03 异步串行通信

null串行通信串行通信串行通信与并行通信 串行通信接口 异步通信与同步通信 同步通信串行通信与并行通信串行通信与并行通信通信：计算机与外界的信息交换。 系统各部件（或模块）之间，各个系统之间的通信，可以以并行的进行，也可以以串行的方法进行。 按照数字信号码元排列方法的不同： 串行通信：数据各位按照时间顺序一位一位依次传送。 并行通信：数据各位同时传送。串行通信（图）串行通信（图）串行通信方式示意图串行通信方式示意图并行通信方式示意图并行通信方式示意图并行通信接口的特点并行通信接口的特点(1) 并行接口是在多根数据线上，以数据字节（字）为单位与输入/输出设备或被控对象传送信息的。如: 打印机接口，A/D、D/A转换器接口，开关量接口，控制设备接口等。 在实际应用中，凡在CPU与外设之间同时需要两位以上信息传送时，就可以采用并行口。并行口适用于近距离传送的场合。 (2) 并行传送的信息，不要求固定的格式，这与串行传送的信息有数据格式的要求不同。PC机的并行通信口标准PC机的并行通信口标准SPP即标准并行口(Standard Parallel Port)。 SPP主要用来从计算机向打印机输出数据。一次输出8bit字节，但输入只有5条线。 EPP即增强并行口(Enhanced Parallel Ports)。双向八位口，有地址选通信号和数据选通信号来区分数据类型。速率在500kB/s到2MB/s之间。 ECP即扩展功能端口(Extended Capabilities Ports)。双向八位口。ECP采用压缩技术和DMA方式来双向传输数据,其传输速率可达2MB/s。 486计算机及以后的计算机主板上都配置了支持EPP和ECP的并行口。EPP并行口引脚定义EPP并行口引脚定义串行通信和并行通信的特点串行通信和并行通信的特点串行通信的传送速度要小于并行方式，但是当通信距离比较远时，一方面可以降低通信信道的投资，另一方面是便于对信号进行调制和解调。因此在远距离通信中，毫无例外的都是采用串行通信方式。 并行通信可以达到比串行通信高得多的信息传输率，而且目的设备不需要或修改就可以直接使用接收到的数据。但其缺点是所需信号传输线的代价较高，会随着传送距离的增加而急剧增加，而且不便于实现调制和解调。适用范围适用范围串行通信适用于传输速度要求较低、信息传输量相对较少、传输距离要求较远的数据传送。 并行通信适用于短距离的、快速的、大传输量的数据传送。 串行通信接口标准串行通信接口标准 RS-232C接口标准 RS-422A接口标准 RS-485接口标准串行通信接口的任务串行通信接口的任务（1）进行串/并转换 （2）实现串行数据格式化 （3）可靠性检验 （4）实施接口与DCE(数据通信设备)之间联络控制RS-232C接口标准RS-232C接口标准在串行异步通信接口中，应用最为广泛的当属RS-232C接口。这是电子工业协会（EIA, Electronic Industry Association）于1969年为解决数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）之间的接口问而发表的推荐标准。 该标准一方面规定了接口的电气特性，包括信号的逻辑电平、最高数据传输率、发送和接收电路的特性等规定；另一方面规定了接口的机械特性，包括用于连接的插头、插座的尺寸、插脚数，引脚分配、插脚与插孔的尺寸等；另外该标准还对信号的功能进行了描述，包括对各信号的名称、方向和相互关系的说明。RS-232C的电气特性RS-232C的电气特性RS-232C是采用双极性不归零脉冲来表示所传送数据信号的，也就是说，它的信号电平对地是对称的。以-3V ~ -15V电平代表二进制的逻辑1；而以+3V ~ +15V电平代表二进制的逻辑0。 由于RS-232C采用负逻辑电平表示信号，与TTL电平完全不兼容，因此需要专用的芯片来实现电平的转换，这种转换芯片有MC1488/MC1489和MAX232/ICL232等。 