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学位论文—空调器通讯设计指导书.doc
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1、目 录 一、总述1、用途2、参考资料及参考标准二、设计步骤1、通讯接口的类型、基本原理和应用2、通讯协议的基本原理及应用3、设计要求三、设计雷区及规避措施一、 总述1、 用途这份通讯设计指导书,涉及到通讯的分类、设计规范以及设计过程中需注意的问题。2、 参考资料家用电器即插即用技术规范的研究MODBUS通讯协议及编程单片机数据通讯技术 计算机通讯技术指南modbus协议二、 设计步骤通讯是为了实现计算机与计算机或终端设备与计算机之间的信息交互而产生的一种通讯技术。它有以下特点:A 通讯传输和处理离散的数字信号;B 速度高,突发性强。C 传输的可靠性要求高。D 必须事先制定通讯双方遵守的,功能齐
2、全的通讯协议。E 信息传输效率高。在通讯中,通讯接口和通讯协议,是通讯中最重要的两部分。1、 通讯接口的类型、原理和应用1.1 通讯接口的类型RS-232、RS-422与RS-485都是串行数据接口标准,最初都是由电子工业协会(EIA)制订并发布的,RS-232在1962年发布,命名为EIA-232-E,作为工业标准,以保证不同厂家产品之间的兼容。RS-422由RS-232发展而来,它是为弥补RS-232之不足而提出的。为改进RS-232通信距离短、速率低的缺点,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
3、条平衡总线上连接最多10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,被命名为TIA/EIA-422-A标准。为扩展应用范围,EIA又于1983年在RS-422基础上制定了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,后命名为TIA/EIA-485-A标准。由于EIA提出的建议标准都是以“RS”作为前缀,所以在通讯工业领域,仍然习惯将上述标准以RS作前缀称谓。 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
4、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,或公开或厂家独家使用。如录像机厂家中的Sony与松下对录像机的RS-422控制协议是有差异的,视频服务器上的控制协议则更多了,如Louth、Odetis协议是公开的,而ProLINK则是基于Profile上的。 1.1.1 RS-232串行通讯接口目前RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。RS-232被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。RS-232采取不平衡传输方式,即所谓单端通讯 .收、发端的数据信号是相对于信号地。如从DTE设备发出的数据在使用DB25连接器时是2脚相对7脚(
5、信号地)的电平,典型的RS-232信号在正负电平之间摆动,在发送数据时,发送端驱动器输出正电平在+5+15V,负电平在-5-15V电平。当无数据传输时,线上为TTL,从开始传送数据到结束,线上电平从TTL电平到RS-232电平再返回TTL电平。接收器典型的工作电平在+3+12V与-3-12V。由于发送电平与接收电平的差仅为2V至3V左右,所以其共模抑制能力差,再加上双绞线上的分布电容,其传送距离最大为约15米,最高速率为20kb/s。RS-232是为点对点(即只用一对收、发设备)通讯而设计的,其驱动器负载为37k。所以RS-232适合本地设备之间的通讯。由于目前RS-232C在工控领域应用比较
6、普遍,下面将详细介绍一下:RS-232C标准(协议)的全称是EIA-RS-232C标准,其中EIA(Electronic Industry Association)代表美国电子工业协会,RS(ecommeded standard)代表推荐标准,232是标识号,C代表RS232的最新一次修改(1969),在这之前,有RS232B、RS232A。它规定连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。这里只介绍RS-232-C(简称232,RS232)。 例如,目前在IBM PC机上的COM1、COM2接口,就是RS-232C接口。1)电气特性 EIA-RS-232C对电器特性、逻辑电平和各种信号线功
7、能都作了规定。不带负载时驱动器的输出电平-25V-+25V负载电阻RL的范围37K驱动器输出电阻RO300负载电容(包括线间电容)CL+3V逻辑”1”时,驱动器的输出电平-5(-15V)逻辑”1”时,驱动器的接收电平-3V输出短路电流500mA驱动器转换速率30V/us 图1-1以上规定说明了RS-223C标准对逻辑电平的定义。对于数据(信息码):逻辑“1”(传号)的电平低于-3V,逻辑“0”(空号)的电平高于+3V;对于控制信号;接通状态(ON)即信号有效的电平高于+3V,断开状态(OFF)即信号无效的电平低于-3V,也就是当传输电平的绝对值大于3V时,电路可以有效地检查出来,介于-3+3V
