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1、串行通信与现场总线技术,2012-02-09,串行通信现场总线技术,目录,接口：针对设备而言，两个不同系统(或设备，程序)交接并通过它彼此作用的部分。在计算机系统中，CPU和外部通信有两种通信方式：并行通信和串行通信。并行通信，即数据的各位同时传送；串行通信，即数据一位一位顺序传送。下图为这两种通信方式的示意图。,串行通信,串行通信的分类 按照串行数据的时钟控制方式，串行通信可分为同步通信和异步通信两类。1.异步通信（Asynchronous Communication）在异步通信中，被接收端一帧一帧地接收。发送端和接收端可以由各自独立的时数据通常是以字符为单位组成字符帧传送的。字符帧由发送端
2、一帧一帧地发送，每一帧数据均是低位在前，高位在后，通过传输线时钟来控制数据的发送和接收，这两个时钟彼此独立，互不同步。在异步通信中，接收端是依靠字符帧格式来判断发送端是何时开始发送，何时结束发送的。字符帧格式是异步通信的一个重要指标。,1)字符帧（Character Frame）字符帧也叫数据帧，由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位等4部分组成，如图所示。,图1 异步通信的字符帧格式(a)无空闲位字符帧；(b)有空闲位字符帧,(1)起始位：位于字符帧开头，只占一位，为逻辑0低电平，用于向接收设备表示发送端开始发送一帧信息。(2)数据位：紧跟起始位之后，用户根据情况可取5位、6位、7位或8位，低
3、位在前高位在后。(3)奇偶校验位：位于数据位之后，仅占一位，用来表征串行通信中采用奇校验还是偶校验，由用户决定。(4)停止位：位于字符帧最后，为逻辑1高电平。通常可取1位、1.5位或2位，用于向接收端表示一帧字符信息已经发送完，也为发送下一帧作准备。,在串行通信中，两相邻字符帧之间可以没有空闲位，也可以有若干空闲位，这由用户来决定。2)波特率（baud rate）异步通信的另一个重要指标为波特率。波特率为每秒钟传送二进制数码的位数，也叫比特数，单位为b/s，即位/秒。波特率用于表征数据传输的速度，波特率越高，数据传输速度越快。但波特率和字符的实际传输速率不同，字符的实际传输速率是每秒内所传字符
4、帧的帧数，和字符帧格式有关。通常，异步通信的波特率为9600115200 b/s。,异步通信的优点是不需要传送同步时钟，字符帧长度不受限制，故设备简单。缺点是字符帧中因包含起始位和停止位而降低了有效数据的传输速率。2.同步通信（Synchronous Communication）同步通信是一种连续串行传送数据的通信方式，一次通信只传输一帧信息。这里的信息帧和异步通信的字符帧不同，通常有若干个数据字符在同步通信中，同步字符可以采用统一的标准格式，也可以由用户约定。,图2 同步通信的字符帧格式(a)单同步字符帧格式；(b)双同步字符帧格式,串行通信的制式 在串行通信中数据是在两个站之间进行传送的，
5、按照数据传送方向，串行通信可分为单工（simplex）、半双工（half duplex）和全双工（full duplex）三种制式。,串行通信的接口电路 串行接口电路的种类和型号很多。能够完成异步通信的硬件电路称为UART，即通用异步接收器/发送器（Universal Asychronous Receiver/Transmitter）；能够完成同步通信的硬件电路称为USRT（Universal Sychronous Receiver/Transmitter）；既能够完成异步又能同步通信的硬件电路称为USART（Universal Sychronous Asychronous Receiver/
6、Transmitter）；从本质上说，所有的串行接口电路都是以并行数据形式与CPU接口，以串行数据形式与外部逻辑接口。它们的基本功能都是从外部逻辑接收串行数据，转换成并行数据后传送给CPU，或从CPU接收并行数据，转换成串行数据后输出到外部逻辑。,RS-232、RS-422 与RS-485 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。RS-232C接口 RS-232C是使用最早、应用最多的一种异步串行通信总线标准。它是美国电子工业协会（EIA）1962年公布，1969年最后修定而成的。其中，RS表示Recommended Standar
7、d，232是该标准的标识号，C表示最后一次修定。RS-232C主要用来定义计算机系统的一些数据终端设备（DTE）和数据电路终接设备（DCE）之间的电气性能。RS（recommeded standard）代表推荐标准,例如单片机与PC机的通信也是采用该种类型的接口。由于单片机本身有一个全双工的串行接口，因此该系列单片机用RS-232C串行接口总线非常方便。RS-232C串行接口总线适用于：设备之间的通信距离不大于15 m，传输速率最大为20 kb/s。1.RS-232C信息格式标准 RS-232C采用串行格式，该标准规定：信息的开始为起始位，信息的结束为停止位；信息本身可以是5、6、7、8位再加
