1、第第1212章章 智能儀器中的通信接口技術智能儀器中的通信接口技術本章內容本章內容 12.1 12.1 數據通信基礎數據通信基礎 12.2 12.2 串行通信接口串行通信接口 首頁首頁下 頁上 頁返 回 智能儀器和智能儀器、計算機之間需要進行各種智能儀器和智能儀器、計算機之間需要進行各種信息的交換和傳輸，這種信息的交換和傳輸通過儀信息的交換和傳輸，這種信息的交換和傳輸通過儀器的通信接口按照一定的協議實現。器的通信接口按照一定的協議實現。 通信接口：各儀器之間或儀器與計算機之間進行通信接口：各儀器之間或儀器與計算機之間進行信息交換和傳輸的聯絡裝置信息交換和傳輸的聯絡裝置12.112.1 數據通信

2、基礎數據通信基礎12.1.112.1.1 數據通信的基礎知識數據通信的基礎知識 1.1.數據通信的基礎知識數據通信的基礎知識 通信系統是傳遞信息所需要的一切技術設備的總通信系統是傳遞信息所需要的一切技術設備的總和。通信系統一般由信息源、信息接收者、發送、和。通信系統一般由信息源、信息接收者、發送、接收設備、傳輸媒介幾部分組成。接收設備、傳輸媒介幾部分組成。 信息源和信息接收者信息源和信息接收者 信息源（信源）和信息接收者（信宿）是信息的信息源（信源）和信息接收者（信宿）是信息的產生者和使用者。產生者和使用者。下 頁上 頁返 回 發送設備發送設備 其基本功能是將信息源和傳輸媒介匹配起來，即其基本

3、功能是將信息源和傳輸媒介匹配起來，即將信息源產生的消息信號經過編碼，并轉換為便于將信息源產生的消息信號經過編碼，并轉換為便于傳輸的信號形式，送往傳輸媒介。傳輸的信號形式，送往傳輸媒介。 傳輸媒介傳輸媒介 指發送設備到接收設備之間信號傳遞所經過的媒指發送設備到接收設備之間信號傳遞所經過的媒介。介。 接收設備接收設備 其基本功能與發送設備的功能相反，它對接收到其基本功能與發送設備的功能相反，它對接收到的信號進行解調、譯碼、解密等。的信號進行解調、譯碼、解密等。 以上是單向系統，若是雙向系統，則通信雙方都以上是單向系統，若是雙向系統，則通信雙方都要有發送設備和接收設備。要有發送設備和接收設備。 2.

4、 2.信道的帶寬和數據速率信道的帶寬和數據速率 信道的帶寬信道的帶寬 任何信道所能傳輸的信號的頻率都有一定的范圍任何信道所能傳輸的信號的頻率都有一定的范圍, ,稱為信道的帶寬。稱為信道的帶寬。 數據的速率數據的速率 表征一個信道傳輸數字信號的能力的指標稱為數表征一個信道傳輸數字信號的能力的指標稱為數據速率。據速率。 3.3.數字調制技術數字調制技術 所謂調制就是利用調制信號（攜帶有信息的基帶所謂調制就是利用調制信號（攜帶有信息的基帶信號）去改變高頻振蕩載波的某個（或某幾個）參信號）去改變高頻振蕩載波的某個（或某幾個）參數的波形變換過程。數的波形變換過程。 4.4.多路復用技術多路復用技術 在一

5、條物理通道上同時傳輸多路信息的技術。在一條物理通道上同時傳輸多路信息的技術。 下 頁上 頁返 回下 頁上 頁返 回12.1.2 12.1.2 差錯控制技術差錯控制技術 在通信系統中采用的發現誤碼并加以糾正，從而在通信系統中采用的發現誤碼并加以糾正，從而把差錯控制在盡可能小的范圍內的技術。把差錯控制在盡可能小的范圍內的技術。 1.1.奇偶校驗碼奇偶校驗碼 奇偶校驗是通過增加冗余位使碼字中奇偶校驗是通過增加冗余位使碼字中“1 1”的個的個數保持奇數或偶數的校驗方法。若冗余位使編碼中數保持奇數或偶數的校驗方法。若冗余位使編碼中“1”1”的個數為奇數則為奇校驗，反之為偶校驗。的個數為奇數則為奇校驗，反

