1、网络化控制系统 现场总线技术之 第2章 串行通信与串行通信接口,清华大学自动化系阳宪惠,串行通信,数据通信 两点或多点之间借助某种传输介质进行信息交换的过程 串行通信 数据流从源节点依次逐位历经传输介质到达目的节点的传输过程 通过信号传输来传递数字信息,串行通信的几个环节,数据编码 将数据转换为通信的传输信号 数据成帧 将数据按规定格式排列，加载通信必须的起始、同步、结束标志，源地址，目的地址等，形成通信帧 串行化 将以字节为单位的并行数据按规则排列成位串 发送 数据流逐位通过发送器接口在传输介质上形成传输信号 传输 信号流历经传输介质从源节点到达目的节点的 接收 信号流经传输被连接在传输介质
2、上的接收器接收 数据还原 接收信号经解码反串行化由接收者还原出被传输的数据 差错控制 出错检测；差错纠正,数据编码与编码波形,按某种规则将要传输的数据转换为相应信号过程被称为通信编码 通过编码将数据转换成适合于传输的物理信号 采用用模拟信号的不同幅度、不同频率、不同相位来表达数据的0，1状态的，称为摸拟数据编码。 用矩形脉冲信号的高低电平来表达数据的0、1状态的，称为数字数据编码,模拟数据编码,模拟数据编码采用模拟信号来表达数据的0，1状态。信号的幅度、频率、相位是描述模拟信号的参数 幅值键控(ASK Amplitude-Sheft Keying)又称键控调幅 频移键控(FSK Frequen
3、cy-Sheft Keying)又称键控调频 相移键控(PSK Phase-Sheft Keying)又称键控调相几种模拟数据编码的波形,数字数据编码波形,单极性码 信号电平是单极性， 如逻辑1用高电平，逻辑0为0电平的信号表达方式。 双极性码 信号电平为正、负两种极性的 如逻辑1用正电平，逻辑0为负电平的信号表达方式 归零码(RZ) 在每一位二进制信息传输之后均返回零电平的编码 双极性归零码的逻辑1只在该码元时间中的某段(如码元时间的一半)维持高电平后就回复到零电平，逻辑0只在该码元时间的一半维持负电平后也回复到零电平 非归零码(NRZ) 在整个码元时间内都维持有效电平的编码方式,a 单极性
4、非归零码 c 双极性非归零码 b 单极性归零码 d 双极性归零码 单、双极性的归零码和非归零码,曼彻斯特编码（Manchester Encoding）,曼彻斯特编码规则 把时间划分为等间隔的小段 其中每小段代表一个比特(位 bit) 每个比特时间又被分为两半，前半段所传信号是该时间段比特值的反码，后半段传送的是该比特值本身。 从高电平跳变到低电平表示0，从低电平跳变到高电平表示1。 特点： 其波形(时钟周期)中间点总有一次信号电平的变化，因而具有可用于时钟同步的内在信息 信号本身携带有同步信息。无需另外传送同步信号。,曼彻斯特编码的相关波形,数据波形时钟波形M编码 波形,双相L曼彻斯特编码 (
5、Manchester Biphase L),双相L曼彻斯特编码是曼彻斯特编码的一种变形码 从高电平跳变到低电平表示1，从低电平跳变到高电平表示0 双相L曼彻斯特编码是标准曼彻斯特编码的反码,差分码,用时钟周期起点电平的变化与否代表数据“1”、“0”状态的编码 如用时钟周期起点电平变化代表“1”，不变化代表“0”。 差分码按初始状态为高电平或低电平，有相位截然相反两种波形。,差分曼彻斯特编码 既具有差分码的特点，又具有曼彻斯特编码的特点 时钟周期起点电平的变化与否代表数据的“1” 、“0” 状态，即差分码的特点 时钟周期的中间点电平跳变一次，即曼彻斯特编码的特点,基带编码信号 不经过任何调制处理
