淺析現(xiàn)場通訊技術(shù)

1、現(xiàn)場通訊技術(shù)摘要 本文對(duì)通訊的基本概念介紹，加以分析了常見的現(xiàn)場通訊接口，并且以我廠的電能表 協(xié)議為例詳細(xì)的介紹了通訊的協(xié)議關(guān)鍵字通訊串行接口協(xié)議1通訊的概念1.1通訊基礎(chǔ)通訊簡而言之就是兩個(gè)計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行通訊或以一個(gè)計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備進(jìn)行通訊。它一般分為串行通訊與并行通訊并行通訊一一數(shù)據(jù)各位同時(shí)傳送串行通訊一一數(shù)據(jù)一位一位順序傳送，如（圖1 一 1）。并行串行tI 圖1-1并行通信與串行通信從圖中可以看到，并行通訊數(shù)據(jù)有多少位就要有多少條傳送線，而串行通訊只要一條傳 送線。串行通訊節(jié)省傳送線,特別是當(dāng)位數(shù)很多，傳輸距離很長時(shí)，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)更突出。但串行 通訊速度幔。若并行通訊傳送需要的時(shí)間為T,則

2、串行傳送至少為NT（英中N為位數(shù)）。 電子式多功能電能表與外界通訊都是串行的。下而將對(duì)串行通訊進(jìn)一步介紹。1.2 波特率（Baud rate）CPU要想把自已內(nèi)部的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)流的方式串行傳送給外界，必須規(guī)左一個(gè)發(fā)送速度, 外界要想收到這些串行數(shù)據(jù)也必須按同一速度接收。這個(gè)傳送速度就叫波特率。如CPU以 每積1 2 00位二進(jìn)制數(shù)碼的發(fā)送速度向外發(fā)送，外界設(shè)備也必須以每秒1 2 0 0位速度才能把 這些二進(jìn)制數(shù)碼接收下來，我們稱其傳送速度為12 0 0波特，每位傳送時(shí)間Td為波特率的 倒數(shù)：Td = ! = 08333/卅1200波特率是串行通訊重要參數(shù)，波特率也是衡量信道頻寬的指標(biāo)。1. 3同

3、步傳送與異步傳送假設(shè)計(jì)算機(jī)從傳送開始到傳送結(jié)束都以同樣的波特率把自己的所有數(shù)據(jù)串行傳送給外界, 這種傳送方式稱為串行同步傳送。串行同步傳送一般用兩條傳送線，一條傳同步信號(hào)，一條 傳數(shù)據(jù)。一位時(shí)間収決于波待率圖1-2 同步傳送上圖CPU可把10010-一串?dāng)?shù)據(jù)源源不斷地傳送給外界。用同步信號(hào)前沿辯認(rèn)數(shù)據(jù)是 “1”還是0 ”，同步信號(hào)起著協(xié)調(diào)汁算機(jī)與外界的收發(fā)速率的作用。兩條線對(duì)遠(yuǎn)距離傳輸 也是不可取的，成本很高，如果取消同步信號(hào)，只是規(guī)定相同的波特率，由于訃算機(jī)與外界 之間速率差異，積累誤差越來越大，可能發(fā)生認(rèn)錯(cuò)”現(xiàn)象。為了解決“錯(cuò)認(rèn)”問題提出異步 通訊槪念。異步通訊基本方法是把串行數(shù)據(jù)流分成若

4、干組，每組二進(jìn)制數(shù)目個(gè)數(shù)相等。一組二進(jìn)制 數(shù)組成一個(gè)字節(jié)或一個(gè)字符。典型的字符格式下圖（1-3）笫n個(gè)字符第（曠1）個(gè)字符MARK奇偶例卜&校驗(yàn)停止位410D。D1D,D3D1D5D6d71 1 1 10()/1 0/1ttA空閑位起始位匕位數(shù)據(jù)卜一個(gè)字符起始位低位高位下降邊指出下一 個(gè)字符的開始圖1-3 字符格式一個(gè)字符由一個(gè)起始位，一個(gè)停止位,8-12數(shù)據(jù)位和一個(gè)奇偶校驗(yàn)位組成。起始位下降 邊指示傳送開始。從這一時(shí)刻開始按雙方約龍的波特率傳送數(shù)據(jù)位和奇偶校驗(yàn)位。停止位數(shù) 拯變?yōu)椤?1 ”，下邊是空閑位，等待下一個(gè)起始位再傳送。從上而介紹中我們知道所謂異步 串行通訊是字符與字符之間異步的，字

