计算机串行通信接口及其应用

摘 要: 串行通信是指计算机主机与外设之间以及主机系统与主机系统之间按位进行传输数据的一种通信方式。串行通信所需的传输线少,成本低,不仅适用于近距离的人-机交换及串行存储设备、实时控制系统,而且可借助现有的电话网等通信通道实现远距离传输,所以串行接口是计算机应用系统常用的接口。在设计通信接口时,必须根据需要选择接口标准,并考虑传输介质、电平转换等问题。关键词:总线; 串行通信; 通信接口; 电平转换

中图分类号:TN915-33文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)18-0083-04

Computer Serial Communication Interface and Its Application

WU Xiao-yan

(Sichuan Information Technology College, Guangyuan 628017, China)

Abstract: Serial communication is between the host computer and peripherals as well as between the host systems for the transmission of data by digital means of communication. As the serial communication needs less transmission line and is low cost, it is not only suitable for the man-machine exchange at close range, serial memory devices and real-time control system, but also the existing telephone network and other communication channels can be employed to achieve long-distance transmission. Therefore, the serial interface is commonly used as a interface of computer application system. In the design of communication interface, the selection of interface standards must be performed first, and the transmission medium and level translator should be considered.

Keywords: computer; serial communication; communication interface; level translator

0 引 言

随着多微机系统的广泛应用和计算机网络技术的普及,计算机的通信功能显得愈来愈重要。在多微机系统及现代测控系统中,信息的交换多采用串行通信方式。对于串行通信、数据信息、控制信息要按位在一条线上依次传送,为了对数据和控制信息进行区分,收发双方要事先约定共同遵守的通信协议。通信协议约定的内容包括数据格式、同步方式、传输速率和校验方式等。依发送与接收设备的时钟控制方式,串行通信可分为同步通信和异步通信两类[1]。异步通信不要求收发双方时钟的严格一致,实现容易,设备开销较小。下面介绍RS 232接口,RS 422A/RS 485接口和20 mA电流环三类异步串行通信中的串行接口。

1 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。RS 232是美国电子工业协会(EIA)于1962年制定的标准。RS表示EIA的“推荐标准”,232为该标准的标识号。1969年修订为RS 232C,1987年修订为EIA-232D,1991年修订为EIA-232E,1997年又修订为EIA-232F。由于修改的不多,所以人们习惯于早期的名字“RS 232C”[2]。

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)之间的物理接口标准。例如CRT、打印机与CPU的通信大都采用RS 232C接口,80C51单片机与PC机的通信也是采用该种类型的接口。由于80C51系列单片机本身具有一个全双工的串行接口,因此该系列单片机采用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。

1.1 RS 232C信息格式

RS 232C采用串行格式,如图1所示。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5～8位再加1位奇偶校验位。如果两个信息之间无信息,则写“1”,表示空。

图1 RS 232C信息格式

1.2 RS 232C电平转换电路

RS 232C规定了自己的电气标准,由于它是在TTL电路之前研制的,所以它的电平不是+5 V和地,而是采用负逻辑。规定DC(+3～+15 V)为逻辑0,DC(-3～-15 V)为逻辑1。-3～+3 V过渡区,不作定义。因此,RS 232C不能和TTL电平直接相连,使用时必须进行电平转换,否则将使TTL电路烧坏,实际应用时必须注意[3]。常用的电平转换器有MC1488,MC1489和MAX232等芯片。

MC1488内部有3个与非门和1个反相器,供电电压为±12 V,输入为TTL电平,输出为RS 232C电平;MC1489内有4个反相器,供电电压为+5 V,输入为RS 232C电平,输出为TTL电平。MC1488和MC1489与RS 232C电平转换电路如图2所示。

图2 TTL与RS 232C电平转换电路

近年来,人们愈来愈多地采用自升压电平转换电路。各厂商生产的此类芯片虽然不同,但原理类似,并可代换。它的主要功能是在单+5 V电源下,有TTL电平输入到RS 232C电平输出的功能,也有RS 232C电平输入到TTL电平输出的功能。如图3为RS 232C双工发送器/接收器接口电路MAX232引脚图,该芯片与TTL/CMOS电平兼容,片内有2个发送器和2个接收器,内置电子泵电压转换器将+5 V转换成±10 V,使用时,此芯片只需要单一的+5 V电源就可以了,它能满足RS 232C的电气规范要求[4]。引脚T1IN或T2IN可直接接TTL/CMOS电平的单片机串行发送端TXD;R1OUT或R2OUT可直接接TTL/CMOS电平的单片机串行接收端RXD;T1OUT或T2OUT可直接接PC机的RS 232串行接口的接收端RXD;R1IN或R2IN可直接接PC机的RS 232串行接口的接收端TXD。

1.3 RS 232C总线规定

RS 232C标准总线为25根,采用标准的D型25芯连接器,连接器的尺寸及每个插针的排列位置都有明确的定义。在一般的应用中并不一定使用RS 232C标准的全部信号线,所以在实际应用中常使用9芯连接器替代25芯连接器。连接器引脚排列如图4所示,图中所示为阳头定义,通常用于计算机侧,对应的阴头用于连接线侧。