8、之间的电压无意义,低于-15V或高于+15V的电压也认为无意义,因此,实际工作时,应保证电平在(315)V之间。 EIA-RS-232C与TTL转换:EIA-RS-232C是用正负电压来表示逻辑状态,与TTL以高低电平表示逻辑状态的规定不同。因此,为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接,必须在EIA-RS-232C与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。实现这种变换的方法可用分立元件,也可用集成电路芯片。目前较为广泛地使用集成电路转换器件,如MC1488、SN75150芯片可完成TTL电平到EIA电平的转换,而MC1489、SN75154可实现EIA电平到TTL电平的转换。MAX232芯
9、片可完成TTLEIA双向电平转换,图1-1显示了1488和1489的内部结构和引脚。MC1488的引脚(2)、(4,5)、(9,10)和(12,13)接TTL输入。引脚3、6、8、11输出端接EIA-RS-232C。MC1498的14的1、4、10、13脚接EIA输入,而3、6、8、11脚接TTL输出。具体连接方法如图1-2所示。图中的左边是微机串行接口电路中的主芯片UART,它是TTL器件,右边是EIA-RS-232C连接器,要求EIA高电压。因此,RS-232C所有的输出、输入信号都要分别经过MC1488和MC1498转换器,进行电平转换后才能送到连接器上去或从连接器上送进来。 图1-22
10、)连接器的机械特性: 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,其引脚的定义也各不相同。下面分别介绍两种连接器。 (1)DB-25: PC和XT机采用DB-25型连接器。DB-25连接器定义了25根信号线,分为4组: 异步通信的9个电压信号(含信号地SG)2,3,4,5,6,7,8,20,22 20mA电流环信号 9个(12,13,14,15,16,17,19,23,24) 空6个(9,10,11,18,21,25) 保护地(PE)1个,作为设备接地端(1脚) DB-25型连接器的外形及信号线分配如图1-3所示。注意,20
11、mA电流环信号仅IBM PC和IBM PC/XT机提供,至AT机及以后,已不支持。 图1-3(2)DB-9连接器引脚号信号名称方向信号功能1DCDPC机对方PC收到远程信号2RXDPC机 对方PC接收数据3TXDPC机对方PC发送数据4DTRPC机对方PC 准备就绪5GND-信号地6DSRPC机对方对方准备就绪7RTSPC机对方PC请求发送数据8CTSPC机对方对方已切换到接收状态(清除发送)9RIPC机对方通知PC线路正常在AT机及以后,不支持20mA电流环接口,使用DB-9连接器,作为提供多功能I/O卡或主板上COM1和COM2两个串行接口的连接器。它只提供异步通信的9个信号。DB-25型
12、连接器的引脚分配与DB-25型引脚信号完全不同。因此,若与配接DB-25型连接器的DCE设备连接,必须使用专门的电缆线。 电缆长度:在通信速率低于20kb/s时,RS-232C所直接连接的最大物理距离为15m(50英尺)。 最大直接传输距离说明:RS-232C标准规定,若不使用MODEM,在码元畸变小于4%的情况下,DTE和DCE之间最大传输距离为15m(50英尺)。可见这个最大的距离是在码元畸变小于4%的前提下给出的。为了保证码元畸变小于4%的要求,接口标准在电气特性中规定,驱动器的负载电容应小于2500pF。 3)RS-232C的接口信号 RS-232C规标准接口有25条线,4条数据线、1
13、1条控制线、3条定时线、7条备用和未定义线,常用的只有9根,它们是 (1)联络控制信号线: 数据装置准备好(Data set ready-DSR)有效时(ON)状态,表明MODEM处于可以使用的状态。 数据终端准备好(Data set ready-DTR)有效时(ON)状态,表明数据终端可以使用。 这两个信号有时连到电源上,一上电就立即有效。这两个设备状态信号有效,只表示设备本身可用,并不说明通信链路可以开始进行通信了,能否开始进行通信要由下面的控制信号决定。 请求发送(Request to send-RTS)用来表示DTE请求DCE发送数据,即当终端要发送数据时,使该信号有效(ON状态),向
14、MODEM请求发送。它用来控制MODEM是否要进入发送状态。 允许发送(Clear to send-CTS)用来表示DCE准备好接收DTE发来的数据,是对请求发送信号RTS的响应信号。当MODEM已准备好接收终端传来的数据,并向前发送时,使该信号有效,通知终端开始沿发送数据线TxD发送数据。 这对RTS/CTS请求应答联络信号是用于半双工MODEM系统中发送方式和接收方式之间的切换。在全双工系统中作发送方式和接收方式之间的切换。在全双工系统中,因配置双向通道,故不需要RTS/CTS联络信号,使其变高。 接收线信号检出(Received Line detection-RLSD)用来表示DCE已接
