葛春 火箭軍士官學(xué)校

多型串口的特性分析與演示

葛春 火箭軍士官學(xué)校

本文針對(duì)多型串口教學(xué)內(nèi)容的重難點(diǎn)，首先分別從機(jī)械外部特性、通信協(xié)議特性和通信電氣特性三個(gè)方面進(jìn)行了分析與比較，然后利用串口終端機(jī)、虛擬應(yīng)用機(jī)以及串口轉(zhuǎn)接器等設(shè)備完成了多型串口特性的演示。

多型串口 特性分析 特性演示

引言

多型串口（RS-232、RS-422、RS-485）作為自動(dòng)化控制、電氣控制等多個(gè)專業(yè)都會(huì)學(xué)習(xí)到的教學(xué)內(nèi)容，其特性分析和比較是教學(xué)的重點(diǎn)也是難點(diǎn)，本文旨在對(duì)比分析這三種常用數(shù)字串口的特性后，力求設(shè)計(jì)一種串口特性演示系統(tǒng)，以降低學(xué)生學(xué)習(xí)此重難點(diǎn)知識(shí)的難度。

一、多型串口的特性分析

（一）多型串口的機(jī)械外部特性

RS-232串口最初采用25針D型接口，分別對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)、請(qǐng)求發(fā)送、清除發(fā)送、數(shù)據(jù)終端就緒等接口信號(hào)線做出了規(guī)定，利用調(diào)制解調(diào)器和普通電話線就可以完成數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE與數(shù)字通信設(shè)備DEC之間的通信。后來(lái)簡(jiǎn)化成9針D型接口，更方便應(yīng)用于計(jì)算機(jī)與數(shù)字終端的通信，其中最核心的三針引腳分別為2針接收數(shù)據(jù)、3針發(fā)送數(shù)據(jù)和5針接地。而在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于為了方便接線、多型串口合并在一個(gè)硬件對(duì)外接口、通信電纜結(jié)構(gòu)等多種原因，還會(huì)出現(xiàn)接線端子、37針D型接口、44針D型接口、圓形3針接口等多種機(jī)械外部結(jié)構(gòu)。RS-422、RS-485串口在工程應(yīng)用中也和RS-232串口一樣，具有機(jī)械外部結(jié)構(gòu)的多樣性。

（二）多型串口的通信協(xié)議特性

RS-232串口最常用的微機(jī)通信數(shù)據(jù)格式由一個(gè)起始位、五到八位的數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位、停止位組成，一般利用一位二進(jìn)制的“0”表示起始位，一位二進(jìn)制的“1”表示停止位，奇偶校驗(yàn)位用來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性的校驗(yàn)。當(dāng)然這只是最常用的數(shù)據(jù)格式，由于電子工業(yè)協(xié)會(huì)對(duì)多型串口標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議沒(méi)有做出明確規(guī)定，所以在工程應(yīng)用中，會(huì)根據(jù)不同應(yīng)用需求、應(yīng)用特點(diǎn)，用戶可以建立自己的高層協(xié)議。RS-422、RS-485串口在工程應(yīng)用中也和RS-232串口一樣，比如RS-422串口在反坦克導(dǎo)彈中的應(yīng)用，為了滿足彈上設(shè)備數(shù)字通信的可靠性、實(shí)時(shí)性，采用了兩個(gè)字節(jié)信息頭、一個(gè)字節(jié)幀內(nèi)字節(jié)數(shù)、幾個(gè)字節(jié)幀內(nèi)信息、兩個(gè)字節(jié)信息尾、一個(gè)字節(jié)校驗(yàn)和的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)[1]。RS-485串口采用常用的ModBus協(xié)議和國(guó)內(nèi)大多數(shù)地區(qū)采用的多功能電能表DL/T645-1997協(xié)議[2][3]等。

