第9章-物聯(lián)網(wǎng)通信技術(曾憲武)LXX2014.7

第9章短距離有線通信技術9.1數(shù)據(jù)終端間的通信及接口特性9.2

EIARS-232C9.3

RS系列接口及各種串行接口性能比較9.4

USB串行總線及其應用9.5

CAN總線本章小結

9.1數(shù)據(jù)終端間的通信及接口特性

物聯(lián)網(wǎng)中的感知控制層通信系統(tǒng)可認為是一個點對點的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，物聯(lián)網(wǎng)感知控制終端（以下簡稱為物聯(lián)網(wǎng)終端）和匯聚設備均可看成是對等通信的數(shù)據(jù)終端設備。數(shù)據(jù)終端間通信時需要通過數(shù)據(jù)通信設備對數(shù)據(jù)信息進行某種變換和處理后才能適合有線或無線信道的傳輸。數(shù)據(jù)終端間通信的系統(tǒng)結構如圖9.1.1所示。圖9.1.1數(shù)據(jù)終端間通信的系統(tǒng)結構圖9.1.1中，數(shù)據(jù)終端設備(DataTerminalEquipment，DTE)是指物聯(lián)網(wǎng)終端或物聯(lián)網(wǎng)中的計算機設備，以及其他數(shù)據(jù)終端設備。數(shù)據(jù)通信設備(DataCommunicationEquipment，DCE)可以是調制解調器(Modem)、線路適配器、信號變換器等。對于不同的通信線路，為了使不同廠家的產(chǎn)品能夠互連，DTE與DCE在插接方式、引腳分配、電氣性能及應答關系上均應符合統(tǒng)一的標準及規(guī)范。國際電報電話咨詢委員會(CCITT)、國際標準化組織(ISO)和美國電子工業(yè)協(xié)會(ElectronicIndustriesAssociation，EIA)為各種數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)制定了開放互聯(lián)的系統(tǒng)標準。這些標準如表9.1.1所示，包括了機械特性(MechanicalCharacteristics)、

電氣特性(ElectricalCharacteristics)、功能特性(FunctionCharacteristic)、過程特性ProceduralCharacteristic)四個方面。（1）機械特性。

機械特性涉及的是DTE和DCE的實際物理連接。典型的

是，信號以及控制信息的交換電路被捆扎成一根電纜，該電纜的兩端各有一個終接插頭，該插頭可以是“公”插頭，也可以是“母”插頭。位于電纜兩端的DCE和DCE必須具有“性別”相反的插頭，以實現(xiàn)物理上的連接。如一端為“公”插頭，則另一端必須為“母”插頭。（2）電氣特性。電氣特性與電壓電平及電壓變換的時序相關。DTE和DCE都必須使用相同的編碼，相向的電壓電平必須是不同的含義，而且還必須使用持續(xù)時間相同的信號元素等。這些特性決定了能夠達到的數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸距離。（3）功能特性。功能特性定義的各種功能由具有各種不同的交換電路來執(zhí)行。這些功能分為數(shù)據(jù)電路、控制電路、時序電路以及電氣接地等。（4）過程特性。過程特性(定義了傳輸數(shù)據(jù)時發(fā)生的時間序列，它依據(jù)的是接口的功能特性。

DTE/DCE間的接口類型較多，目前最通用的類型有：美國電子工業(yè)協(xié)會的RS-232C接口；國際電報電話咨詢委員會的V系列接口、X系列接口；國際標準化組織的ISO2110、ISO1177等。

EIARS-232C接口標準是美國電子工業(yè)協(xié)會于1969年頒布的一個使用串行二進制方式的DTE與DCE間的接口標準。RS是RecommendedStandard的縮寫，232是標準的標記號碼。由于該接口標準推出較早，并對各種特性都做了明確的規(guī)定，因此成為了一種非常通用的串行通信接口，目前幾乎所有的計算機和數(shù)據(jù)通信都兼容該標準。