5、符內(nèi)部以起始位下降邊為起點(diǎn)，還是同步的。1.4單工與雙工發(fā)送器接受器發(fā)送器接受器發(fā)送器接受器A數(shù)據(jù)bA數(shù)據(jù)BA數(shù)據(jù)RA ；（a）單工（b）半雙工（c）雙工圖1-4通信方式串行通訊中，數(shù)據(jù)在通訊線路上傳送方式有三種:單工方式、半雙工方式和全雙工方式。 單工方式：如（圖l-4a）只允許數(shù)據(jù)按一個(gè)固定方向傳送，A只能發(fā)送，叫發(fā)送器,B方只能接受, 叫接收器。（圖1-4 b ）為半雙工：數(shù)據(jù)既能從A傳到B,也能由B傳到A,因此A、B都是收發(fā)器， 但由于A、B之間只有一條線，信號(hào)只能分時(shí)在兩個(gè)方向傳輸，不能同時(shí)雙向傳輸，所以稱為 半雙工。在待命時(shí)，A、B雙方向都處于接受方式以便隨時(shí)響應(yīng)對(duì)方的呼叫。（圖1

6、-4c）為全雙工:A、B都是收發(fā)器，且由于相互之間有兩根線,A、B可同時(shí)接收或發(fā) 送。顯然，為了實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸，發(fā)、收資源必須完全獨(dú)立，數(shù)拯通道必須完全分開。在A、 B雙方控制邏輯的協(xié)調(diào)下，才可以實(shí)現(xiàn)真正的雙工方式。2常用的接口RS-23 2、RS-4 2 2與1一48 5都是PCM設(shè)備上常用的串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，都是由電子 工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）制訂并發(fā)布的，RS- 2 3 2在196 2年發(fā)布。RS-422是一種單機(jī)發(fā)送、多 機(jī)接收的單向、平衡傳輸規(guī)范，被命名為TIA / EIA-4 2 2-A標(biāo)準(zhǔn),RS是英文“推薦標(biāo)準(zhǔn)”的 縮寫,422為標(biāo)識(shí)號(hào)，A表示修改次數(shù)。RS-42 2是由RS-2 3

7、2發(fā)展而來的，改進(jìn)RS- 2 32通 信距離短、速率低的缺點(diǎn)，而且抗干擾能力強(qiáng)。RS-422立義了一種平衡通信接口，將傳輸速 率提髙到10Mbps,傳輸距離延長到400 0英尺（速率低于1 0 0Kbps時(shí)）,并允許在一條平衡 總線上連接最多10個(gè)接收器。為擴(kuò)展應(yīng)用范圍，E I A又于1983年在RS-422基礎(chǔ)上制左 TRS-485標(biāo)準(zhǔn)，增加了多點(diǎn)、雙向通信能力，即允許多個(gè)發(fā)送器連接到同一條總線上，同 時(shí)增加了發(fā)送器的驅(qū)動(dòng)能力和沖突保護(hù)特性，擴(kuò)展了總線共模范帀，后命名為TIA/EIA-485A標(biāo)準(zhǔn)。2.1 RS-2 3 2標(biāo)準(zhǔn)串行接口RS-2 3 2是美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)E IA制左的一種串行物