6、之為偶校驗。 2.2.方塊校驗方塊校驗 方塊校驗又叫報文校驗。其方法是在一批字符方塊校驗又叫報文校驗。其方法是在一批字符（報文）傳送之后，另外增加一個校驗字符，該字（報文）傳送之后，另外增加一個校驗字符，該字符的編碼方法是使每一位縱向代碼中符的編碼方法是使每一位縱向代碼中“1”1”的個數的個數成為奇數或偶數。成為奇數或偶數。 3.3.循環冗余校驗循環冗余校驗 方法是將要發送的二進制數據位序列當作一個二方法是將要發送的二進制數據位序列當作一個二下 頁上 頁返 回進制多項式進制多項式 f(x) 系數，在發送方用收發雙方預先約系數，在發送方用收發雙方預先約定的生成多項式定的生成多項式 G(x)去除，

7、得到一個余數多項式，去除，得到一個余數多項式，將余數多項式加到數據多項式之后發送到接收端，將余數多項式加到數據多項式之后發送到接收端，接收端將收到的接收端將收到的 f(x) 除以除以 G(x)，若余數多項式與，若余數多項式與接接收到的相同，則表示傳輸正確。收到的相同，則表示傳輸正確。 4.4.差錯控制方法差錯控制方法 自動請求發送和前向糾錯。自動請求發送和前向糾錯。12.1.3 12.1.3 通信規程與同步技術通信規程與同步技術 1.1.異步通信方式異步通信方式 每次傳送每次傳送1 1個字節的數據。通信時，個字節的數據。通信時，1 1幀信息以起幀信息以起始位和停止位來完成收發同步。始位和停止位

8、來完成收發同步。 2.2.同步通信方式同步通信方式 每次傳送由每次傳送由n n個字節構成的數據塊。通信時，用個字節構成的數據塊。通信時，用1 1個或個或2 2個同步字符表示傳送字符的開始，接著是個同步字符表示傳送字符的開始，接著是n n個個下 頁上 頁返 回字節的數據塊，字符之間沒有空隙，當無字符發送字節的數據塊，字符之間沒有空隙，當無字符發送時，連續送出同步字符。時，連續送出同步字符。 下 頁上 頁返 回12.2 12.2 串行通信接口串行通信接口 通信雙方的數據沿一根或兩根線實現二進制序列通信雙方的數據沿一根或兩根線實現二進制序列的傳輸稱為串行通信。只要增加的傳輸稱為串行通信。只要增加MO

9、DEMMODEM，利用現有，利用現有的通信信道（如電話線）就可實現遠程通信。的通信信道（如電話線）就可實現遠程通信。 數據的傳送方式分為單工方式、半雙工方式和全數據的傳送方式分為單工方式、半雙工方式和全雙工方式。雙工方式。 單工方式：通信雙方一方固定為發送方、另單工方式：通信雙方一方固定為發送方、另一方固定為接收方，數據只能由發送方一方固定為接收方，數據只能由發送方接收方。接收方。 半雙工方式：通信雙方都具有發送和接收數半雙工方式：通信雙方都具有發送和接收數據能力，發送或接收數據分時使用同一條傳輸線。據能力，發送或接收數據分時使用同一條傳輸線。 全雙工方式：通信雙方收發使用不同的傳輸全雙工方式

10、：通信雙方收發使用不同的傳輸線，在同一時刻，收發雙方既可發送又可接收。線，在同一時刻，收發雙方既可發送又可接收。下 頁上 頁返 回圖圖12.1 12.1 串行通信傳輸方式串行通信傳輸方式下 頁上 頁返 回 按同步方式（時鐘控制方式）分為同步串行通信按同步方式（時鐘控制方式）分為同步串行通信和異步串行通信兩種方式。和異步串行通信兩種方式。 同步串行通信同步串行通信 串行數據在發送端和接收端使用同步時鐘，使發串行數據在發送端和接收端使用同步時鐘，使發送和接收保持同步。送和接收保持同步。圖圖12.2 12.2 同步通信方式同步通信方式下 頁上 頁返 回 同步通信將數據順序連接起來，控制信息也以字同步

11、通信將數據順序連接起來，控制信息也以字符形式表示，以數據塊為傳送單位。數據塊開始有符形式表示，以數據塊為傳送單位。數據塊開始有1 12 2個同步字符（個同步字符（SYNSYN），中間是數據，最后為），中間是數據，最后為1 12 2個校驗字符。接收方接收到數據后用校驗字符對個校驗字符。接收方接收到數據后用校驗字符對接收到的數據進行校驗，以判斷傳輸是否正確。這接收到的數據進行校驗，以判斷傳輸是否正確。這樣構成的一組數據塊稱為一幀信息，一幀信息的字樣構成的一組數據塊稱為一幀信息，一幀信息的字符數可達成百上千個。符數可達成百上千個。 同步通信傳輸速度較快，但要求準確時鐘來實現同步通信傳輸速度較快，但要