9.2EIARS-232C

9.2.1特性功能

1.機械性能

RS-232C接口標準中定義了一個具有特定引腳排列順序的25針插頭和插座，其引腳排列如圖9.2.1所示。圖9.2.1RS-232C引腳結構在圖9.2.1中，上、下共兩排引腳。第一排從左到右共13針，第二排從左到右共12針。各針的功能如表9.2.1所示。雖然RS-232C定義了25個引腳，但實際應用于串行通信時僅需

要9個電壓信號，即兩個收發(fā)數(shù)據(jù)信號RXD和TXD、6個控制信號和1個信號地。由于計算機除支持EIA電壓接口外，還需支持20mA電流接口，另需4個電流信號，因此采用了25針連

接器作為DTE與DCE間通信電纜的連接器。由于大部分數(shù)據(jù)終端設備取消了電流環(huán)路接口，所以常采用9針連接器。9針連接器的引腳分配如圖9.2.2所示。圖9.2.2中，引腳1為載波探測DCD；引腳2為接收數(shù)據(jù)RxD；引腳3為發(fā)送數(shù)據(jù)TxD；引腳4為DTE就緒DTR；引腳5為信號地GND；引腳6為準備就緒DSR；引腳7為請求發(fā)送RTS；引腳8為清除發(fā)送CTS；引腳9為振鈴指示RI。圖9.2.2RS-232C9引腳結構

2.電氣特性

數(shù)據(jù)終端設備(DTE)/數(shù)據(jù)通信設備(DCE)接口的電氣標準特性主要規(guī)定了發(fā)送端驅動器與接收端接收器的電平關系、負載要求、信號速率及連接距離等。

在TxD和RxD上要求邏輯“1”(MARK)為－3~－15V，邏輯“0”(SPACE)為+3~+15V。

在RTS、CTS、DTR和DCD等控制線上要求信號有效電壓為+3~+15V，信號無效電壓為－3~－15V。上述規(guī)定說明了RS-232C標準對邏輯電平的定義。對于數(shù)據(jù)信息，邏輯“1”的電平應[JP2]低于－3V，邏輯“0”的電平應高于+3V。對于控制信號，接通狀態(tài)(ON)，即信號有效的電平高于+3V；斷開狀態(tài)(OFF)，即信號電平無效的電平應低于－3V。當傳輸電平的絕對值大于3V時，電路就可以有效地檢測，而介于－3~+3V間的電壓電平、低于－15V或高于+15V的電壓電平都是無意義的。因此，實際工作時，應保證電壓電平在+5~－5V之間。

3.功能特性

DTE/DCE接口連線的功能特性主要是對各引腳的功能進行定義，并說明它們之間的相互關系。RS-232C接口標準規(guī)定了21條信號線和25芯連接，表9.2.2為RS-232C與V.24接口電路的功能約定。組成接口的信號線按其功能可分為數(shù)據(jù)信號線、控制信號線、定時和接地4類。

數(shù)據(jù)信號線是用來傳送數(shù)據(jù)的，RS-232C是串行傳輸?shù)慕涌跇藴?，接收、發(fā)送各用一條信號線。在RS-232C中，正向傳輸控制線共有9條，其中請求發(fā)送、允許發(fā)送、數(shù)據(jù)線路設備準備就緒、數(shù)據(jù)終端準備就緒、數(shù)據(jù)載波檢測、呼叫指示是最基本的控制電路。定時用于同步通信方式，是傳送數(shù)據(jù)信號定時信息的信號線路，有發(fā)送端控制和接收端控制兩種。定時功能在異步通信時無效。另外RS-232C中還定義了兩條保護地線和信號地線。

4.過程特性

DTE/DCE接口的過程特性規(guī)定了各接口之間的相互關系、動作順序以及維護測試操作等方面的內(nèi)容。下面以發(fā)送數(shù)據(jù)為例來說明接口的工作過程。