6、、编码信号基本保持数据波原样的，称为基带编码信号 编码信号基本保持数据信号的原有频率 曼彻斯特编码信号为典型的基带编码信号 载波调制信号 通信信号需经过调制处理 由调制器产生一定频率的载波信号 依照数据内容(1,0状态)和调制规则改变载波信号的幅值/相位 载波信号在加载数据后形成载波调制信号 载波信号与数据信号的频率无关（相互独立） 如ZigBee通信中以2.4G的高频载波信号承载传输速率为10-250Kbps的数据,画出数据序列01101011的： 数据波形 时钟波形 L_Manchester编码波形 双向L_Manchester编码波形 差分Manchester编码波形,数据的串行/并行转
7、换,数据的串行化 现场设备或计算机中的数据信息一般由数据块或多个数据字节组成，而1个字节通常由8/16/32/64个数据位组成 例如一个通信数据由10个8位字节构成 按规定的排列顺序（例如由高位到低位排列）将多个字节中并列的数据位全部排成一个数据串，被称为串行化 将10个8位字节的数据排列成80个数据位的数据位流 发送者依次逐位发送该串数据，形成数据位流 发送者按一定的约定规则，将多个字节中的按字节并列的数据位全部排成一个单列的数据位串,数据的反串行化 接收者将逐位接收到的数据位流，并按照预先规定好的（与发送者相同的）排列规则，还原出数据的原有形态（即多个数据字节）的过程，被称为反串行化 数据
8、的串行化与反串行化也被称为数据的串行/并行转换,单字节数据的报文帧,数据报文的帧结构 “起始”位（帧头）+“数据”位+“停止”位（帧尾 ） “起始”位（帧头） 通知接收方有数据到达 给接收者一段准备接收数据、缓存数据和做出其它响应所需要的时间 可设置一个或多个起始字节作为帧头 “停止”位（帧尾） 告知接收方本次传输过程的终止 可设置一个或其他规定字节作为帧尾,单字节数据的报文帧,单字节数据的通信帧结构,多字节数据报文帧的结构,通信的连接与确认,连接握手 从发出连接请求到确认收发双方已经建立了连接关系的过程 通信伙伴双方已经做好准备，可以进入数据收发的状态 可以通过软件和硬件来实现,硬件连接握手
9、 接收者在准备好了后将相应的端口线带入到某个规定的电平状态，如高电平 发送者从串行接口监测到这个信号的电平变化，便开始发送数据 接收者可以在任何时候将这根端口线带入到低电平；当发送者检测到这个低电平，就停止发送,软件连接握手 发送者通过发送一个特定字节表明它想要发送数据 接收者看到这个字节的时候，也发送一个编码来声明自己可以接收数据 当发送者看到这个信息时就知道它已完成连接，可以发送数据了 接收者还可以通过一个另外的编码来告诉发送者停止发送。,确认 接收者向发送者发送一个回复信息，表明数据已经正确收到，这个过程称为确认。 确认报文可以是一个的特别定义的报文，例如标识接收者地址或编号，表明哪个接
10、收者已正确接收报文 发送方根据是否接收到确认报文，采取相应的措施，或结束本次通信，或重发，或开始下一个通信过程,中断请求与处理,中断请求：中断是用于通知CPU有任务需要立即响应的一个信号 中断处理：中断响应服务程序用于在中断发生时执行所期望的相应操作 中断请求按事件驱动 发生硬件中断 一个软件缓存的计数器到达了一个触发值 节点可以通过中断请求与处理进入串行通信处理过程,串行通信的中断请求与处理,串行通信的中断请求 将串口的串行通信中断请求信号连接到中断控制器 在要求进行串行通信时，由串口将相应的端口置位 CPU通过自动检测端口事件，发现串口的串行通信中断请求 串行通信的中断处理 此时转入的中断
