偶校验位可以设置为无(N)、奇(O)或者偶(E),奇偶校验位可以使用数据中的比特位,所以8/E/1就表示一共8位数据位,其中一位用来做奇偶校验位。停止位可以是11.5或者2位的(1.5是用在波特率为60wpm的电传打字机上的)。

  二、RS485基础知识

  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。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。

  rs485特点:

  1.RS-485的电气特性:采用差分信号正逻辑,逻辑“1”以两线间的电压差为+2~6V表示;逻辑”0“以两线间的电压差为-2~6V表示。接口信号电平比RS-232-C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,传输速率越低,传输距离越长,如果需传输比RS-485最大通信距离更长的距离,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。

  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120Ω)的RS485专用电缆(STP-120ΩforRS485&CANonepair18AWG),而在干扰恶劣的环境下还应采用铠装型双绞屏蔽电缆(ASTP-120ΩforRS485&CANonepair18AWG)。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所影响。理论上,通信速率在100Kbps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10.8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。

  传输速率与传输距离:

  RS-485的数据最高传输速率为10Mbps,最大的通信距离约为1219M,传输速率与传输距离成反比,在10Kb/S的传输速率下,才可以达到最大的通信距离。

  但是由于RS-485常常要与PC机的RS-232口通信,所以实际上一般最高115.2Kbps。又由于太高的速率会使RS-485传输距离减小,所以往往为9600bps左右或以下。

  三、RS422基础知识

  RS-422标准全称是平衡电压数字接口电路的电气特性,它定义了接口电路的特性。实际上还有一根信号地线,共5根线。由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器比RS232更强的驱动能力,故允许在相同传输线上连接多个接收节点,最多可接10个节点。一个主设备(Master),其余为从设备(Slave),从设备之间不能通信,所以RS-422支持点对多的双向通信。接收器输入阻抗为4k,故发端最大负载能力是10&TImes;4k+100Ω(终接电阻)。

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  RS422特性:

  RS-422四线接口由于采用单独的发送和接收通道,因此不必控制数据方向,各装置之间任何必须的信号交换均可以按软件方式(XON/XOFF握手)或硬件方式(一对单独的双绞线)。RS-422的最大传输距离为4000英尺(约1219米),最大传输速率为10Mb/s。其平衡双绞线的长度与传输速率成反比,在100kb/s速率以下,才可能达到最大传输距离。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为1Mb/s

  RS-422需要一终接电阻,要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。在短距离传输时可不需终接电阻,即一般在300米以下不需终接电阻。终接电阻接在传输电缆的最远端。

  RS422有关电气参数:

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  四、RS232RS422RS485的区别

  RS-232是最常见的串口,是大部分兼容Windows的桌面计算机的一个标准组件。如今通过USBRS-232转换器使用RS-232更为常见。RS-232只允许每根线使用一个发送器和接收器。RS-232也使用全双工双数方式。NI某些RS-232板卡支持的波特率最高达1Mb/s,但大部分设备限于115.2kb/s及以下。

  RS-422EIARS-422-AStandard)是传统Apple计算机的串口连接标准。该标准机制下的最高数据传输速度可达10Mb/sRS-422使用两根线发送每个信号,以增加最大波特率和线缆长度。RS-422还指定用于多点通讯应用,一个发送器连接到最多10个接收器的总线并发送数据。

  RS-485RS-422的扩展集,对这些能力进行了扩展。RS-485解决了RS-422处理多点通讯的限制,通过同一数据线通信时最多允许32个设备。RS-485总线上的任意从设备都可以与任意其他32个从设备进行通信,无需经由主设备。由于RS-422RS-485的子集,因而所有RS-422设备可能受RS-485控制。

  RS-485RS-422都支持多点通讯能力,但RS-485可允许最多32个设备,而RS-422的限制为10个。对于这两种串行通讯协议,您都需要自己添加终端匹配电路。所有NIRS-485板卡都兼容RS-422标准。