RS232C接口的通讯距离15米，速率20KbpsRS-232C的机械特性RS-232C的机械特性在RS-232C标准中规定采用DB-25型（即D型25针）连接器做为接口连接器。在25条信号线中，经常用到的信号线只有几条，实用中最简单的双向通信连接方式只需三条连接线。 现在有些计算机将RS-232C标准25针的连接器简化为9针D型连接器。注意在9针连接器中，数据发送和数据接收的引脚定义正好与25针连接器的定义相反。DB9连接器的引脚名称DB9连接器的引脚名称RS-232C的TXD/RXD/SGRS-232C的TXD/RXD/SG“数据发送”TxD和“数据接收”RxD为数据传输信号线，用于数据信号的发送和接收，必须将它们相互交叉连接，以保证收发数据的正确传送； 为保证收发两端的信号的“共地”，收发两端的“信号地”SG（第7脚）要直接连接在一起；RS-232C的RTS/CTSRS-232C的RTS/CTS“请求发送”RTS（第4脚）是由接收端向发送端发出的要求发送数据的信号，当其有效时表示接收端已经准备好接收数据，发送端可以发送，否则，发送端不能发送数据； “清除发送”CTS（第5脚）则是发送端的输入信号，当其有效时，表示接收端已准备好开始接收数据或上次的接收任务已经完成，发送端可以继续发送。 在实用中RTS和CTS两个信号经常需要配合使用，接线时令其相互交叉，用来做传送每一个字节的握手信号。发送端在发送每个字节之前，先要检测CTS是否有效，只有当其有效时（这时RTS为有效），发送端可发出一个字节的数据，而如果接收端RTS无效（则CTS无效），发送端的数据发送被封锁。这一点在使用中应特别注意，在有些情况下，如果CTS信号被置于无效状态，串行口的发送功能将不能实现。 RS-232C的DTR/DSRRS-232C的DTR/DSR“数据设备就绪”DSR（第6脚）和“数据终端就绪”DTR（第20脚）是另外一对握手信号，其有效时分别表示接收设备和发送设备已经与通信信道正确连接并且已经就绪，可以进行通信； 综上所述，各信号线中，TxD、RxD、SG这三条线是最基本的，RTS、CTS、DSR和DTR则是双方通信的握手控制信号。RTS、CTS用于控制通信双方每个字节的发送或接收过程，而DSR、DTR则是表示通信设备是否已经就绪，通信过程能否建立。这些握手信号可以通过硬件电路的连接使之有效，也可以通过软件设置，用模拟的方法产生。 RS-232C的接线RS-232C的接线RS-232C通讯数据格式 RS-232C通讯数据格式 数据格式的说明数据格式的说明对于每个要传送字节的开始位置，需要加上一位启动位（或称起始位），以表示该字节的起始位置； 紧跟着起始位就是所传送字节的各位信息位，根据传送字符格式的不同，可以是5、6、7或者8位数据位； 有时为了实现差错控制还需要加上一位奇偶校验位； 而在传送字符的最后，要加上1、1.5或2位停止位，以保证使信道恢复到空号状态，并为下一个字节的起始做好准备。 异步通信的说明异步通信的说明从起始位开始到停止位结束称为一帧，发送一个字符，字符数据位的发送顺序为D0 ~ D7。当一帧数据发送完毕，如果还有数据要发送，发送器应立即传送一个新的起始位，开始信道传送过程，如果不再发送数据，则将信道维持在空号状态。 在一帧数据中的起始位、各数据位、奇偶校验位以及停止位的宽度是由通信两端的通信时钟（TxC和RxC）所决定的，在一般情况下我们认为通信两端的时钟定时是比较精确的，在发送一个字符的时间间隔内，不会产生太大的误差，因此异步通信不需要位同步措施，只要在字符的开始和结束加上起始位和停止位，实现字节同步就可以了。 因此所谓异步通信，在一个字节的内部是同步的，异步只是指在字节之间是异步的。 