當數(shù)據(jù)終端設備(DTE)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，置RS-232C中的CD線（數(shù)據(jù)終端準備就緒DTR）為高電平（ON狀態(tài)），通知本地數(shù)據(jù)通信設備(DCE)，如Modem等，表示數(shù)據(jù)終端已準備好。本地Modem如果也準備好，即說明DCE與DTE連接成功，此時Modem中的RS-232C中的CC（數(shù)據(jù)設備準備DSR）響應此信號，DTE和DCE可以開始控制信號的收發(fā)。

DTE置電路RS-232C中CA（請求發(fā)送RTS）為高電平，通知本地Modem請求發(fā)送數(shù)據(jù)。本地Modem檢測到CA信號后，一方面立即控制Modem發(fā)送載波，另一方面通過延遲電路控制RS-232C中CB（允許發(fā)送CTS）的接通。電路RTS和CTS間的關系如圖9.2.3所示。由于遠端設備從載波到達至載波檢出，直到接通RS-232C中CF（數(shù)據(jù)載波檢測DCD）必須經(jīng)過一定的時延t3，如果此時將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，數(shù)據(jù)是不能被遠端正確接收的，所以本地的CTS變成ON之前的時間t1必須大于t3，時序如圖9.2.4所示。當遠端Modem檢測到載波信號后，置DCD為ON，通知遠端接收發(fā)送來的數(shù)據(jù)。圖9.2.3RTS和CTS間的關系圖9.2.4DCD和CTS間的關系

DTE檢測到CTS位ON后，即可通過RS-232C中BA（發(fā)送數(shù)據(jù)TxD）發(fā)送數(shù)據(jù)，并用RS-232C中的BB（數(shù)據(jù)接收RxD）接收遠端發(fā)來的數(shù)據(jù)。

DTE發(fā)送完數(shù)據(jù)后，置RTS線為OFF，通知本地Modem發(fā)送結束。本地Modem檢測到RTS為OFF后，立即停止發(fā)送載波，并置CTS為OFF，作為對DTE的應答。遠端Modem檢測不到載波后，置DCD和CE（呼叫指示器）線為低電平，恢復初始狀態(tài)。

5.RS-232C與TTL的轉換

RS-232C是用正負電壓來表示邏輯“0”和“1”的，與TTL以高低電平表示邏輯“1”和“0”不同。為了使數(shù)據(jù)終端設備的TTL部件能夠與RS-232C接口連接，需在這兩者之間進行轉換，轉換電路可采用集成電路芯片來完成。目前較為廣泛使用的轉換芯片有MAX232、MC1488、SN75150、MC1489和SN75154等，其中MAX232能實現(xiàn)TTL與RS-232C之間的雙向轉換。9.2.2RS-232C的短距離通信技術

在短（近）距離通信時，不需要諸如Modem等數(shù)據(jù)通信設備，可直接用電纜來連接，此時僅用少量幾根線即可。一種常用的最簡單的情況是不使用RS-232C中的任何控制線，只需要用發(fā)送線TxD、接收線RxD和信號地線SG這3根線，便可實現(xiàn)全雙工異步通信。連接方式如圖9.2.5所示。在圖9.2.5中，DTE1中的2號線與DTE2中的3號線連接，DET1中的3號線與DTE2中的2號線連接，DTE1與DTE2中的7號線直接連接，DTE1及DTE2中的4號線與5號線連接、6號線與20號線連接。圖9.2.5最簡單連接方式另一種較簡單的情況是考慮它們之間的聯(lián)絡控制信號，連接方式如圖9.2.6所示。這種情況下通信雙方的握手信號關系如下：