12、求準確時鐘來實現收發雙方的嚴格同步，適用于傳送成批數據。一般收發雙方的嚴格同步，適用于傳送成批數據。一般用于高速通信。在低速通信時采用異步方式。用于高速通信。在低速通信時采用異步方式。 異步串行通信異步串行通信 收發雙方使用獨立的時鐘，在信息傳輸過程中不收發雙方使用獨立的時鐘，在信息傳輸過程中不必與數據一起發送同步脈沖。通信雙方以字符為通必與數據一起發送同步脈沖。通信雙方以字符為通下 頁上 頁返 回信單位，每個字符由信單位，每個字符由1 1個起始位（個起始位（0 0）、）、5 58 8個數據個數據位、位、1 1個校驗位、個校驗位、1 1位（位（1.51.5位或位或2 2位）停止位（邏輯位）停止

13、位（邏輯1 1電平）組成。電平）組成。 圖圖12.3 12.3 異步通信數據傳輸格式異步通信數據傳輸格式 一幀數據一幀數據可由可由1010位、位、10.510.5位或位或1111位組成，數據一位組成，數據一幀一幀的傳送。每幀數據的傳送依靠起始位來同步，幀一幀的傳送。每幀數據的傳送依靠起始位來同步，發送方發送完一個字符的停止位后，可立即發送下發送方發送完一個字符的停止位后，可立即發送下一個字符的起始位，繼續發送下一個字符。一個字符的起始位，繼續發送下一個字符。下 頁上 頁返 回12.2.1 RS-232C12.2.1 RS-232C串行總線標準串行總線標準 RS-232CRS-232C是美國電子

14、工業協會是美國電子工業協會EIAEIA在在19731973年公布的年公布的一種串行數據通信標準。該標準定義了數據終端設一種串行數據通信標準。該標準定義了數據終端設備備DTADTA和數據通信設備和數據通信設備DCEDCE之間的接口特性，提供了之間的接口特性，提供了一個利用共用電話網絡作為傳輸媒介、通過調制解一個利用共用電話網絡作為傳輸媒介、通過調制解調器將遠程設備連接起來的技術規定。調器將遠程設備連接起來的技術規定。 兩個遠程設備利用兩個遠程設備利用RS-232CRS-232C進行數據傳輸的典型進行數據傳輸的典型連接電路如下圖。連接電路如下圖。 圖圖12.4 RS-232C12.4 RS-232

15、C在電路中的位置在電路中的位置 下 頁上 頁返 回在通信設備的一端，調制解調器將一系列用在通信設備的一端，調制解調器將一系列用“1”1”、“0”0”表示高、低電壓的數字信號轉換為相應的能表示高、低電壓的數字信號轉換為相應的能與電話網相容的模擬頻率信號；在通信設備的另一與電話網相容的模擬頻率信號；在通信設備的另一端，另一個調制解調器將模擬頻率信號變回一系列端，另一個調制解調器將模擬頻率信號變回一系列用用“1”1”、“0”0”表示高、低電平的數字信號。表示高、低電平的數字信號。 1.RS-232C1.RS-232C的電氣特性的電氣特性 邏輯電平邏輯電平 RS-232CRS-232C采用負邏輯電平，

16、發送數據時，發送端采用負邏輯電平，發送數據時，發送端輸出的邏輯輸出的邏輯“0” 0” 表示正電平（表示正電平（+5+515V15V），輸），輸出的邏輯出的邏輯“1”1”表示負電平（表示負電平（-5V-5V-15V-15V）。）。 接收數據時，接收端接收的接收數據時，接收端接收的+3V+3V+15V+15V高電平表高電平表示邏輯示邏輯“0”0”，-3V-3V-15V-15V低電平表示邏輯低電平表示邏輯“1”1”。 下 頁上 頁返 回RS-232CRS-232C的噪聲容限是的噪聲容限是2V(2V(因發送電平和接收電平的因發送電平和接收電平的差為差為2V)2V)，共模抑制能力較差。，共模抑制能力較差

