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串行通信基礎知識MOXA產品知識 Preparedby 彭洪波Date 9 10 2009 Confidential 議程 串行通信基礎知識MOXA產品知識 Confidential 串行通信基礎知識 Confidential 串口信號串口流控串口效能串口保護 串行通信基礎知識 Confidential 串口信號 RS 232RS 422 485 Confidential 串行通信的基本概念 串行通信資料是一個bit一個bit地送出 且每個bit表示不是0就是1 1bit Confidential 并行通信的基本概念 一次發(fā)送和接收多個Bit 傳輸一次就可以完成一個Byte的容量 傳輸的效率高 12345678 12345678 Confidential 串行通信VS并行通信 Confidential 起始位 總是 1 數據位 5 6 7 8位校驗 None Odd Even Space Mark停止位 1 1 5 數據位 5 2位數據幀長度如果N 8 1 數據幀長度為10位如果E 7 2 數據幀長度為10位 串行通訊數據格式 Confidential RS232 由電子工業(yè)協(xié)會 EIA 制訂并發(fā)布工業(yè)標準 RS 232標準在1962年發(fā)布 保證不同廠家產品之間的兼容 RS 232 C接口 又稱EIARS 232 C 是目前最常用的一種串行通訊接口 RS 232作用 在串行通訊時 要求通訊雙方都采用統(tǒng)一的標準接口 使不同的設備進行通訊 Confidential RS 232 C發(fā)展 用于串行通訊的標準 規(guī)定采用一個25個腳的DB 25連接器對連接器的每個引腳的信號加以規(guī)定對各種信號的電平加以規(guī)定 IBM將RS232簡化成了DB 9連接器工業(yè)控制的RS 232一般只使用RXD TXD GND三條線 DB25 DB9 Confidential 電氣特性 邏輯電平 EIA RS 232C對電氣特性 邏輯電平和各種信號線功能都作了規(guī)定 在TxD和RxD上 邏輯1 3V 15V邏輯0 3 15V在RTS CTS DSR DTR和DCD等控制線上 信號有效 接通 ON狀態(tài) 正電壓 3V 15V信號無效 斷開 OFF狀態(tài) 負電壓 3V 15V Confidential UART 并行 TTL 0V 5V RS 232信號傳輸 收發(fā)器 D0 D7 0V 5V RS 232 12V 12V 12V 12V Tx Rx Confidential RS 232信號傳輸及信號波形 Confidential RS 232接口 信號定義 TXD RXD RTS CTS DTR DSR DCD RI GND Female Male定義相反 最高速率 115200bps Confidential RS 232信號典型應用 PC 交叉電纜 PC短接DCD信號和DSR信號 確保所有應用程序工作 比如架裝服務器的控制臺端口 RS 232連接類型I Confidential RS 232連接類型II RS 232信號典型應用 PC 直連電纜 ModemDCE設備上的DCD信號一般用作輸出信號 Confidential 串口信號 RS 232RS 422 485 Confidential RS 232VSRS 422 RS 232通信距離短RS 232通信速率低提出RS 422定義了一種平衡通信接口 數據信號采用差分傳輸方式 它使用二對雙絞線 將其中一對定義為A 另一對定義為B Confidential RS 422電氣特性 發(fā)送驅動器A B之間的電壓差正電平在 200mv 6V 是一個邏輯狀態(tài)負電平在 200mv 6V 是另一個邏輯狀態(tài) Confidential RS 422信號 收 發(fā)端通過平衡雙絞線將Txd 與Rxd Rxd 與Txd 對應相連大于 200mV的電平時輸出正邏輯電平小于 200mV時輸出負邏輯電平MOXA定義B為信號正A為信號負 A B 200mv Confidential RS 422特性 RS 422傳輸速率提高到10Mb s 傳輸距離延長到1200米 速率低于100kb s時 并允許在一條平衡總線上連接最多10個接收器 RS 422是一種單機發(fā)送 多機接收的單向 平衡傳輸方式 被命名為TIA EIA 422 A標準 平衡傳輸方式長度 1200米速度 10M節(jié)點 2 10 廣播 線纜類型 4線或8線 帶握手信號 GND Confidential RS 422優(yōu)勢與不足 RS 422優(yōu)勢傳輸距離遠傳輸速率高不易受到干擾RS 422不足點對多點方式只能單向通訊 Confidential RS485 EIA又于1983年在RS 422基礎上制定了RS 485標準多點雙向通訊能力增加發(fā)送器的驅動能力和沖突保護特性擴展了總線共模范圍命名為TIA EIA 