11、处理程序即串行通信的处理程序 处理正常的通信过程 处理在发送、接收过程的非正常状态 通信中发生了异常事件，需要根据状态变化停止执行现行程序而转向与状态变化相适应的应用程序,轮询,CPU通过周期性地主动探询各外部端口是否有事件发生工作过程称为轮询 主节点周期性地主动探询各从节点，与从节点交换数据的过程也称为轮询 轮询的频率决定了对事件的反应快慢 在计算机或PLC控制器等通过串口与I/O之间传输数据时通常会采用轮询,串行通信接口 通信接口规范 EIA 232,EIA-232数据通信的特点 信号传输距离最大15米 数据的最大传送速率在20Kbps 只适合于两台设备之间的数据传输 EIA-232的信号
12、电平 采用负逻辑 以-5V-15V电平表示逻辑“1” 以 +5V+15V表示逻辑“0”,端口连线,通信节点间端口直接连接（无Modem）,DB-9连接器,DB-9连接器的外形与管脚排列,通信接口规范 EIA 485,EIA 485的特点 用于通信节点多，位置分散，通信距离远，要求采用最少的连线完成的通信任务 允许一对线路上连接多达32个发送器和接收器2根连线实现多节点互连 连接可以是半双工的，也可以上全双工的 规范了数据收发的平衡差分电路 没有规定数据链路协议，时钟需求 没有规定连接器 使用方便，价格便宜,485节点的半双工连接,EIA- 485与EIA- 232主要技术参数比较,通信接口规范
13、 通用串行总线 USB,即插即用的计算机外设扩展总线，用于实现低成本的即插即用连接 USB2.0 数据传输速率可达480Mbps(兼容USB 1.1版本。USB 1.1的传输速率为12Mbps或1.5Mbps ) 最多可连接127台设备（包括根集线器） 得到很多操作系统的支持,USB的两种连接器外形 A型通常在PC机上使用 ，B型则多出现在可与PC连接的多种小型设备上,A型,B型,通信接口规范 快速外设总线标准 IEEE-1394,数据传输速度快 标准中允许1.6和3.2Gbps的传输速率 1394a传输速率可达400Mbps (采用4或6针接头) 1394b传输速率可达800Mbps(采用9
14、针接头) 可连接63台外部设备(采用菊花链式连接) 价格较USB贵,差错控制,差错控制 指为提高通信传输质量而提出的有效检测错误并进行纠正的方法 差错控制的主要目的是减少通信传输错误。 差错检测 使报文中包含差错冗余信息，接收端通过检查冗余信息发现通信错误 不判断是哪一位出错，也不纠正传输中的差错 差错检测原理简单，实现容易，编码与解码速度快 在工业数据通信中得到广泛使用。 差错纠正 使报文中带有足够的冗余信息，以便接收端能发现并自动纠正传输错误。 差错纠正在功能上优于差错检测，但实现复杂，造价高。,传输差错的类型,传输差错的产生 数据传输过程受到电磁辐射等多种干扰 ，影响到数据波形的幅值、相
15、位或时序 干扰影响了对接收数据中任何一位（0、1状态）的辨认，就会影响数据的数值或含义，称传输过程出现了差错 传输差错的分类 按单位数据域内发生差错的数据位个数及其分布，划分为 单比特错误 多比特错误 突发错误,单比特错误 在单位数据域内只有1个数据位出错的情况 单比特错误比较容易发生、也比较容易被检测和纠正 多比特错误 在单位数据域内有1个以上不连续的数据位出错的情况，称为多比特错误 突发错误 在单位数据域内有2个或2个以上连续的数据位出错 多个数据位连续出错，是突发错误区别于多比特错误的主要特征,差错检测,差错检测的含义 根据接收端接收到的冗余信息特征，判断报文在传输中是否出错的过程，称为