（1）一方的數(shù)據(jù)終端準備好(DTR)和對方的數(shù)據(jù)設備準備好(DSR)及振鈴信號(RI)兩個信號線互連。這時，若DTR有效，則對方的RI立即有效，產(chǎn)生呼叫并應答，同時又使對方的DSR有效。（2）一方的請求發(fā)送(RTS)端及允許發(fā)送(CTS)端自環(huán)，并與對方的數(shù)據(jù)載波檢出(DCD)端互連，這時若請求發(fā)送(RTS)有效，則立即得到發(fā)送允許(CTS)有效，同時使對方的(DCD)有效，即檢測到載波信號，表明數(shù)據(jù)通信信道已接通。（3）雙方的發(fā)送數(shù)據(jù)(TxD)端和接收數(shù)據(jù)(RxD)端互連，即意味著雙方都是數(shù)據(jù)終端，只要上述雙方的握手信號一經(jīng)建立即可進行全雙工或半雙工通信。圖9.2.6標準連接方式

EIARS-232C接口標準規(guī)定了最大傳輸距離為15m，最高傳輸速率不高于20b/s。為了解決傳輸距離不夠遠及傳輸速率不夠高的問題，EIA在RS-232C的基礎上制定了更高性能的

串行通信標準。

9.3RS系列接口及各種串行接口性能比較9.3.1RS-422A、RS-423及RS-485

1.RS-422A

RS-422A標準是一種以平衡方式傳輸?shù)臉藴?。平衡方式是指雙端發(fā)送和雙端接收，因此傳輸信號須采用兩條線路，發(fā)送端和接收端分別采用平衡發(fā)送器和差動接收器。其結構如圖9.3.1所示。圖9.3.1RS-422A的系統(tǒng)結構圖

RS-422A標準的電氣特性對邏輯電平的定義是根據(jù)兩條線間的電壓差來決定的。當AA′的電平比BB′的電平低－2V時，表示邏輯“1”；當AA′的電平比BB′的電平高+2V時，表示邏輯“0”。這種方式與RS-232C采用單端接收器和單端發(fā)送器時僅采用一條信號線來傳送信息，且由信號線與公共信號地線間的電平大小來決定邏輯“1”和“0”的方式是不同的。

RS-422A電路是通過平衡發(fā)送器把邏輯電平轉換為電位差來發(fā)送信息的，同時，通過差動接收器把電位差轉換為邏輯電平，從而實現(xiàn)信息的收發(fā)。RS-422A由于采用了雙線傳輸，大大增加了抗共模干擾的能力，因此當傳輸距離限制在15m內(nèi)時，它的最大傳輸速率可達10Mb/s；當傳輸速率為90kb/s時，其最大傳輸距離為120m。

RS-422A接口標準規(guī)定了發(fā)送端只有1個發(fā)送器，而接收端可以有多個接收器，這就意味著它可以實現(xiàn)點對多點通信。RS-422A接口標準允許驅動器輸出為+2~+6V，接收器輸入電平可以低到+200mV。

常用的RS-422A接口標準的芯片為MC3487/MC3486、SN75174/SN75175等，它們是平衡驅動/接收器集成電路。

2.RS-423A

RS-423A接口標準是一種是非平衡方式傳輸?shù)臉藴剩匆詥尉€來傳輸信號，規(guī)定信號的參考電平為地。該標準規(guī)定電路中只允許有1個單端發(fā)送器，但可以有多個接收器。因此，允許在發(fā)送器和接收器間有一個電位差。標準規(guī)定：邏輯“1”的電平必須超過4V，但不能超過6V；邏輯“0”的電平必須低于－4V，但不能低于－6V。RS-423A接口標準由于采用了差動接收，提高了抗共模干擾能力，因此與RS-232C相比，傳輸距離較遠，傳輸速率較快。當傳輸距離為90m時，最大傳輸速率為100kb/s；當傳輸速率為1kb/s時，傳輸距離可達1200m。

3.RS-485

RS-485接口標準是一種平衡傳輸方式的串行通信接口標準，它與RS-422A兼容，并且擴展了RS-422A的功能。RS-422A只允許電路中有一個發(fā)送器，而RS-485標準允許有多個發(fā)送器，因此，RS-485是一個多發(fā)送器的標準，它允許一個發(fā)送器驅動多個可以是被動發(fā)送器、接收器或收發(fā)器組合單元的負載設備。RS-485采用共線電路結構，即在一對平衡傳輸線的兩端配置終端電阻，其發(fā)送器、接收器以及組合收發(fā)單元可以掛在平衡傳輸線上的任何位置，實現(xiàn)在數(shù)據(jù)傳輸中多個驅動器和接收器共用同一傳輸線的多路傳輸。