485 A標準由于EIA提出的建議標準都是以 RS 作為前綴 所以在通訊工業(yè)領域 仍然習慣將上述標準以RS作前綴稱謂 平衡傳輸方式長度 1200米速度 10M節(jié)點 32 256 加中繼器 線纜類型 2線 GND Confidential RS 422 485信號 差分信號 UART 并行 TTL 0V 5V 收發(fā)器 D0 D7 RS 232 TxB TxA Confidential RS485信號定義 4 WireTxDA TxDB RxDB RxDA GND2 WireDataB DataA GND Confidential 2線與4線傳輸 Confidential 接線 4線全雙工優(yōu)勢1 抗干擾能力強2 傳輸距離長 可達1 2公里 3 支持點對點和多站通訊方式 RS 422信號 Confidential RS 422拓撲結構I 點對點 MoxaCI 134 Tx B Tx A Rx B Rx A Rx B Rx A Tx B Tx A PLC Confidential RS 485信號 RS 422的增強方式與RS 422兼容接線點對點2線半雙工 菊鏈式連接4線全雙工 菊鏈式連接 Confidential RS 422vs RS 485 Confidential RS 485拓撲結構I 點對點 MoxaCI 134 PLC Data B Data A Data B Data A 120 終端電阻 Confidential RS 485拓撲結構II 2線半雙工 MoxaCI 134 Data B Data A 120 PLC 1 PLC 2 PLC 31 Data B Data B Data B Data B Data A 最大1 2公里 32節(jié)點 Confidential RS 485拓撲結構II 2線半雙工 Confidential RS 485拓撲結構III 4線全雙工 Tx B Tx A Rx B Rx A 120 DE 211 Note 1 Tx A 2 Tx B 3 Rx A 4 Rx B 1 2 3 4 最大1 2公里 32節(jié)點 Confidential RS 485拓撲結構III 4線全雙工 Confidential RS 422 RS 485接線 RS 422可支持10個節(jié)點 RS 485可支持32個節(jié)點拓撲一般采用總線型結構 不支持環(huán)形或星形網絡在構建網絡時應注意以下幾點 采用雙絞線作總線 將各個節(jié)點串接起來如下的連接方式 a b c為錯誤連接 d e f為正確連接方式 注意總線阻抗匹配 否則就會發(fā)生信號的反射 Confidential RS 485數據流方向控制 什么是數據流方向控制 在一個時間只允許一個設備發(fā)送如果流控信號時序不對 整個RS 485網絡將不能正常工作流控的方式1 傳統(tǒng)的RTS控制內部電路使用RTS信號來決定發(fā)送和接收無數據發(fā)送時 RTS信號處于清除狀態(tài) 此時收發(fā)器處于監(jiān)聽模式當有數據發(fā)送時設置RTS信號 同時斷開監(jiān)聽模式當數據發(fā)送完成之后清除RTS信號 轉回監(jiān)聽模式RTS狀態(tài)由用戶軟件控制 Confidential ADDC 自動數據流控 ADDC 2線RS 485通過硬件準確的切換數據收發(fā)狀態(tài)ADDC 是我們的專利技術 1 沒按鍵時 處于監(jiān)聽狀態(tài) 數據接收狀態(tài) 3 確認當前頻率空閑 按鍵講話對方可以聽到 線中上沒有數據 切換狀態(tài)到數據發(fā)送 2 判斷當前頻率是否有信號 檢查線路上是否有數據 4 話講完后 松開按鍵 回到監(jiān)聽狀態(tài) 數據接收狀態(tài) A B Confidential ADDC 自動數據流控 當使用2線RS485時 最重要的就是要確認數據收發(fā)狀態(tài) 由于RS485 2W界面的一些限制 只有一個節(jié)點 在一根2線RS485總線上 可以在任何時候傳輸信號 這個要傳輸數據的節(jié)點必須把數據發(fā)送打開 在數據發(fā)送完之后關閉 有兩種方法可以切換數據收發(fā)狀態(tài) 一種是通過軟件人為用RTS信號控制 另一種是用ADDCADDC可以通過硬件準確地切換數據收發(fā)狀態(tài) 有效地把用軟件控制的復雜時序控制簡單化 Confidential ADDCvsNoADDC Confidential 傳輸距離 距離 EIA標準 實測性能 Confidential RS 232 RS 422 RS 485比較 Confidential 電氣參數表 Confidential 串口流控 流控硬件流控軟件流控 Confidential FlowControl 使對方設備暫停數據發(fā)送的方法 數據還沒處理完 暫停發(fā)送數據 Confidential FlowControl 流控是用來在兩個數據傳輸速度不同的設備中控制數據流量的技術 如PLC和RS 