（三）多型串口的通信電氣特性

通信電氣特性是RS-232、RS-422和RS-485三種串口標(biāo)準(zhǔn)的根本區(qū)別所在。RS-232串口采用負(fù)邏輯電平，規(guī)定DC（-3V～-15V）為邏輯“1”，DC（+3V～+15V）為邏輯“0”，由于電壓范圍較大，易損壞接口電路，且不與TTL電平兼容，另外因?yàn)椴捎檬瞻l(fā)信號(hào)相對(duì)于信號(hào)地的通信模式，易產(chǎn)生共模干擾，導(dǎo)致工程應(yīng)用中理想通信距離較短，通信速率較低。電子工業(yè)協(xié)會(huì)針對(duì)這種不足，提出了“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”，采用了差分電壓信號(hào)傳輸體制的RS-422串口，規(guī)定電壓差+2V～+6V表示邏輯“1”，-6V～-2V表示邏輯“0”，雖然增加了通信距離，提高了通信速率，但共模范圍為-7V～+7V，只能完成一發(fā)多收的單向傳輸，為提高共模范圍，實(shí)現(xiàn)多個(gè)發(fā)送器連接在同一條總線上，電子工業(yè)協(xié)會(huì)提出了RS-485串口，將共模范圍提高到了-7V～+12V,同一條總線上允許連接多達(dá)128個(gè)收發(fā)器[4]。

二、多型串口的特性演示

特性演示硬件組成包括串口通信終端1、串口通信終端2、虛擬儀器應(yīng)用機(jī)、RS-232/422/485串口通信轉(zhuǎn)接器等組成。串口通信終端1、2通過(guò)RS-232串口分別與RS-232/422/485串口通信轉(zhuǎn)接器連接；兩個(gè)轉(zhuǎn)接器通過(guò)接線端子和信號(hào)線，由操作者選擇完成RS-422或RS-485串口連接；串口轉(zhuǎn)接器，兼容RS-232、RS-422、RS-485標(biāo)準(zhǔn)，能夠?qū)味说腞S-232信號(hào)轉(zhuǎn)換為平衡差分的RS-422或RS-485信號(hào)。

為更好的展示三種串口的機(jī)械外部特性，系統(tǒng)運(yùn)用通信板卡、轉(zhuǎn)接器、Y2航空插頭、焊接電纜等方法，分別針對(duì)這三種串口設(shè)計(jì)多種外形結(jié)構(gòu)，如9針D型插頭座、37針D型插頭座、44針D型插頭座、接線端子、Y2航空插頭座等形式，實(shí)現(xiàn)多型串口機(jī)械外部多樣特性的演示。

為更好的展示三種串口的通信協(xié)議特性，系統(tǒng)將串口通信終端機(jī)1、2軟件設(shè)計(jì)成類似于“串口大師”的功能，實(shí)現(xiàn)串口波特率、數(shù)據(jù)幀格式的設(shè)置，以及數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收等功能。學(xué)生可以通過(guò)不同數(shù)據(jù)位、停止位、波特率等的設(shè)置，觀察到數(shù)據(jù)接收正確或者出現(xiàn)亂碼的情況，加深對(duì)通信協(xié)議的認(rèn)知。

為更好的展示三種串口的通信電氣特性，系統(tǒng)利用中泰公司的PC-6325A板卡，通過(guò)總線插槽插入虛擬儀器應(yīng)用機(jī)的母板，并將其模擬量輸入接口的CH1+和CH1-分別連接到弘宇RS-232串口接線端子的差分通信端子，采集通信電壓值，然后在軟件界面上通過(guò)虛擬儀器界面直觀顯示串口通信的電壓波形和電壓大小，從而演示并對(duì)比三種串口不同的電氣特性。

[1]鄭紅星，曹曉緋.RS422在反坦克導(dǎo)彈中的應(yīng)用研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2008（4）：33-35.

[2]鄧志君，梁松峰.基于RS485接口ModBus協(xié)議的PLC與多機(jī)通訊[J].微計(jì)算機(jī)信息，2010（3）：107-108.

[3]袁立遙，陳健華.多功能電能表RS-485接口的通信故障及解決方法[J].通訊世界，2013（5）：94-95.

[4]何永輝，李凱.基于RS-485串口通信的軟件測(cè)試方法研究[J].指揮信息系統(tǒng)與技術(shù)，2010（12）：27-29.

葛春（1984.2-），男，單位：火箭軍士官學(xué)校。