17、。 實際工作時，應保證電平的絕對值在實際工作時，應保證電平的絕對值在3 315V15V之間。之間。 傳輸距離和傳輸速率傳輸距離和傳輸速率 傳輸距離最大約為傳輸距離最大約為15m15m。通信介質可選同軸電纜，。通信介質可選同軸電纜，雙絞線，光纖等。最高速率為雙絞線，光纖等。最高速率為20kbps20kbps。 2.RS-232C2.RS-232C的接口信號線定義的接口信號線定義 RS-232CRS-232C標準規定在進行連接時采用一對物理連標準規定在進行連接時采用一對物理連接器。接器。 在實際應用中，有在實際應用中，有2525針和針和9 9針兩種針兩種D D型連接器，由型連接器，由于于9 9針連

18、接器節省空間，應用較多。針連接器節省空間，應用較多。下 頁上 頁返 回2525針針9 9針針簡稱簡稱各稱（傳輸方向）各稱（傳輸方向）功能功能1 11 1保護地保護地保護地保護地連外殼連外殼2 23 3TXDTXD發送發送 DTEDCEDTEDCEDTEDTE發送串行數據端發送串行數據端3 32 2RXDRXD接收接收 DTEDCEDTEDCEDTEDTE接受串行數據端接受串行數據端4 47 7RTSRTS請求發送請求發送 DTEDCEDTEDCEDTEDTE請求發送請求發送5 58 8CTSCTS清除發送清除發送 DTEDCEDTEDCEDCEDCE已準備好接收（清除發已準備好接收（清除發送）

19、送）6 66 6DSRDSR數據設備就緒數據設備就緒 DTEDCEDTEDCEDCEDCE準備就緒準備就緒7 75 5SGSG信號地信號地信號接地端信號接地端8 81 1DCDDCD數據載波檢測數據載波檢測 DTEDCEDTEDCEDCEDCE接收到遠程載波信號接收到遠程載波信號20204 4DTRDTR終端就緒終端就緒 DTEDCEDTEDCEDTEDTE準備就緒準備就緒22229 9RIRI振鈴指示振鈴指示 DTEDCE DTEDCE DCEDCE與線路接通，出現振鈴與線路接通，出現振鈴表表12.1 RS-232C12.1 RS-232C信號定義信號定義下 頁上 頁返 回 狀態線狀態線 D

20、SRDSR：數據裝置準備就緒，輸入信號，通常表：數據裝置準備就緒，輸入信號，通常表示示MODEMMODEM已接通電源連到通信線路上，并處于數據已接通電源連到通信線路上，并處于數據傳送方式。可用作數據通信設備傳送方式。可用作數據通信設備MODEMMODEM響應數據終響應數據終端設備的聯絡信號。端設備的聯絡信號。 DTRDTR：數據終端準備就緒，輸出信號，通常當：數據終端準備就緒，輸出信號，通常當數據終端加電時，該信號有效，表明數據終端準備數據終端加電時，該信號有效，表明數據終端準備就緒。可用作數據終端設備發給數據通信設備就緒。可用作數據終端設備發給數據通信設備MODEMMODEM的聯絡信號。的聯

21、絡信號。 聯絡線聯絡線 RTSRTS：請求發送端，當：請求發送端，當DTEDTE準備好送出數據時，準備好送出數據時，該信號有效，通知該信號有效，通知DCEDCE準備接收數據。準備接收數據。 CTSCTS：允許發送，輸入信號，當：允許發送，輸入信號，當DCEDCE已準備好接已準備好接收收DTEDTE傳來的數據時，該信號有效，響應傳來的數據時，該信號有效，響應RTSRTS信號，信號，下 頁上 頁返 回通知通知DTEDTE開始發送數據。開始發送數據。RTSRTS和和CTSCTS是一對用于發送是一對用于發送數據的聯絡信號。數據的聯絡信號。 數據線數據線 TXDTXD：數據發送端，：數據發送端，DTED

22、TE發送數據到發送數據到DCEDCE。 RXDRXD：數據接收端，：數據接收端，DTEDTE從從DCEDCE接收數據。接收數據。 地線地線 SGSG：信號地：信號地 PGPG：保護地，起屏蔽保護作用的接地端，一般：保護地，起屏蔽保護作用的接地端，一般連到設備的外殼或機架上，必要時連接到大地。連到設備的外殼或機架上，必要時連接到大地。 其余其余 DCDDCD：載波檢測，用來表示：載波檢測，用來表示DCEDCE已接通通信鏈路，已接通通信鏈路，告知告知DTEDTE準備接收數據。準備接收數據。 RIRI：振鈴指示，當：振鈴指示，當DCEDCE收到交換臺送來的振鈴收到交換臺送來的振鈴呼叫信號時，使該信號