RS-232C接口的优缺点RS-232C接口的优缺点RS-232C接口的最大优点是简单易于实现、通用性好，现在几乎所有的计算机及终端设备都配备有这种接口，而且使用一些廉价的器件可以非常方便地构成自己的RS-232C接口。 但是由于这种接口在电气性能方面，采用以电压表示信号的方法，并且信号电压对地是对称的，在它的发送器和接收器之间具有公共的信号地线，就使得共模干扰不可避免地耦合到信号系统中。为了降低信道上噪声干扰的影响，该标准采用了较高的信号电平来表示信号。 该标准的传输频率最多只能到20K赫兹，并且传输距离最大为15米。RS-422A接口标准RS-422A接口标准EIA于1975年又提出了一种推荐标准RS-422A。它同RS-232C的最大区别在于，不是采用信号电平来传送信号，而是利用两条信号线之间的差分电压来表示信号。 这是一种双端传输的平衡接口，所谓平衡驱动是指通信往返信道的组成是完全对称的，而且平衡信道的往返信号线都不接地。而不平衡驱动的往返信道是不对称的，由于RS-232C的信道一方是信号线，另一方是地线，所以它是不平衡接口。对RS-422A接口而言，其发送通道和接收通道各有两条信号线（在半双工情况下可以只有两条信号线），接收器是接收来自双端驱动器相反极性的差分信号。 RS-422A的最大优点是差分信道的抗噪声能力强，可以使信号传输较远的距离，同时由于噪声效应的降低，使得通信速率可以大幅度地提高。 RS-422A和RS-232C的驱动方式RS-422A和RS-232C的驱动方式RS-422A和RS-232C的性能RS-422A和RS-232C的性能RS-485接口标准RS-485接口标准为了满足分布式系统中的多点通信问题，EIA于1983年又提出了一种RS-485推荐标准。该标准同RS-422A标准一样，也是采用平衡驱动的差分信号进行数据传输，但可以在半双工的通信模式下，实现多点通信的要求， RS-485网络RS-485网络RS-485和RS-422A的异同点RS-485和RS-422A的异同点可以简单地认为RS-422A是一个1对1或者1对N（最多可以做到1发10收）的差分平衡驱动接口，而RS-485则是一个多点对多点（N对N）的差分驱动网络。 RS-485网络结构更适合于分布式系统通信。由于它是一个多点对多点的通信网络结构，有多个收发器同时连接在同一条信道上，这使得它在控制方面相对要复杂一些，首先在硬件上每一个收发器应具有一种可控的“高阻”状态（三态）；在软件控制方面，由于多个节点公用同一条信道，应有一套实用的避免通信冲突的算法和机制。 RS232/RS422/RS485的比较RS232/RS422/RS485的比较异步通信的特点-1异步通信的特点-1异步方式与同步方式比较，具有电路简单、不需要位同步措施、通用性好等优点。 由于异步通信方式是把传输的字符看作一个独立的信息单位，每个字符在信息流中出现的相对时间是任意的，所谓异步就是针对这一点讲的。而每个字符中的各位，则以固定的时钟频率传送。为此在进行数据传输时，它必须为每个字符都加上启动位、停止位和奇偶校验位（如果需要），构成一个完整的通信字。 因此这种是以通信字符为单位的起止通信协议，其实质是在字符内部是同步的，而在字符之间是异步的。异步通信的特点-2异步通信的特点-2异步通信不需要位同步措施，因而它的发送器和接收器的硬件设计都比较简单，但这同时也带来了传码效率较低的问题（在异步方式下，每传送一个字符至少需要传送20％的额外控制信息）。 另外在抗干扰性能方面与同步方式相比，也稍差一点，尤其当干扰发生在启动位附近时，有可能导致误启动（即误同步），会产生比较严重的后果。 但由于异步通信的简单易行、通用性好、软件编制相对简单等优点，异步通信方式在计算机数据通信当中应用的还是十分广泛的。 同步通信的概念同步通信的概念同步通信和异步通信一样，也是串行通信中应用较为广泛的一种通信模式。 所谓同步串行通信是指通信双方在建立起正常的通信联系之后，在整个通信过程中收发双方始终保持同步状态，即通信收发双方始终以完全相同的频率、相同的相位工作。 