232界面連接 流控的數據流控制功能確保2臺設備互相通訊 避免數據丟失 軟件方法 XON XOFF硬件方法 RTS CTS Confidential PC1 PC2 RTS RTS RTSstoptotransmitdata 硬件流控 Confidential 軟件流控 Confidential 硬件流控vs軟件流控 MOXA的產品都支持硬件流控和軟件流控 Confidential 串口效能 FIFOMU860Throughput Confidential FIFO FIFO 先進先出 串口數據收發(fā)的緩沖區(qū) Data Data Data CPU Data Data Data Data Data Data Data CPU Data Data Data 16ByteFIFO 128ByteFIFO 占用CPU的頻率大不一樣 Confidential FIFO FIFO是用來描述緩存的特定術語 FIFO緩存根據數據接收的順序來發(fā)送數據 并用來降低處理芯片UART 如用在串口通訊的16C550C 的負載 FirstInLastOut Confidential UART MU860 UART芯片控制串口通訊設備的數據傳送與接收 它把RS 232 422 485中的串行數據轉換成并行數據傳給PCMU860 自主研發(fā)的專用串口通信芯片集成8PortURAT PCIBridge Confidential 超級引擎MU860 高數據吞吐率128ByteFIFO Confidential Throughput 數據吞吐量 吞吐量是指數據傳輸的效能 它是一段時間內實際上傳輸了多少字符的標準 吞吐量的提升要依靠于CPU 內存 相互通訊的設備的效能 測量方法也同樣依靠操作系統(tǒng)的效能 吞吐量通常的單位也是bps 位每秒 Moxa的UniversalPCI 8port 超過700Kbps數據吞吐量 效能全球第一Moxa的UniversalPCI 4port 超過800Kbps數據吞吐量 效能全球第一 Confidential 卡片通信效能對比 Throughput Bytes s CPUUsage average 注 此測試中的數據源自PCOMMProPerformanceAnalyzer程序 Confidential 接口保護 ESDSurgeIsolationProtection Confidential ESD保護 ESD ElectroStaticDischarge 靜電放電現(xiàn)象ESD保護即為靜電放電保護 靜電無處不在 防為上策 Confidential SurgeProtection浪涌保護 浪涌 Surge也叫突波 是超出正常工作電壓的瞬間過電壓 1ms 2ms 5v 0 1000v Confidential SurgeProtection浪涌保護 原理因閃電 靜電放電及其他形式產生的瞬間強電壓 或周圍磁場突變感應到信號連接線路的一種異常電壓 在接口接收處加保護措施以防止設備內部元件燒壞 ESDvs EFTESD 靜電保護 這是一個發(fā)生在時間很短 但電壓很高電流較小的異常情況EFT 連續(xù)性恒定異常電壓保護 這是一種受到一段恒定連續(xù)電壓的干擾保護 電壓不及ESD高 但時間較長 所以能量也很大 Confidential 浪涌保護vsESD保護 注 我們的絕大多數產品的串口都支持15KV的ESD保護 Confidential 光電隔離保護 用光的方式把信號隔離開 發(fā)光器件 感光器件 Data Data 光信號 光電隔離元件 PCBBoard Confidential 光電隔離保護 IsolationProtection 原理由于電線兩端的地電壓不同 長距離連接的通訊設備會因電壓不匹配而造成損壞 隔離保護會在線的兩端使用光電隔離元件來保護兩端的設備不被損壞 SurgeProtectionvs IsolationSurge 瞬間異常電壓引起的損壞Isolation 兩端共地不良 EMI及紋波干擾引起的損壞 Confidential 光電隔離的作用 消除兩端設備間因地電壓差造成的放電 RS 4852線 GND電平為0V PC的GND電平為60V 光電隔離 1000m Confidential 光電隔離的作用 隔離干擾信號 RS 4852線 光電隔離 大功率電機 強電 Confidential MOXA光電隔離器 Confidential MOXA產品知識 Confidential 完整的設備聯(lián)網解決方案 Confidential MOXA產品知識 串口卡智能型非智能型USB轉串口轉換器串口連網服務器NPort5000系列NPort6000系列 Confidential 總線 ISA PCI PCI X PCIExpress PCIe ISA1988 PCI1992 1980 1990 2000 PCIe2003 PCI X1998 33M 66MHz 266M 533MHz66M 133MHz 2 5GHz 1M 4MHz 2GI O 2 5GI O 3GI O Confidential