RS-485接口標準的抗干擾能力強、傳輸速率高、傳輸距離遠。采用雙絞線，不用調制解調器等通信設備的情況下，當傳輸速率為100kb/s時，傳輸距離可達1200m；當傳輸速率為9600b/s時，傳輸距離可達15km。在傳輸距離為15m時，它的最大傳輸速率可達10Mb/s。

RS-485允許在平衡電纜上連接32個發(fā)送器/接收器，因此它的應用非常廣泛，尤其在工業(yè)現(xiàn)場總線等方面，同時也是物聯(lián)網(wǎng)終端常用的接口方式。RS-485可用串行通信集成芯

片實現(xiàn)，目前常用的芯片有MAX485/MAX491等。9.3.2各種串行接口性能比較

4種通用串行通信接口標準的性能比較如表9.3.1所示。其中EIA是指美國電子工業(yè)協(xié)會制定的標準，TIA為遠程通信協(xié)會(TelecommunicationIndustryAssociation)制定的標準，后綴RS表示推薦標準。

9.4USB串行總線及其應用

9.4.1USB串行總線的特點

通用串行總線(UniversalSerialBus，USB)是一種串行技術規(guī)范，其主要目的是簡化計算機與外圍設備的連接過程，目前已廣泛應用于計算機、通信、自動化、儀器儀表等多個

領域，同時也成為物聯(lián)網(wǎng)中應用最廣泛的串行通信技術之一。

1.使用方便

USB的方便性體現(xiàn)在可自動設置、連接便捷、無需外部電源、接口通用等方面。在自動設置方面，當將USB設備連接到計算機上時，操作系統(tǒng)會自動檢測該設備，并為其加載適當?shù)尿寗映绦颉Ｔ诘谝淮伟惭b時，操作系統(tǒng)會提醒用戶加載驅動程序，其后的安裝，操作系統(tǒng)會自動完成，一般不需要重啟。另外，USB的安裝不需要設置如端口地址、中斷號碼等參數(shù)，安裝程序會自動檢測。在連接方面，USB等外設可直接插入到計算機的USB接口上。不需要時，可直接將其拔下，USB設備的插拔不會損壞計算機和USB外設。

USB接口包含了一個+5V的電源和地線，USB外設可直接使用接入系統(tǒng)的電源和地，無需USB外設提供額外的電源，只有在所接入的系統(tǒng)提供的電源功率不足時，才需要給USB外設供電。

2.傳輸速率高

USB支撐三種信道速率，即1.5Mb/s的低速、12Mb/s的全速，以及480Mb/s以上的高速。目前計算機的USB接口均能支撐這三種速率。USB的這三種速率可應用于表9.4.1所示的場合。

3.功耗低、性能穩(wěn)定

當USB外設處于待機狀態(tài)時，可自動啟動省電模式來降低功耗；激活時，可自動恢復原來狀態(tài)，因此USB外設的功耗較低。

USB的驅動程序、硬件及電纜均盡量減少噪聲干擾，以免產(chǎn)生差錯，所有的設計均采用了差錯處理機制，因此使用時USB設備較穩(wěn)定。

4.操作系統(tǒng)的支持性與靈活性

Windows98是第一個支持USB的操作系統(tǒng)，以后主流的操作系統(tǒng)如Linux、NetBSD和FreeBSD等也支持USB。每個操作系統(tǒng)都支持與USB相關的下列三項底層功能：