同步通信的特点同步通信的特点同步通信与串行通信方式比较，其最主要的不同点在于同步通信不仅仅是在传送的数据字符中间的每一位需要保持同步，而且在传送的每个字符之间也都应始终保持同频同相传输，因此它是一种完全的同步通信方式。 同步通信是以固定的时钟频率来管理信道中数据流的传输，不仅对于每个传送字符的各数据位进行管理，而且也管理各字符间的定时，因而在数据传输时，只需要把若干个字符组织成一个字符块（Block），而只在字符块的起始和结束的位置加上控制信息就可以了（帧同步字）。这样当字符块的长度增加时，这种必须传送的额外控制信息在全部传送信息量中所占的比例就会降低。 同步通信的通信速率可以比异步方式高， 同步通信的抗干扰能力和检错纠错能力也优于异步方式。 同步通信的缺点同步通信的缺点同步通信方式与异步方式比较，最主要的缺点是结构比较复杂。为了保持在整个通信过程中的同步，这种方式在硬件电路上需要设置专用的同步锁相电路，来实现接收端和发送端的时钟同步，因而它的接收器和发送器的电路设计要比异步方式复杂的多； 其次，在通信控制软件的编制上，同步通信的程序也要比异步通信程序复杂； 此外在1对N的多收发站通过同一信道进行半双工通信的系统中，当更换发送站时，接收端的跟踪锁相将是十分困难的，因此不便于实现1对N的通信。同步/异步通信的适用范围同步/异步通信的适用范围根据同步通信和异步通信的这些特点，在工业过程监控系统的数据通信中，对于那些数据传输量大、通信距离较长且存在较强干扰的应用场合，可以采用同步方式进行数据传输，这样做虽然增加了系统软硬件设计到复杂性，但却可以重点保证数据传输的效率和可靠性； 对于一些中小监控系统，数据传输量不大且传送距离较近时，则可采用结构较为简单的异步通信方式，以中低速（如300～9600波特）的速率进行通信，以简化系统设计，降低系统成本。位同步位同步接收端为了把收到的信息正确检出，必须知道每位数据的起始时刻和终止时刻。只有在数据位应出现的时刻来判别接收到的码元是“1”还是“0”，才能正确地 重现发送端发出的各位信息。因此在接收端要产生数据位的定时脉冲序列，这种定时脉冲序列和发端发送的数据码元序列同频、同相。这种同步被称为位同步或码元同步。帧同步帧同步如果发送端在发送数据之前，先发送同步码字，接收端检测到正确的同步码之后，在同步码字结束的时刻，将接收端时序置成与发送端相同的状态，这种同步方式叫做帧同步。 帧同步中的同步码字又称为同步字或帧同步码，用于表示一帧数据的开始。它一般是用一种特定的数字序列，具有特殊的标志，如工程中长用三连续的十六进制数据0EB90H作为帧同步字。 位同步的实现位同步的实现为了实现位同步，在实际应用中是直接从接收到的数字序列中提取这一同步信号的。目前应用最多的方法是锁相环法。 锁相环电路实际上是一种允许用外部参考信号去调整控制环路内部振荡器的频率和相位的电路。其基本原理是在通信的接收端利用鉴相器，比较接收到的数据码元和本地产生的位同步信号之间的相位，如果两者不一致，如超前或滞后，则鉴相器就产生一个调整脉冲去调整本地位同步信号的相位，直到与接收数据码元的相位一致为止。 帧同步的实现帧同步的实现帧同步的实现比较简单，一般是在接收端对所接收到的字符数据进行搜索，当检测到特定的同步码字之后，就认为是一帧数据的开始，实现帧同步。因此，建立帧同步的过程就是接收端搜索同步字的过程。这一过程被称作整步或捕捉同步。 而在收发两端已经建立起同步之后，接收端可以只在每一帧的固定时间段内，例如一帧的开始接收帧同步字，以维持同步，这个过程叫做“维持状态”。这样只有在帧同步字出现的时刻才检测和接收帧同步字，在其它时间不检验和接收帧同步码，提高了通信的数据传输效率。 由于通信收发两端的时钟频率均有足够的稳定度，因而可以在建立起帧同步之后的一段时间之内（即使随后少数几次收不到同步码字），不需要继续进行整步操作，这个过程被称为“惯性同步”。