15、通通信链路,告知DTE准备接收数据。当本地的MODEM收到由通信链路另一端(远地)的MODEM送来的载波信号时,使RLSD信号有效,通知终端准备接收,并且由MODEM将接收下来的载波信号解调成数字两数据后,沿接收数据线RxD送到终端。此线也叫做数据载波检出(Data Carrier dectection-DCD)线。 振铃指示(Ringing-RI)当MODEM收到交换台送来的振铃呼叫信号时,使该信号有效(ON状态),通知终端,已被呼叫。 (2)数据发送与接收线: 发送数据(Transmitted data-TxD)通过TxD终端将串行数据发送到MODEM,(DTEDCE)。 接收数据(Rec
16、eived data-RxD)通过RxD线终端接收从MODEM发来的串行数据,(DCEDTE)。 (3)地线 有两根线SG、PG信号地和保护地信号线,无方向。 上述控制信号线何时有效,何时无效的顺序表示了接口信号的传送过程。例如,只有当DSR和DTR都处于有效(ON)状态时,才能在DTE和DCE之间进行传送操作。若DTE要发送数据,则预先将DTR线置成有效(ON)状态,等CTS线上收到有效(ON)状态的回答后,才能在TxD线上发送串行数据。这种顺序的规定对半双工的通信线路特别有用,因为半双工的通信才能确定DCE已由接收方向改为发送方向,这时线路才能开始发送。 2个数据信号:发送TXD;接收RX
17、D。 1个信号地线:SG。 6个控制信号: DSR数传机(即modem)准备好,Data Set Ready.DTR数据终端(DTE,即微机接口电路,如Intel8250/8251,16550)准备好,Data Terminal Ready。 RTSDTE请求DCE发送(Request To Send)。 CTSDCE允许DTE发送(Clear To Send),该信号是对RTS信号的回答。 DCD数据载波检出,Data Carrier Detection当本地DCE设备(Modem)收到对方的DCE设备送来的载波
18、信号时,使DCD有效,通知DTE准备接收,并且由DCE将接收到的载波信号解调为数字信号, 经RXD线送给DTE。 RI振铃信号 Ringing当DCE收到交换机送来的振铃呼叫信号时,使该信号有效,通知DTE已被呼叫。 1.1.2 RS-422串行通讯接口 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,它采用的是差分传输方式。由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器比RS-232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。即一个主设备(Master),其余为从设备(Salve),从设备之间不能通信,所以RS-422支持
19、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104k+100(终接电阻)。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
20、。在矩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。 此种通讯接口在家电设备中并不常用,这里也不再详述。 1.1.3 RS-485通讯接口由于RS-485是从RS-422基础上发展而来的,所以RS-485许多电气规定与RS-422相仿。如都采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终接电阻等。RS-485可以采用二线与四线方式,二线制可实现真正的多点双向通信。 而采用四线连接时,与RS-422一样只能实现点对多的通信,即只能有一个(Master)设备,其余为从设备,但它比RS-422有改进, 无论四线还是二线连接方式总线上可多接到32个设备。RS-485与
21、RS-422的不同还在于其共模输出电压是不同的,RS-485是-7V至+12V之间,而RS-422在-7V至+7V之间,RS-485接收器最小输入阻抗为12K,RS-422是4k;RS-485满足所有RS-422的规范,所以RS-485的驱动器可以用在RS-422网络中应用.RS-485与RS-422一样,其最大传输距离约为1219米,最大传输速率为10Mb/s。平衡双绞线的长度与传输速率成反比,在100kb/s速率以下,才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长双绞线最大传输速率仅为1Mb/s。RS-485需要2个终接电阻,其阻值要求等于传输电缆的特
22、性阻抗。在近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。终接电阻接在传输总线的两端。 RS-485的电气特性:逻辑“1”以两线间的电压差为+(26) V表示;逻辑“0”以两线间的电压差为-(26)V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。 RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合,抗共模干能力增强,即抗噪声干扰性好.RS-485的数据最高传输速率为10Mbps.RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。即具有多站能力,这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网
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