16、差错检测。 只能判断是否出错，不能确定哪个或哪些位出现了错误，也不能纠正传输中的差错。 差错检测的方法 奇偶校验 求和校验 纵向冗余校验LRC 循环冗余校验CRC CRC在现场总线系统中被广泛采用,奇偶校验,校验方法 在每个单位数据域（如字符）中加上一个单一的校验位（奇偶校验位），使得包括该校验位在内的各单位数据域中1的个数是偶数（偶校验），或者是奇数（奇校验）。 奇偶校验的特点 方法简单，检验效率高 可以检测出所有单比特错误 但也有可能漏掉许多错误,对7位数据进行奇偶校验时的部分校验位,求和校验,校验方法 在发送端将数据分为k段，每段均为等长的n比特 将分段1与分段2做求和操作，再逐一与分段
17、3至k做求和操作，得到长度为n比特的求和结果 将该结果取反后作为校验和放在数据块后面，与数据块一起发送到接收端 在接收端对接收到的、包括校验和在内的所有k +1段数据求和 如果结果为零，就认为传输过程没有错误，所传数据正确 如果结果不为零，则表明发生了错误。 求和校验能检测出95的错误 比奇偶校验方法的计算量大,纵向冗余校验LRC,校验方法 按预定的数量将多个单位数据域组成一个数据块 每个单位数据域各自采用奇偶校验，得到各单位数据域的冗余校验位 再将各单位数据域的对应位分别作奇偶校验 如对所有单位数据域的第1位作奇偶校验，对所有单位数据域的第2位作奇偶校验，等等 将上述所有位置进行奇偶校验得到
18、的冗余校验位组成一个新的数据单元，附加在数据块的最后一同发送出去 接收端采用相同的校验方法，在对接收到的数据进行校验 如果发现任一个冗余校验位出现差错（包括单位数据域的冗余校验位，新的数据单元的某位），则认为该数据块的传输出错,纵向冗余校验LRC的特点 提高了发现多比特错误和突发错误的可能性 可能的漏检 如在某个单位数据域内有两个数据位出现传输错误，而另一个单位数据域内相同位置碰巧也有两个数据位出现传输错误，纵向冗余校验的结果会认为没有错误,循环冗余校验 CRC Cyclic Redundancy Check,校验方法 把要发送的数据描述成一个多项式(x)的位序列，(x)的各项系数为数据序列的
19、0、1状态 用预先约定的生成多项式G(x)去除(x) ，求得一个余数多项式R（x） 将余数多项式加到数据多项式之后发送 接收端用同样的生成多项式G(x)去除接收数据多项式(x)，得到余数多项式 如果计算得到的余数多项式与接收到的余数多项式相同，则表示传输无差错 如果计算余数多项式不等于接收余数多项式，则表示传输有差错 的计算规则：减法不借位，加法不进位的异或操作,校验的工作流程,CRC校验的特点 能检测出约99.95%的错误 与前几种方法相比，其计算量大 实现CRC校验的几种生成多项式G(x) CRC -12 G(x)=x12+x11+ x3+x2+x+1 CRC -16 G(x)=x16+x
20、15+ x2+1 CRC -CCITT G(x)=x16+x12+x5+1 CRC -32 G(x)=x32+x26+ x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+ x5+x4+x2+x+1,生成一个CRC的过程,（如果LSB为1）：将CRC寄存器与多项式值0xA001（1010 0000 0000 0001）异或。 e)重复步骤c）和 d），直到完成8次移位。在完成这个操作之后，即完成了对一个完整的8位字节的处理。 f)对报文的下一个8位字节重复步骤b）至e）。继续进行这种操作，直到处理报文中所有字节为止,CRC-16的计算过程框图XOR = 异或 N = 信息位的数量 PO
21、LY = 计算CRC16的多项式,差错的纠正,两种常用的纠错方法： 自动重传 当检测到一个错误时，接收端自动请求重新传输 技术简单，但确认、重发过程可能造成通信障碍 前向差错纠正 在接收端检测和纠正差错，无需请求重发 将一些额外的位按照某种方式进行编码，加入到通信数据中。根据这些位的状态可检测到一定数量的错误并进行纠正。 增加这些额外的位增加了通信开支，同时也增加了计算量 海明（R.W.Hamming）码常用于前向差错纠正,海明码纠错,海明码的编码规则 发送端 根据要传输的数据单元的长度，确定冗余位的个数； 确定各冗余位在数据单元中的位置； 计算出各冗余校验位的值 排列成包含冗余校验位的数据序