23、有效，通知呼叫信號時，使該信號有效，通知DTEDTE，已被呼叫。，已被呼叫。下 頁上 頁返 回 3.RS-232C 3.RS-232C的連接的連接 近程連接近程連接 通常的應用系統中，往往是配有通常的應用系統中，往往是配有RS-232CRS-232C串行接串行接口的口的CPUCPU和和I/OI/O設備之間傳送信息。如設備之間傳送信息。如PCPC和單片機之和單片機之間的通信，在通信距離小于間的通信，在通信距離小于15m15m時，可直接用時，可直接用RS-RS-232C232C信號線相連。如圖信號線相連。如圖12.512.5。 (a) (a) 圖為圖為TXDTXD和和RXDRXD交叉相連，不帶握手

24、信號，稱交叉相連，不帶握手信號，稱三線方式，應用最為廣泛。三線方式，應用最為廣泛。 (b) (b) 圖為帶握手通信的連接方式，圖為帶握手通信的連接方式，RTSRTS和和CTSCTS互聯，互聯，用請求發送用請求發送RTSRTS產生允許發送產生允許發送CTSCTS，表明請求傳送總，表明請求傳送總是允許，滿足全雙工通信聯絡要求。是允許，滿足全雙工通信聯絡要求。DTRDTR和和DSRDSR互聯，用數據終端準備好產生數據裝置準備好。互聯，用數據終端準備好產生數據裝置準備好。下 頁上 頁返 回 (c) (c) 圖是另一種直接互聯的通信方式。圖是另一種直接互聯的通信方式。圖圖12.5 RS-232C12.5

25、 RS-232C近程連接方式近程連接方式下 頁上 頁返 回 遠程連接遠程連接 當通信距離超過當通信距離超過15m15m時需要采用遠程連接方式，如時需要采用遠程連接方式，如圖圖12.612.6，遠距離通信靠兩個，遠距離通信靠兩個MODEMMODEM之間的通信介質完之間的通信介質完成，通信距離取決于介質的性能和波特率的高低。成，通信距離取決于介質的性能和波特率的高低。若某設備（若某設備（DTE1DTE1）要發送數據至對方（）要發送數據至對方（DTE2DTE2），），DTE1DTE1首先通過接口電路發出首先通過接口電路發出RTSRTS（請求發送）信號，（請求發送）信號，此時，若此時，若DCE1DCE

26、1（MODEM1MODEM1）允許傳送，則向）允許傳送，則向DTE1DTE1回答回答CTSCTS（允許發送）信號。（允許發送）信號。 當當DTE1DTE1獲得獲得CTSCTS信號后，通過信號后，通過TXDTXD線向線向DCE1DCE1發出串發出串行信號，行信號，DCE1DCE1將這些數字信號調制成模擬信號（又將這些數字信號調制成模擬信號（又稱載波信號），傳向對方的稱載波信號），傳向對方的DCE2DCE2（MODEM2MODEM2）。）。 當對方的當對方的DCEDCE（MODEM2MODEM2）收到載波信號后，向）收到載波信號后，向DTE2DTE2發出發出DCDDCD信號（數據載波檢出），通知信

27、號（數據載波檢出），通知DTE2DTE2準備接準備接下 頁上 頁返 回收，同時，將載波信號解調為數據信號，從收，同時，將載波信號解調為數據信號，從RXDRXD線線上送給上送給DTE2DTE2，DTE2DTE2通過串行接收移位寄存器對接收通過串行接收移位寄存器對接收到的位流進行移位，當收到到的位流進行移位，當收到1 1個字符的全部位流后，個字符的全部位流后，把該字符的數據位送到數據輸入寄存器，把該字符的數據位送到數據輸入寄存器，CPUCPU可以可以從數據輸入寄存器讀取字符。從數據輸入寄存器讀取字符。圖圖12.6 RS-232C12.6 RS-232C遠程連接方式遠程連接方式下 頁上 頁返 回 4. 4.單片機與單片機與RS-232CRS-232C接口接口 當計算機和單片機通過當計算機和單片機通過RS-232CRS-232C通信時必須進行通信時必須進行電平轉換。如下圖。電平轉換。如下圖。圖圖12.7 12.7 單片機與單片機與RS-232CRS-232C的轉換電路的轉換電路下 頁上 頁返 回 5.RS-232C 5.RS-232C的不足的不足 接口信號電平值較高，易損壞接口電路芯片，接口信號電平值較高，易損壞接口電路芯片，且與且與TTLTTL電平不兼