图3 MAX232引脚图

图4 DB-25(阳头)和DB-9(阳头)连接器排列图

RS 232C接口的主要信号线的功能定义如表1所示。

表1 RS 232C标准接口主要信号线定义

引脚序号名称功能信号方向

1PGND保护接地

2(3)TXD发送数据(串行输出)DTE→DCE

3(2)RXD接收数据(串行输入)DTE←DCE

4(7)RTS请求发送DTE→DCE

5(8)CTS允许发送DTE←DCE

6(6)DSR数据建立就绪DTE←DCE

7(5)SGND信号接地

8(1)DCD载波检测DTE←DCE

20(4)DTR数据终端准备就绪DTE→DCE

22(9)RI振铃指示DTE←DCE

注:引脚序号栏中( )内为9芯非标准连接器的引脚号。

在最简单的全双工系统中,仅用发送数据、接收数据和信号地3根线即可。对于80C51单片机,利用其RXD(串行数据接收端)线、TXD(串行数据发送端)线和1根地线,就可以构成符合RS 232C接口标准的全双工通信口。

2 RS 422A/RS 485接口

RS 232C是广泛应用的串口通信标准,但因其推出较早,在现代网络通信中已暴露出数据传输速度慢、传输距离短、接口处各信号间容易产生干扰等明显的缺点。鉴于RS 232C的这些缺点,EIA于1977年制定了新标准RS 499,RS 422A是RS-499的子集,RS 485则是RS 422A的变型。

2.1 RS 422A接口

RS 422A文本给出了RS 449中对通信电缆、驱动器和接收器的要求,规定双端电气接口型式,其标准是双端线传送信号。它是通过传输线驱动器将逻辑电平变换成电位差,实现发送端的信息传递;通过传输线接收器把电位差变换成逻辑电平,完成接收端的信息接收。

RS 422A比RS 232C传输距离长、速度快,传输速率最大可达10 Mb/s。在此速率下,电缆的允许长度为12 m,如果采用低速率传输,最大距离可达1 200 m[5]。

RS 422A和TTL进行电平转换最常用的芯片是传输线驱动器SN75174和传输线接收器SN75175,这两种芯片的设计都符合EIA的RS 422A标准。RS 422A的接口电路如图5所示,发送器SN75174将TTL电平转换为标准的RS 422A电平;接收器SN75175将RS 422A接口信号转换为TTL电平。

图5 RS 422A接口电平转换电路

2.2 RS 485接口

RS 485是RS 422A的变型:RS 422A用于全双工,而RS 485则用于半双工[6]。RS 485是一种多发送器的电路标准,它扩展了RS 422A的性能,在通信线路上最多可以使用32对差分驱动器/接收器。RS 485接口电平转换电路如图6所示。

图6 RS 485接口电平转换电路

RS 485接口是一种基于平衡发送和差分接收的串行总线,具有很强的抗共模干扰能力,又因为它的阻抗低,无接地问题,在适当的波特率下传输距离远;同时易于进行网络扩展,被广泛的应用在很多工业现场。

RS 485是一点对多点的通信接口,一般采用双绞线的结构。普通的PC机一般不带RS 485接口,因此要使用RS 232/RS 485转换器。对于PC机与单片机组成的通信系统可以通过芯片MAX485来完成TTL/RS 485的电平转换。

3 20 mA电流环路串行接口

20 mA电流环是目前串行通信中广泛使用的一种接口电路,但未形成正式标准。电流环串行通信接口的最大优点是低阻传输线对电气噪声不敏感,而且易实现光电隔离,因此在长距离通信时要比RS 232C优越得多。图7是一个实用的20 mA电流环接口电路,它是一个加上光电隔离的电流环传送和接收电路[7]。在发送端,将TTL电平转换为环路电流信号,在接收端又转换成TTL电平。

图7 20 mA电流环接口电路

4 基于MAX232的PC机与单片机串行通信接口

PC机与单片机之间可以由RS 232C,RS 422A或RS 485等接口相连。单片机和PC机之间的通信与单片机和单片机之间的通信从软件上讲完全一样,其差别主要在硬件方面[8] 。计算机的串行口使用的是RS 232电平,而单片机串行口的电平为TTL电平,两者的电气规范不同,所以,当需要单片机和PC机之间进行通信时,需要在两者之间加上电平转换电路。采用MAX232芯片的PC机和单片机串行通信接口电路如图8所示[9]。

图8 基于MAX232芯片的PC机和单片机串行通信接口

5 结 语

计算机与单片机的串行通信在实际的工业过程中的应用十分广泛,且在工业现场易于调试,具有很大实用价值[10]。在选择通信接口标准时必须注意:通信速度与通信距离的关系以及系统的抗干扰能力。

标准串行接口通常都有满足可靠传输时的最大通信速度和传送距离指标,但这两个指标具有相关性,适当降低传输速度,可以提高通信距离,反之亦然。如采用RS 232C标准进行单向数据传输时,最大的传输速度为20 Kb/s,最大的传输距离为15 m。而采用RS 422A标准时,最大的传输速度可达10 Mb/s,最大的传输距离为300 m,适当降低传输速度,传输距离可达1 200 m。

通常,选择的标准接口,在保证不超过其使用范围时都有一定的抗干扰能力,以保证可靠的信号传输。但在一些工业测控系统中,通信环境十分恶劣,因此在通信介质选择、接口标准选择时,要充分考虑抗干扰能力,并采取必要的抗干扰措施。例如在长距离传输时,使用RS 422A和RS 485标准,采用差动方式传输能有效地抑制共模信号干扰;使用20 mA电流环技术,能大大降低对噪声的敏感程度。

在高噪声污染的环境中,通过使用光纤介质可减少噪声的干扰,通过光电隔离可以提高通信系统的安全性。

参考文献

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