22、列，按此序列发送 接收端 按与发送方相同的方法，计算出接收数据的冗余校验位，排列成包含冗余校验位的数据序列 将按计算结果排列出的数据序列与接收到的数据序列比较，判断传输过程是否有错。是哪一位出错，并将出错位取反，以纠正该错误。,确定纠正单比特错误所需的冗余位数 设纠正单比特错误需增加的冗余位数为r，r应满足：2r m + r + 1； m为数据单元的长度 如7位的ASCII码，m为7，取r为4 可满足上式；且r为4是满足上式的最小取值 要纠正7位ASCII码中的1位错误，需要增加4个冗余位,冗余位的定位 将4个冗余位分别编号为R1, R2, R3, R4 按海明码的编码规则，这4个冗余位应分别
23、插到数据单元的20, 21, 22, 23位置上，即R 1, R2, R3, R4将被分别插入到数据单元的D1，D2，D4，D8的位置上。 各冗余位在11位海明码中的位置,各冗余位取值的计算 海明码的每个冗余位的值都是一组数据的奇偶校验位。 冗余比特位R 1, R2, R3, R4分别是4组不同数据位的奇偶校验位， 采用二进制数据来表示海明码11个数据位数 有0001；0010；0011；0100；0101；0110；0111；1000；1001；1010，1011这11种情况 对这11种情况中位数最低位为1的位置进行偶校验，即对0001；0011；0101；0111；1001，1011这6个
24、数据位做偶校验，得到的偶校验码为R 1的值 即R 1为对从低位数起的第1、3、5、7、9、11这6位作偶校验而得到的校验位。,对这11种情况中位数的次低位为1、即倒数第2位为1的位进行偶校验， 即对0010；0011；0110；0111；01010；1011（第2、3、6、7、10、11）这6个数据位做偶校验，得到的偶校验校验位的值为R 2的值 依此类推 对这11种情况中倒数第3位为1（0100；0101；0110；0111）的位置，即第4、5、6、7这4位做偶校验，得到的偶校验码为R 3的值 R4是对倒数第4位为1的位置，即第8、9、10、11 （1000；1001；1010；1011）这4
25、位作偶校验得到的校验位的值,示例1：数据1001101变成海明码的编码过程由数据1001101得到的海明码为10011100101,海明码对1位出错的检测与纠正,示例2 ：上例中形成的10011100101海明码如经传输出现1位错误，如何检测与纠正 ？ 如第7位出错，由原本的1变为0，使接收方收到数据为：10010100101 接收方如何从数据10010100101中发现有错？ 错在哪一位？ 纠错 接收方收到数据后，采用与发送方相同的方法计算出偶校验位的值； 对第1、3、5、7、9、11这6位作偶校验，得到的校验位R 1是1； 对第2、3、6、7、10、11这6位作偶校验，得到的校验位R 2是1； 对第4、5、6、7这4位作偶校验而得到的校验位R 3是1； 对第8、9、10、11这4位作偶校验得到的校验位R 4是0。,对接收数据按与发送端相同的方法作偶校验,由相应位偶校验得到的校验位排列成R4R3R2R1,其二进制数为0111 这一结果表明通信传输出现了错误 出错位位于第7位 将接收数据的第7位求反，由0改变为1，便纠正了传输过程中出现的错误如果该海明码传输过程正确，没有出错，其偶校验位R 1、R2、R3、R4为多少？,