（1）與新連接的設備溝通確認交換數(shù)據(jù)的方式。

（2）自動檢測設備是否連接到系統(tǒng)或已刪除。

（3）提供驅動程序與USB硬件以及應用程序的溝通機制。

USB的控制、中斷、批量和實時四種傳輸類型與低速、全速及高速三種傳輸速率可讓外設靈活選擇。不論是交換少量或大量的數(shù)據(jù)，還是有無時效的限制，都適合傳輸類型?？傊?，USB接口的優(yōu)點使得它不但成為了計算機最常用的數(shù)據(jù)傳輸接口，而且成為了能適應于未來物聯(lián)網(wǎng)需要的通用串行通信標準，可很好地實現(xiàn)短距離數(shù)據(jù)通信。9.4.2USB總線體系結構

USB系統(tǒng)主要包括USB主機、USB設備和USB互連三部分。其中USB互連是指USB設備與USB主機連接并通信的方式，它是通過一定的拓撲結構來實現(xiàn)互連的。

1.USB拓撲結構

USB設備與USB主機通過USB總線相連。USB的拓撲結構為星型結構，如圖9.4.1所示。圖9.4.1USB的拓撲結構集線器是USB拓撲連接的核心部件，與主機相連的集線器為根集線器，它可以與其他集線器相連，也可以與設備相連。一個集線器與多個設備相連可組成復合設備，例如一個鼠標和一個鍵盤可以組合在一個集線器內(nèi)形成一個多功能的復合設備。

2.USB總線

在整個USB系統(tǒng)中，只允許存在一個主機。主機的基本結構如圖9.4.2所示。它由USB主控制器、USB系統(tǒng)軟件和USB客戶軟件構成。其中，USB主控制器是指主機的USB接口，它可以是硬件與軟件構成的實體。USB主控制器的作用是將數(shù)據(jù)轉換成在管道中傳輸?shù)母袷?，而且能被操作系統(tǒng)理解。USB主控制器的另一個作用負責管道上的通信。圖9.4.2USB主機的結構集線器被集成在主機系統(tǒng)中，用來提供一個或多個接入。集線器與主控制器共同作用來檢測設備的接入和移除。USB主機是USB中唯一用來協(xié)調控制所有USB訪問的實體。當一個USB訪問請求到來時，必須首先得到主機的允許，USB設備才能獲得對總線的訪問權。

USB系統(tǒng)中主機主要進行USB設備的接入與移除檢測，主機與USB設備間數(shù)據(jù)流的管理，搜索狀態(tài)信息和活動信息統(tǒng)計，并為接入的USB設備提供電源。

USB的系統(tǒng)軟件是用來管理USB設備和主機之間信息交互的，它主要完成設備的枚舉和配置、同步數(shù)據(jù)傳輸、電源管理以及設備和總線信息管理。圖9.4.3USB設備的結構

3.USB的機械及電氣特性

USB設備都有“上行”(Up-stream)和“下行”(Down-stream)連接。對于USB主機，連接的是下行。上行和下行連接在機械性能方面是不能互換的，所以要盡量避免集線器上發(fā)生環(huán)路連接。USB連接器上都有四個觸點，具有屏蔽外界干擾、保障堅固性和易于插拔的特性。對應的USB電纜具有四根導線，其中一對標準規(guī)格的雙絞線作為信號線，分別標有D+

和D－；另一對為規(guī)格的電源線，分別標有Vbus和GND。

USB信號線的特性阻抗為90Ω，使用一個差模輸出驅動器向USB電纜傳輸數(shù)據(jù)信號，因此接收端可在不低于200mA的范圍內(nèi)保證接收的準確性。

USB通信接口支持兩種信號速率：最高速率12Mb/s和較低速率1.5Mb/s。較低速率的傳輸對線路的要求較低，而較高速率的傳輸對線路的要求較高。對于最高速率的連接，要求采用一對屏蔽雙絞線電纜來產(chǎn)生，要求電纜的特性阻抗為90Ω±15%，電纜長度不超過15m。每個驅動器的阻抗必須位于19~44Ω之間。數(shù)據(jù)信號上升沿和下降沿間的時間必須處于4~20ns之間。低速率的連接可以利用一對非屏蔽雙絞線電纜實現(xiàn)，最大長度為3m。9.4.3USB系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)中的應用