8、理接口標(biāo)準(zhǔn)。RS-232的機(jī)械特性要求:規(guī)泄使用一個(gè)2 5芯標(biāo)準(zhǔn)連接頭，每個(gè)引腳有固立的泄義,結(jié)合功 能特性，給岀在（表1-1）（表1-DRS-2 3 2接口插頭引腳信號(hào)引腳號(hào)說明引腳號(hào)說明*1保護(hù)地14（輔信道）發(fā)送數(shù)據(jù)*2發(fā)送數(shù)據(jù)*1 5發(fā)送信號(hào)無泄時(shí)（DCE為源）*3接收數(shù)據(jù)16（輔信道）接收數(shù)據(jù)*4請求發(fā)送（RTS）17接收信號(hào)無立時(shí)（DCE）為源*5允許發(fā)送（CTS,或淸除發(fā)送）18未定義*6數(shù)傳機(jī)（DCE）準(zhǔn)備好19（輔信道）請求發(fā)送（RTS）*7信號(hào)地（公共回線）*20數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好*8接收線信號(hào)檢測*2 1信號(hào)質(zhì)量檢測*9（保留供數(shù)傳機(jī)測試）*22振鈴指示10（保留供數(shù)傳機(jī)測試

9、）*23數(shù)據(jù)信號(hào)速率選擇（DTE / DC E為源）1 1未定義*24發(fā)送信號(hào)無定時(shí)（DTE為源）1 2（輔信道）接收線信號(hào)檢測25未定義注:表中打有*號(hào)的引腳為主信道引腳，其它為未立義或輔助信道引腳。RS-232電氣特性：如（表1-2）（表1 一2） RS-232電氣特性表電氣特性參數(shù)范圍電氣特性參數(shù)范圍帶3-7 K Q負(fù)載時(shí)驅(qū)動(dòng)器的輸岀電平邏輯1 : +5V到+15V邏輯0 ： 5V到-15V接收器輸入電壓的允許范用 輸入開路時(shí)接收器的輸出-2 5 V 至IJ+2 5 V邏輯1不帶負(fù)載時(shí)驅(qū)動(dòng)器的 輸出電平-25到+2 5 V輸入經(jīng)300 Q接地接收器的輸出邏輯1驅(qū)動(dòng)器通斷時(shí)的輸出阻抗30

10、0 Q-3 V輸入時(shí)接收器的輸岀邏輯0輸出短路電流0. 5A一3V輸入時(shí)接收器的輸出邏輯1驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)換速率 1 2 k QRS48 5標(biāo)準(zhǔn)規(guī)左了差分平衡電氣接口平衡驅(qū)動(dòng)和差分接收的方法（圖1-7）,從根本上消除 了信號(hào)地線，這相當(dāng)于兩個(gè)單端驅(qū)動(dòng)器，輸入同一個(gè)信號(hào)時(shí)，英中一個(gè)驅(qū)動(dòng)器輸出永遠(yuǎn)是另MC3487MC3486圖1一7 平衡驅(qū)動(dòng)和差分接收電路一個(gè)驅(qū)動(dòng)器的反相信號(hào)。于是兩條線上傳送的信號(hào)電平，當(dāng)一條表示邏輯1”時(shí)，另一條為 邏輯“0”。在干擾信號(hào)作為共模信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，接收器接收差分輸入電壓，只要接收器有足夠 的抗共模電壓工作范國，就能識(shí)別兩個(gè)信號(hào)并正確接收傳送的信息。因此,RS- 4 85能在長

11、 距離、髙速率下傳輸數(shù)據(jù)，它能夠在120 0米距離內(nèi)把速率提高到10 0 kbps；在較短距離內(nèi)， 其傳輸速率可高達(dá)1 0Mb pSo這種性能的改善是由于平衡結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的，差分平衡結(jié)構(gòu)可 以從地線的干擾中分離岀有效信號(hào)，英最大可區(qū)分0.20V的電位差值。因此一般不受地電位 的波動(dòng)和共模電磁干擾。RS- 4 85為半雙工工作方式，因而可采用一對(duì)平衡差分信號(hào)線來連接。采用RS-485 進(jìn)行兩點(diǎn)間通訊的連接圖，如（圖1-8） o圖1 一8 RS485兩點(diǎn)傳輸電路RS-485還可以用于多點(diǎn)互連系統(tǒng)和主從環(huán)形通訊鏈路。如（圖1 -9）RS48 5多點(diǎn)互 連系統(tǒng)和（圖l-10）RS4 8 5環(huán)形數(shù)據(jù)鏈路系