8、一位奇偶校验位。如果两个信息之间无信息，则写“1”，表示空。,2.RS-232C电气特性 EIA-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传输速率较低，在异步传输时，波特率最大为20Kbps。机械特性：连接器：由于RS-232C 并未定义连接器的物理特性，因此，出现了DB-25、DB-15和DB-9 各种类型的连接器，其引脚的
9、定义也各不相同。下面分别介绍两种连接器。,目前较为常用的串口有9针串口（DB9）和25针串口（DB25），通信距离较近时(12m)，可以用电缆线直接连接标准RS232端口(RS422,RS485较远)，若距离较远，需附加调制解调器（MODEM）。最为简单且常用的是三线制接法，即地、接收数据和发送数据三脚相连，,9和DB25的常用信号脚说明,TTL（Transistor-Transistor Logic，晶体管-晶体管逻辑电路）电平信号被利用的最多是因为通常数据表示采用二进制规定，+5V等价于逻辑“1”，0V等价于逻辑“0”，这被称做TTL（晶体管-晶体管逻辑电平）信号系统。在数字电路中最小输入
10、高电平和低电平：输入高电平=2.0V，输入低电平=0.8V，噪声容限是0.4V。,另一种常用的电平转换电路是MAX232。下图为MAX232的引脚图。,RS-232C虽然使用很广，但由于推出时间比较早，所以在现代通信网络中已暴露出明显的缺点，主要表现在：（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。（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。,RS485，RS422RS-422、RS
11、-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，,RS485采用二线差分平衡传输，其信号定义如下：RS-485的电气特性：RS-485总线上的A正（高）B负（低）电平对应的是逻辑“1”，而RS-485总线上的A负（低）B正（高）电平对应的是逻辑“0”。一般地，A与B之间的正负（高低）电压之差在(0.26)V之间。而发送时，最小差动输出 1.5V，最大差动输出 6V，接收器敏感度 0.2 V，最大发送/接收器数量 32。另有一个信号地C。在RS-485 器件中，一般还有一个“使能”控制信号。“使能”信号用于控制发送发送
12、器与传输线的切断与连接，当“使能”端起作用时，发送发送器处于高阻状态，称作“第三态”，它是有别于逻辑“1”与“0”的第三种状态。,RS422：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。RS-485的数据最高传输速率为10MbpsRS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达 3000米。在许多工业过程控制中，往往要求用最少的信号线来完成通信任务。目前广泛应用的RS-485串行接口总线就是为适应这种需要应运而生的。它实际就是RS-422总线的变型，二者不同之处在于：RS-422为全双工，采用两对差分平衡信号
13、线；而RS-485为半双工，只需一对平衡差分信号线。,RS-485更适合于多站互连（已经具备了现场总线的概念），一个发送驱动器最多可连接大于32个负载设备，负载设备可以是被动发送器、接收器和收发器。其电路结构是在平衡连接的电缆上挂接发送器、接收器或组合收发器，且在电缆两端各挂接一个终端电阻用于消除两线间的干扰。,硬件线路上，RS-422至少需要4根通信线，而RS-485仅需2根；RS-422不能采用总线方式通信，但可以采用环路方式通信，而RS-485两者均可。通信方式上，RS-422（两路收，两路发）可以全双工，而RS-485只能半双工。,RS485与RS422区别,4-20mA.DC(1-5
14、V.DC)信号制是国际电工委员会(IEC):过程控制系统用模拟信号标准。在工业现场，如果采集的信号经调理后是电压信号并且进行长线传输，会产生以下问题：第一，由于传输的信号是电压信号，传输线会很容易就受到噪声的干扰；第二，传输线的分布电阻会产生电压降；第三，在现场如何提供仪表放大器的工作电压也是个问题。,4-20mA接口,为了解决上述问题和避开相关噪声的影响，工业现场大量采用电流来传输信号。采用电流信号的原因是不容易受干扰。并且电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米。上限取20mA 是因为防爆的要求：20mA 的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯，而低于
15、4mA 高于20mA 的信号用于各种故障的报警下限。只所以没有取0mA 的原因是为了能检测断线：正常工作时不会低于4mA，当传输线因故障断路，环路电流降为0。,420mA 电流环有两种类型：二线制和三线制。当监控系统需要通过长线驱动现场的驱动器件如阀门等时，一般采用三线制变送器，这里电流输出模块位于监控的系统端，由系统直接向电流输出模块供电，供电电源是二根电流传输线以外的第三根线。二线系统是电流输出模块和传感器位于现场端，由于现场供电困难，一般是接收端利用420mA 的电流环线缆向远端的电流输出模块供电，通过420mA 来反映信号的大小。,所谓两线制即电源、负载串联在一起，有一公共点，而现场变