1.USB近距離數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

USB的傳輸距離一般在15m以內(nèi)，屬于近距離傳輸，而不采用數(shù)據(jù)通信設備所構成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為近距離數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。USB近距離數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件結構如圖9.4.4所示。它由主機（計算機或信息處理系統(tǒng)）、USB通信接口、微處理器、A/D轉換器等構成。圖9.4.4USB近距離數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件組

2.USB遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

USB的通信距離限制了數(shù)據(jù)采集的范圍，要想擴大數(shù)據(jù)采集的距離就須在USB近距離數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基礎上增加相關的接口來延長傳輸距離。目前在工業(yè)現(xiàn)場中廣泛采用RS-485

接口來傳輸數(shù)據(jù)，其傳輸距離可達1km以上，并且可以跨接多臺設備，但其缺點是傳輸速度慢、成本高、安裝不便。為了獲得傳輸距離、傳輸速率、成本及安裝等方面的綜合優(yōu)勢，可將圖9.4.4中的數(shù)據(jù)采集器作為單獨的模塊與USB/RS-485轉換器結合進行設計，其系統(tǒng)結構如圖9.4.5所示。圖9.4.5USB遠距離數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結構

RS-485總線的長度可長達1km以上，在該總線上可跨接32個數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器的通信接口為RS-485。這些數(shù)據(jù)采集器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)RS-485總線到達USB/RS-485雙向轉換器后被轉換成為USB信號進入到主機。9.4.4IEEE-1394接口

與USB接口相似的另一個接口標準是IEEE-1394，它比USB具有更快的傳輸速率、更為靈活方便，但其成本較高。USB和IEEE-1394的應用場合是有所區(qū)別的。USB適合使用在鍵盤、鼠標、掃描儀、移動硬盤及打印機等中低速的設備上，而IEEE-1394則非常適合于視頻或其他高速系統(tǒng)的連接，以及沒有主機的場合。對于許多外設來說，USB和IEEE-1394都適用。在使用USB時，一臺主機可以控制多臺外設，控制信息的處理均由主機完成，因此這些外設的電路相對簡單，因而成本也較低。

IEEE-1394采用的是點對點的通信方式，外設間可以直接相互通信，并且還可以采用點對多點的通信方式。所以IEEE-1394比USB更靈活，但外設電路較復雜，成本也較高。

USB1.x的傳輸速率為12Mb/s，USB2.0的傳輸速率可達480Mb/s。IEEE-1394[JP2]的傳輸速率為400Mb/s，比USB1.1快30倍以上，IEEE-1394.b的傳輸速率可達3.2Gb/s以

上，比USB2.0快6倍以上。

除了成本外，IEEE-1394的靈活性、速度都比USB有優(yōu)勢。

9.5CAN總線

9.5.1CAN總線的特點

物聯(lián)網(wǎng)的一個重要的應用領域是工業(yè)與自動化，在該領域中需要對大量的生產(chǎn)現(xiàn)場進行實時控制，因此現(xiàn)場總線的技術及應用是物聯(lián)網(wǎng)通信技術、控制技術的重要組成部分。目前，常用的現(xiàn)場總線主要有以下幾種類型：基金會現(xiàn)場總線(FoundationFieldbus，F(xiàn)F)、ProfiBus、CAN(ControllerAreaNetwork)、DeviceNet、HART等。其中CAN現(xiàn)場總線，

即控制器局域網(wǎng)，具有高性能、高可靠性以及獨特的設計，被公認為是最有前途的現(xiàn)場總線之一。

CAN現(xiàn)場總線是在20世紀80年代初由德國BOSCH公司為實現(xiàn)現(xiàn)代汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。它是一種多主總線，具有很高的可靠性，支持分布式控制和實時控制。