12、統(tǒng)。圖1-10RS485環(huán)形數(shù)擔(dān)鏈路系統(tǒng)2.3 RS-422 接口RS-422的電氣性能與RS- 4 85完全一樣主要的區(qū)別在于:RS-4 22有4根信號(hào)線：兩根發(fā)送（Y、Z）.兩根接收（A、B）。由于R S -422的收與 發(fā)是分開的所以可以同時(shí)收和發(fā)（全雙工）o RS-485有2根信號(hào)線:發(fā)送和接收都是A和B。 由于RS-4 8 5的收與發(fā)是共用兩根線所以不能夠同時(shí)收和發(fā)（半雙工）。能否將RS-4 2 2的 Y-A短接作為RS-4 85的A.將RS-422的Z-B短接作為R S -485的B呢？回答： 不一泄。條件是RS-42 2必須是能夠支持多機(jī)通信的。波士電子的所有接口轉(zhuǎn)換器的RS-4

13、2 2 口都能夠支持全雙工多機(jī)通信，所以可以這樣簡單轉(zhuǎn)換為RS-485。2.4紅外光學(xué)接口在I EC 1 1 0 7 - 1 99 2中，就直接本地?cái)?shù)據(jù)交換問題，規(guī)龍了手持單元與費(fèi)率裝宜間 的聯(lián)接規(guī)范，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)左這種連接可以是永久的，也可以是暫時(shí)的,可以是電氣的，也可以是 光學(xué)的。I EC1107的光學(xué)接口是直接紅外光。由于這種連接方式，信噪比小，抗干擾力差，因此標(biāo)準(zhǔn)要求讀數(shù)頭用磁吸附的形式，緊貼到復(fù)費(fèi)率單元的光學(xué)接口上。讀數(shù)頭的結(jié)構(gòu)形式左義于（圖1 一 11）。環(huán)形磁鋼側(cè)視圖讀數(shù)頭透視圖圖1-11讀數(shù)頭的結(jié)構(gòu)形式光學(xué)特性規(guī)定為：波長在80 0 nm與1000 n m之間信號(hào)發(fā)射時(shí)，不論是復(fù)費(fèi)

14、率單元還是讀數(shù)接收頭，在發(fā)光頭1 0mm （1唄）處，參考而上的 幅照度E,極限值為：ON 狀態(tài)：5 0 Ou W / cmWEW500 0 0 u W/Cm=OFF 狀態(tài)：1 OuW/cm3信號(hào)接收時(shí)，在紅外接收頭10mm （lmm）處，接收器在滿足如下輻照度E的前提下，應(yīng)該 可靠的接收狀態(tài)：07 狀態(tài)：E 2 0 0 uW/c m=OFF狀態(tài)：E2 0 uW/ cm2最大傳輸速度應(yīng)至少為24 0 0波特雖然沒有規(guī)定機(jī)械調(diào)準(zhǔn)法，但在實(shí)驗(yàn)條件下仍可取得最佳的數(shù)據(jù)傳輸，方法為：當(dāng)讀數(shù)頭位 于正確位置（電纜下垂）時(shí)，調(diào)準(zhǔn)費(fèi)率裝置中的紅外線接收器使北正對(duì)著讀數(shù)頭中的紅外線發(fā) 射器,讀數(shù)頭中的紅外線接

15、收器使其正對(duì)著費(fèi)率裝置中的紅外線發(fā)射器。位置上的微小偏差應(yīng)不會(huì)對(duì)性能有較大的影響，但若是有較大的偏差可能會(huì)引起光學(xué)性能的 降低。3通訊協(xié)議通訊協(xié)議是發(fā)、收雙方事先約定的共同遵守則的規(guī)則。主要規(guī)定： .通訊方式；.通訊接口：字符格式；通訊速率：.差錯(cuò)控制;幀格式。 電子式多功能電能表與外界的通訊方式大都采用串行異步半雙工的通訊方式通訊接口主要 有RS-232, RS-485和直接光學(xué)接口三種.字符格式，如（圖1 一29）。起始與停止位是功能碼。 奇偶校驗(yàn)位判斷是否存在傳輸錯(cuò)誤，叫差錯(cuò)控制碼。DO DI D 2 D3 D4 D 5 D6 D7為數(shù) 拯碼，是傳送的主體。苴D0D7為0、1兩種狀態(tài)。連