MOXA串口卡命名規(guī)則 Confidential MOXA串口卡命名規(guī)則 CA系列 Confidential 智能型卡特點 C320每塊卡最多可達32口 單機最多128口 高速率 C320460 8Kbps C218921 6Kbps自帶精簡指令集CPU 512KBRam 可有效的降低CPU占用率提供ISA版本和PCI版本 Confidential 智能型多用戶卡架構 CPU 16KRAM Firmware CPU 512KRAM Firmware DumbPart PC IntelligentControlBoard UARTsT R ser IntelligentPart ASIC ICs InternalBUS PCBUS IRQ MemoryAddress Confidential 智能型多用戶卡架構 MemoryMapping MemoryMapping 主存映射頁切換模式InternalInput OutputBufferSize PC主存 MoxaRAM512KB 16KB 01000111 01000111 C8000 CBFFF Confidential 智能型多用戶卡架構 High Performancevs Classic 兩者差異 AP在資料傳輸的回覆時間差異簡介 High Performance模式Driver將資料搬入Memory後就算完成傳輸 並釋放CPU控制權Classic模式Driver需等資料完成傳輸後才會釋放CPU控制權Moxa智能型產品特色功能 Confidential 非智能型卡特點 高速率921 6Kbps128ByteFIFO MU860 使用戶以非智能卡的價格得到近似于智能卡的傳輸性能自帶15KV ESD 自帶LED 串口數據收 發(fā)閃爍 兩線485硬件實現(xiàn)ADDC 自動數據流向控制 自帶終端電阻適應所有PCI總線 有低檔板設計版本 Confidential 非智能型多用戶卡架構 PCI ISABUS ASICDeCode UARTProcessing16C550C Transmitor Receiver I OAddressINTVectorInterrupt I OSignalofData Modem Break Interrupt TTLSignalofAllI OSignal RS232 RS422 485 CPU Memory Confidential Interrupt DataReceive ModemSignalChange ReceiveBreak TxBufferEmptyINTVector Interrupt共享 8bitI OAddress OTrue例 第2Port發(fā)生中斷 11111101第1 5Port發(fā)生中斷 11101110 中斷向量 INTVector Confidential 中斷向量 INTVector 中斷向量1Byte 如圖所示 當UART4使用中斷服務的時候就將中斷向量中對應用的第四位值改為 0 Confidential MOXAUPCIVSPCI卡 Confidential UniversalPCI介紹 Confidential UniversalPCI介紹 PCI XSlot64bit3 3V向前兼容32位PCI主板 不必是3 3V StandardPCISlot32bit5V Confidential PCIandPCI X UniversalPCI卡片 PCI PCI PCI X Confidential MOXA產品知識 串口卡智能型非智能型USB轉串口轉換器串口連網服務器NPort5000系列NPort6000系列 Confidential 什么是USB USB UniversalSerialBus 通用串行總線USBIF USBImplementersForum 負責USB標準制訂 其成員包括 蘋果電腦 惠普 NEC Microsoft和Intel Confidential USB1 1 USB2 0 USB1 1修正了USB1 0出現(xiàn)的問題 USB1 1是USB開始普及的最早版本 USB2 0在USB1 1的基礎上提高了速度 USB的三種速率1 5Mbit s 183KByte s 低速速率12Mbit s 1 4MByte s 全速速率480Mbit s 57MByte s 高速速率USB的傳輸距離USB1 15mUSB2 01 5m Confidential USB的特點 方便 即插即用 PNP 高傳輸速率無須占用IRQ和I O地址應用范圍廣 Confidential USB轉串口產品的命名規(guī)則 Confidential USB轉串口的優(yōu)勢 方便 即插即用 PNP 不占用主機的內部空間速度快 效率高口數多 Confidential USB接頭 加固型的USBTypeB15N接頭 Confidential USB供電 USB接口可提供5V500mA的電流我們一到四串口的產品都可以通過USB供電正常工作 除1450外 Confidential UPort與市場上同類產口對比 