  下表对工作模式、驱动器和接收器总数、最大线缆长度和最大数据速率进行了比较。

  标准RS-232RS-422RS-485

  工作模式单端差分差分

  单根线上的驱动器/接收器数1个驱动器

  1个接收器1个驱动器

  10个接收器32个驱动器*

  32个接收器

  最大缆线长度50ft2500pF4000ft4000ft

  最大数据速率(最大线缆长度时)160kb/s(最高可达1Mb/s10Mb/s10Mb/s

  表3RS-232RS-422RS-485规范

  *同一时间只有一个驱动器活动

  *同一时间只有一个驱动器活动

  五、串口与握手基础知识

  (一)串口基础知识

  串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议(不要与通用串行总线UniversalSerialBus或者USB混淆)。大多数计算机包含两个基于RS232的串口。串口同时也是仪器仪表设备通用的通信协议;很多GPIB兼容的设备也带有RS-232口。同时,串口通信协议也可以用于获取远程采集设备的数据。

  串口通信的概念非常简单,串口按位(bit)发送和接收字节。尽管比按字节(byte)的并行通信慢,但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。它很简单并且能够实现远距离通信。比如IEEE488定义并行通行状态时,规定设备线总常不得超过20米,并且任意两个设备间的长度不得超过2米;而对于串口而言,长度可达1200米。

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  典型地,串口用于ASCII码字符的传输。通信使用3根线完成:(1)地线,(2)发送,(3)接收。由于串口通信是异步的,端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。其他线用于握手,但是不是必须的。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。对于两个进行通行的端口,这些参数必须匹配:

  1、波特率

  这是一个衡量通信速度的参数。它表示每秒钟传送的bit的个数。例如300波特表示每秒钟发送300bit。当我们提到时钟周期时,我们就是指波特率例如如果协议需要4800波特率,那么时钟是4800Hz。这意味着串口通信在数据线上的采样率为4800Hz。通常电话线的波特率为144002880036600。波特率可以远远大于这些值,但是波特率和距离成反比。高波特率常常用于放置的很近的仪器间的通信,典型的例子就是GPIB设备的通信。

  2、数据位

  这是衡量通信中实际数据位的参数。当计算机发送一个信息包,实际的数据不会是8位的,标准的值是578位。如何设置取决于你想传送的信息。比如,标准的ASCII码是01277位)。扩展的ASCII码是02558位)。如果数据使用简单的文本(标准ASCII码),那么每个数据包使用7位数据。每个包是指一个字节,包括开始/停止位,数据位和奇偶校验位。由于实际数据位取决于通信协议的选取,术语指任何通信的情况。

  3、停止位

  用于表示单个包的最后一位。典型的值为11.52位。由于数据是在传输线上定时的,并且每一个设备有其自己的时钟,很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束,并且提供计算机校正时钟同步的机会。适用于停止位的位数越多,不同时钟同步的容忍程度越大,但是数据传输率同时也越慢。

  4、奇偶校验位

  在串口通信中一种简单的检错方式。有四种检错方式:偶、奇、高和低。当然没有校验位也是可以的。对于偶和奇校验的情况,串口会设置校验位(数据位后面的一位),用一个值确保传输的数据有偶个或者奇个逻辑高位。例如,如果数据是011,那么对于偶校验,校验位为0,保证逻辑高的位数是偶数个。如果是奇校验,校验位位1,这样就有3个逻辑高位。高位和低位不真正的检查数据,简单置位逻辑高或者逻辑低校验。这样使得接收设备能够知道一个位的状态,有机会判断是否有噪声干扰了通信或者是否传输和接收数据是否不同步。

  (二)握手基础知识

  RS-232通行方式允许简单连接三线:TxRx和地线。但是对于数据传输,双方必须对数据定时采用使用相同的波特率。尽管这种方法对于大多数应用已经足够,但是对于接收方过载的情况这种使用受到限制。这时需要串口的握手功能。在这一部分,我们讨论三种最常用的RS-232握手形式:软件握手、硬件握手和Xmodem