16、續(xù)8個(gè)0/1,如1 0 001111在不同的 碼制中代表不同的含義。在16進(jìn)制中代表4F。在ASCI I C碼中,0001111代表英文字母“0”; 一般在數(shù)碼后加B代表二進(jìn)制，加H代表1 6進(jìn)制、ASCI I碼后不加后綴。所謂幀格式就是上述四條命令及英回答的格式。不同的通訊協(xié)議幀格式的規(guī)定不同。下 而以我廠電能表所采用的部頒DL / T 6 45-1997協(xié)議為例概要叔述。DL / T64 5 - 1 997協(xié)議通訊協(xié)議概要 通訊方式;串行異步半雙工 通訊接口： RS-23 2 , RS-485, IEC1107直接紅外光 字符格式：1位起始位，1位停止位,8位數(shù)據(jù)位偶校驗(yàn)。 幀是傳送信息的

17、基本單元。幀格式如下圖所示。說明代碼幀起始符68II地址域A0A1A2A3A4A5幀起始符68H控制碼C數(shù)據(jù)長度域L數(shù)據(jù)域DATA校驗(yàn)碼CS結(jié)朿符1 6Ha .幀尼始符6 8 H:標(biāo)識(shí)一幀信息的開始，英值為68H二0 1 1 0 1 000 B 0b. 地址域A0A5：地址域由6個(gè)字節(jié)構(gòu)成，每字節(jié)2位BCD碼。地址長度可達(dá)1 2位十 進(jìn)制數(shù)，可以為表號(hào)、資產(chǎn)號(hào)、用戶號(hào)、設(shè)備號(hào)等。具體使用可由用戶自行決泄。當(dāng)使用的 地址碼長度不足6字節(jié)時(shí)，用十六進(jìn)制AAH補(bǔ)足6字節(jié)。低地址位在先，高地址位在后。當(dāng) 地址為9999 9 9 9 9999911時(shí)，為廣播地址。c. 控制碼C:控制碼的格式如下所示。D

18、7D6D5DiD3D2DIDO 后續(xù)幀標(biāo)志功能碼從站異常標(biāo)志 傳送方向D7=0:由主站發(fā)出的命令幀D7=l：由從站發(fā)岀的應(yīng)答幀D6=0:從站正確應(yīng)答D6= 1 :從站對(duì)異常信息的應(yīng)答D5=0：無后續(xù)數(shù)據(jù)幀D5=l ：有后續(xù)數(shù)據(jù)幀D4 DO：請求及應(yīng)答功能碼0 0 000：保留00001;讀數(shù)據(jù)0 0 0 10：讀后續(xù)數(shù)據(jù)0 00 11：重讀數(shù)據(jù)0010 0：寫數(shù)據(jù)0 1 000：廣播校時(shí)01 0 10:寫設(shè)備地址0 1100：更改通信速率01 1 1 1：修改密碼1 0 0 0 0：最大需量淸零d. 數(shù)據(jù)長度L： L為數(shù)據(jù)域的字節(jié)數(shù)。讀數(shù)據(jù)時(shí)L DIo=9010H（數(shù)據(jù)項(xiàng)）表示當(dāng)前正向有功總電能。B）、標(biāo)識(shí)碼DIDI產(chǎn)901FH（數(shù)據(jù)塊）表示當(dāng)前正向總電能與各費(fèi)率電能集合（總電能，費(fèi)率1、費(fèi)率2費(fèi)率k的電能）.C）、標(biāo)識(shí)碼DLD I o=90F0H（數(shù)據(jù)集合）表示當(dāng)前正向和反向有功電能。由兩項(xiàng)即9010H （當(dāng)前正向有功總電能）和