Confidential USBVSMSB Confidential MOXA產品知識 串口卡智能型非智能型USB轉串口轉換器串口連網服務器NPort5000系列NPort6000系列 Confidential 接口類型回顧 RS 232RS 422RS 4854線RS 4852線雙絞線光纖 RS 232 RS 422 485 RJ45雙絞線接頭 光纖接頭 ST Confidential 為什么需要轉換器 信號轉換介質轉換延長距離提供光電隔離保護提高抗干擾能力 Confidential 功能 型號 RS 232toRS 422 485串口信號轉換TCC 80 TCC 80ITCC 100 TCC 100IRS 422 485延長距離 TCC 120 TCC 120I串口到光纖 介質轉換 延長距離TCF 90TCF 142以太網到光纖 介質轉換 延長距離IMC 21IMC 101 IMC 101G隔離保護 RS 232toRS 232orRS 422 485toRS 422 485TCC 82 TCC 120ITCC 80I TCC 100I Confidential 無源型產品 單信號線供電 Confidential 2線 4線RS 485 RS 422端子接頭 RS 232DB9孔式接頭 USB及電源適配器連接頭 無源型產品 Confidential TCF 142光纖環(huán) Confidential LinkFaultPass Through 沒有LinkFaultPass Through LinkFaultPass Through Confidential 工業(yè)級轉換器vs商業(yè)級轉換器 TCC 80MTBF Confidential 串口轉換器選型 Confidential 以太網轉換器選型 Confidential MOXA產品知識 串口卡智能型非智能型USB轉串口轉換器串口連網服務器NPort5000系列NPort6000系列 Confidential 串口設備聯(lián)網服務器結構I 硬件 以太網 控制器和Moxa嵌入式操作系統(tǒng) 多串口卡 CPU Firmware OS RAM 10 100Mbps以太網 RS 232 422 485Ports 網卡芯片 UART Confidential 串口設備聯(lián)網服務器結構II 軟件 MoxaEmbeddedOS AP Socket TCP IP 網絡驅動程序 以太網 APDecodeEncode TCP IP Mxdriver UARTDriver 網絡驅動程序 以太網 UART 以太網 RS 232 主機 NPort Confidential 應用及安裝說明 驅動程序模式單主機多主機SocketmodeTCPServerTCPClientUDPServer Client對等連接模式以太網Modem Confidential 驅動程序模式 WithNativeCOMportdriver Realttydriver 以太網 Win9x NT 2K XP COM3 COM4 COMN Linux SCOUnix Unixware7 SVR4 2 tty1 tty2 ttyN 以太網 useexistingserialcommsoftwaresuchasHyperTerminal Confidential 驅動程序模式 單主機 單主機模式 POSTerminal POSTerminal POSTerminal BarCodeReader WindowsNTHost NPortServerLite NPortServerPro BarCodeReader BarCodeReader WaferTestingMachine Robot Confidential 驅動程序模式 多主機 共享串口 WindowsNTHostB WindowsNTHostA NPortServerLite NPortServerPro POSTerminal POSTerminal POSTerminal BarCodeReader BarCodeReader BarCodeReader WaferTestingMachine Robot Confidential SocketMode Confidential TCPServer操作模式I 以太網 IP Port TelnetIP Port DeviceServer 監(jiān)聽TCP連接 IP地址訪問控制可改變端口號數據打包 允許socket軟件控制 特點 ServerAdministrationConfigSavesettingQuit RS 232控制臺端口 1 建立連接 2 收發(fā)數據 串口設備 Confidential TCPServer操作模式II 以太網 192 168 1 100 4001 NPortExpressDeviceServer RS 232console 路由器 AdministrationPC PC 串口設備 A PCuseTelnettoestablishaconsoleconnectionto路由器 