  1、软件握手

  我们讨论的第一种握手是软件握手。通常用在实际数据是控制字符的情况,类似于GPIB使用命令字符串的方式。必须的线仍然是三根:TxRx和地线,因为控制字符在传输线上和普通字符没有区别,函数SetXModem允许用户使能或者禁止用户使用两个控制字符XONOXFF。这些字符在通信中由接收方发送,使发送方暂停。

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  例如:假设发送方以高波特率发送数据。在传输中,接收方发现由于CPU忙于其他工作,输入buffer已经满了。为了暂时停止传输,接收方发送XOFF,典型的值是十进制19,即十六进制13,直到输入buffer空了。一旦接收方准备好接收,它发送XON,典型的值是十进制17,即十六进制11,继续通信。输入buffer半满时,LabWindows发送XOFF。此外,如果XOFF传输被打断,LabWindows会在buffer达到75%和90%时发送XOFF。显然,发送方必须遵循此守则以保证传输继续。

  2、硬件握手

  第二种是使用硬件线握手。和TxRx线一样,RTS/CTSDTR/DSR一起工作,一个作为输出,另一个作为输入。第一组线是RTSRequesttoSend)和CTSCleartoSend)。当接收方准备好接收数据,它置高RTS线表示它准备好了,如果发送方也就绪,它置高CTS,表示它即将发送数据。另一组线是DTRDataTerminalReady)和DSRDataSetReady)。这些现主要用于Modem通信。使得串口和Modem通信他们的状态。例如:当Modem已经准备好接收来自PC的数据,它置高DTR线,表示和电话线的连接已经建立。读取DSR线置高,PC机开始发送数据。一个简单的规则是DTR/DSR用于表示系统通信就绪,而RTS/CTS用于单个数据包的传输。

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  在LabWindows,函数SetCTSMode使能或者禁止使用硬件握手。如果CTS模式使能,LabWindows使用如下规则:当PC发送数据:RS-232库必须检测CTS线高后才能发送数据。

  当PC接收数据:

  如果端口打开,且输入队列有空接收数据,库函数置高RTSDTR

  如果输入队列90%满,库函数置低RTS,但使DTR维持高电平。

  如果端口队列近乎空了,库函数置高RTS,但使DRT维持高电平。

  如果端口关闭,库函数置低RTSDTR

  3XModem握手

  最后讨论的握手叫做XModem文件传输协议。这个协议在Modem通信中非常通用。尽管它通常使用在Modem通信中,XModem协议能够直接在其他遵循这个协议的设备通信中使用。在LabWindows中,实际的XModem应用对用户隐藏了。只要PC和其他设备使用XModem协议,在文件传输中就使用LabWindowsXModem函数。函数是XModemConfigXModemSendXModemReceive

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  XModem使用介于如下参数的协议:start_of_dataend_of_dataneg_ackwait_delaystart_delaymax_triespacket_size。这些参数需要通信双方认定,标准的XModem有一个标准的定义:然而,可以通过XModemConfig函数修改,以满足具体需要。这些参数的使用方法由接收方发送的字符neg_ack确定。这通知发送方其准备接收数据。它开始尝试发送,有一个超时参数start_delay;当超时的尝试超过max_TIes次数,或者收到接收方发送的start_of_data,发送方停止尝试。如果从发送方收到start_of_data,接收方将读取后继信息数据包。包中含有包的数目、包数目的补码作为错误校验、packet_size字节大小的实际数据包,和进一步错误检查的求和校验值。在读取数据后,接收方会调用wait_delay,然后想发送方发送响应。如果发送方没有收到响应,它会重新发送数据包,直到收到响应或者超过重发次数的最大值max_tries。如果一直没有收到响应,发送方通知用户传输数据失败。

  由于数据必须以pack_size个字节按包发送,当最后一个数据包发送时,如果数据不够放满一个数据包,后面会填充ASCIINULL0)字节。这导致接收的数据比原数据多。在XModem情况下一定不要使用XON/XOFF,因为XModem发送方发出包的数目很可能增加到XON/OFF控制字符的值,从而导致通信故障。


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