16、送器与控制室仪表之间的信号联络及供电仅用两根电线，这两根电线既是电源线又是信号线。其供电为24V.DC，输出信号为420mA.DC三/四线制电流环有专门的供电线。由于420mA.信号制的普及和应用，在控制系统应用中为了便于连接，就要求信号制的统一，为此要求一些非电动单元组合的仪表，如在线分析、机械量、电量等仪表，能采用输出为4-20mA.信号制，但是由于其转换电路复杂、功耗大等原因，难于全部满足上述的三个条件，而无法做到两线制，就只能采用外接电源的方法来做输出为420mA 的四线制变送器了。四线制变送器如图所示，其供电大多为220V.AC，也有供电为24V.DC 的。输出信号有420mA.DC
17、，负载电阻为250。,现场总线是指从控制室连接到现场设备的双向串行数字通信总线，也称现场网络。现场总线结构的特点：（1）现场总线设备控制功能能够不依赖控制室的计算机和控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。（2）采用数字信号代替模拟信号，可实现一对电线上传输多个信号，同时又为现场总线设备提供电源，这样简化了系统结构，节约了硬件设备和电缆等；,现场总线,（1）系统的开放性 通信协议公开，各不同厂商的设备之间可实现信息交换。（2）互可操作性与互用性 互可操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通；而互用性则意味着不同制造商性能类似的设备可进行更换，实现相互替换。（3）现场设备的智能化
18、与功能自治性 将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场总线设备中完成。（4）系统结构的高度分散性 现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系结构，提高了可靠性。,现场总线的技术特点,（5）对现场环境的适应性 可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等多种传输介质，具有较强的抗干扰能力，采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求。,现场总线发展的种类较多，约有40余种：如德国西门子公司Siemens的ProfiBus，法国的FIP，英国的ERA，挪威的FINT，Echelon公司的LONWorks，PhenixContact公司的InterBus，RoberBo
19、sch公司的CAN，Rosemounr公司的HART，CarloGarazzi公司的Dupline，丹麦ProcessData公司的P-net，PeterHans公司的F-Mux，以及ASI（ActraturSensorInterface），MODBus，SDS，Arcnet，国际标准组织-基金会现场总线FF：FieldBusFoundation，WorldFIP，BitBus，美国的DeviceNet与ControlNet等等。,现场总线的种类,Modbus协议最初由Modicon公司在1978年开发出来，1979年末该公司成为施耐德自动化部门的一 部分，1980年该协议公开后，成为了事实上
20、的工业标准。现在Modbus已经是工业领域全球最流行的协议。此协议支持传统的RS-232、RS-422、RS-485和 以太网接口。MODBUS是OSI模型第7层上的应用层报文传输协议，它在连接至不同类型总线或网络的设备之间提供客户机/服务器通信。MODBUS 是一个请求/应答协议，并且提供功能码规定的服务。modbus分为两种协议 即串口协议(modbus rtu)和网口协议(modbus tcp)协议。,MODBUS总线,一般的工控机只支持rs232或者RS485的串口模式，这个时候工控机的协议栈里就只有modbus-RTU协议，当他从串口接收到数据时,会直接根据报文中的数据进行控制，如果
21、通信在以太网平台上，则选用用modbus-TCP协议进行传输。具体的帧格式如下 modbus RTU 地址域 功能码 数据 差错校验 modbus TCP 目的地址 协议id 长度 单元号 功能码 数据 TCP协议是MODBUSRTU/ascii协议封装成TCP报文的，本质上没有太大差异，但一个运行于232或485串行通讯平台，一个是运行于以太网平台。Modbus-RTU模式采用16位CRC校验.Modbus-TCP模式没有额外规定校验，因为TCP协议是一个面向连接的可靠协议。,主设备可单独和从设备通信，也能以广播方式和所有从设备通信。如果单独通信，从设备返回一消息作为回应，如果是以广播方式查询的，则不作任何回应。Modbus协议建立了主设备查询的格式：设备（或广播）地址、功能代码、所有要发送的数据、错误检测域,谢谢！THE END,