telnet192 168 1 1004001 NPort 1 ConfigureNPorttoTCPServerMode telnet192 168 1 1002 NPortstartto listen forTCPconnection 準備工作 TCP IP Serial Connect Connect A Data Data Data Data Data Data Disconnect Disconnect B B 路由器 sserialconsoleprogramActivated C C PCdisconnectwithNPort Confidential TCPClient模式 I 以太網 DeviceServer 主動將串口設備數據發(fā)送到以太網連接控制數據打包Bytestreamdatatransmission 特點 Serial 讀卡器 Socketsoftware 1 建立連接 2 收發(fā)數據 Confidential TCPClient操作模式II 以太網 192 168 1 100 DeviceServer Serial AdministrationPC PC 讀卡器 NPort接收到串口數據 然后激活TCP連接 然后將Data1和Data2從以太網發(fā)送出去 100ms以后 最后的串口發(fā)送出來的數據被接收 NPort會自動的斷開TCP連接 讀卡器 NPort 1 配置NPort到TCPClient telnet192 168 1 100TCPconn anycharserialtimeout 100ms2 NPort開始主動從串口設備接收串口數據 準備工作 TCP IP Serial A Connect Data1 Data2 192 168 1 200ListenTCP4001 Data 1 2 Disconnect B 讀卡器 數據采集 典型應用 Confidential TCPClient操作模式III 以太網 192 168 1 100 DeviceServer Serial AdministrationPC PC 讀卡器 NPort自動與計算機建立連接Nport接收串口數據 當接收到0 x0a和0 x0d后 Nport開始發(fā)送所有收到的數據data1和2到計算機無須斷開連接如果連接中斷 NPort和計算機自動重新建立連接 讀卡器 NPort 1 配置NPort為TCPClient模式 telnet192 168 1 100TCPconn startupserialtimeout 0msDelimiter 0 x0a 0 x0d2 NPort開始主動為串口設備發(fā)送數據 準備工作 TCP IP Serial B Connect Data1 Data2 0a 0d 192 168 1 200ListenTCP4001 Data 1 2 0a 0d B A Confidential UDPServer Client操作模式 DeviceServer Serial 讀卡器 UDPdatagram 以太網 R R R TCP IP 數據采集 典型應用 Confidential UDPServer Client操作模式 以太網 DeviceServer 串口設備主動通過以太網進行數據傳輸實時數據傳輸點對多點數據打包 特點 Serial 讀卡器 UDPdatagram R R R TCP IP Confidential UDPServer Client操作模式 原由的RS 485控制系統(tǒng)解決方案 以太網 DeviceServer RS 485 讀卡器 UDPdatagram DeviceServer RS 485 讀卡器 UDPdatagram DeviceServer RS 485 讀卡器 UDPdatagram DeviceServer RS 485 讀卡器 UDPdatagram RS 232 485 DOS 自動化軟件 DeviceServer Confidential 對等連接模式 透明數據通道 全部Modem控制信號 以太網 主 從 RS 232 RS 232 Writer PLC 原始數據或專屬通訊協(xié)議 1 建立連接 2 收發(fā)數據 Confidential 對等連接模式應用I 透明的數據通道 無須驅動程序TCP數據通道適合各種串口設備 特點 以太網 TCPClientMode TCPServerMode RS 232 RS 232 Writer PLC 原始數據或專屬協(xié)議 1 建立連接 2 收發(fā)數據 Confidential MOXA產品知識 串口卡智能型非智能型USB轉串口轉換器串口連網服務器NPort5000系列NPort6000系列 Confidential 網絡 安全的控制管理 Confidential 網絡 安全的數據傳輸 Confidential 安全的數據傳輸 SSL SecureSocketLayer SSL是由Netscape 網景 公司開發(fā)的一套數據傳輸安全協(xié)議 它在應用層與傳輸層