CAN總線已歷經(jīng)30多年的發(fā)展，應用日趨廣泛。其國際標準(ISO11898)的制定，進一步推動了它的發(fā)展和應用。目前已有Intel、Motorola、Philips、Siemens等百余家國際大公司支持CAN總線協(xié)議。目前，CAN總線已被廣泛地應用于汽車、火車、輪船、機器人、智能樓宇、機械制造、數(shù)控機床、各種機械設備、交通管理、傳感器、自動化儀表等領域，同時也成為了物聯(lián)網(wǎng)中廣泛應用的感知控制層的通信總線。

CAN總線屬于總線式串行通信網(wǎng)絡，由于采用了許多新技術以及獨特的設計，與一般的通信總線相比，它具有突出的可靠性、實時性和靈活性。其特點可以概括如下：

（1）通信方式靈活。CAN采用多主方式工作，網(wǎng)絡上的任意節(jié)點均可在任意時刻主動地向其他節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從，且不需站地址等結點信息。

（2）CAN網(wǎng)絡上的節(jié)點信息分成不同的優(yōu)先級，以滿足和協(xié)調各自不同的實時性要求。

（3）采用非破壞性總線仲裁技術，當多個節(jié)點同時發(fā)送信息時，按優(yōu)先級順序通信，大大節(jié)省總線沖突仲裁時間，避免網(wǎng)絡癱瘓。（4）CAN通過報文濾波實現(xiàn)點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送數(shù)據(jù)，無需專門的“調度”。

（5）傳輸速率最高可以達到1Mb/s(40m)，直接傳輸距離最遠可以達到10km(傳輸速率在5kb/s以下)。

（6）CAN上的節(jié)點數(shù)主要取決于總線驅動電路，目前可達110個。報文標志符可達2032種(CAN2.0A)，擴展標準(CAN2.0B)的報文標志符幾乎不受限制。（7）短幀，傳輸時間短，抗干擾能力強,檢錯效果好。其每幀字節(jié)數(shù)最多為8個，能夠滿足工業(yè)領域的一般要求，也能保證通信的實時性。

（8）CAN每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯措施，保證了通信的可靠性。

（9）CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成數(shù)據(jù)通信的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗、優(yōu)先級判別等。（10）通信介質可以為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。

（11）網(wǎng)絡結點在錯誤嚴重的情況下可以自動關閉輸出功能，使總線上其他節(jié)點的操作不受影響。

（12）已經(jīng)實現(xiàn)了標準化、規(guī)范化（國際標準ISO11898）。9.5.2CAN總線網(wǎng)絡層次與通信協(xié)議

1.CAN總線網(wǎng)絡層次

CAN協(xié)議主要描述設備之間的信息傳遞方式。ISO開放系統(tǒng)互連參考模型將網(wǎng)絡協(xié)議分為7層，由上至下分別為應用層、表示層、會話層、傳輸層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。

根據(jù)ISO/OSI開放系統(tǒng)互連參考模型，為了滿足現(xiàn)場設備間通信的實時性要求，在CAN規(guī)范中只是在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層進行了定義，其層次結構如圖9.5.1所示。圖9.5.1CAN分層結構在數(shù)據(jù)鏈路層，CAN定義了邏輯鏈路子層(LLC)部分和完整的媒體訪問控制子層(MAC)。邏輯鏈路子層(LLC)的作用范圍包括：為遠程數(shù)據(jù)請求以及數(shù)據(jù)傳輸提供服務，確定由實際使用的LLC子層接收哪一個報文，為恢復管理和過載通知提供手段。MAC子層主要是傳送規(guī)則，也就是控制幀結構、執(zhí)行仲裁、錯誤檢測、出錯標定、故障界定。總線上什么時

候開始發(fā)送新報文，以及什么時候開始接收報文，均在MAC子層里確定。位定時的一些普通功能也可以看做是MAC子層的一部分。MAC子層的修改是受到限制的。

MAC子層是CAN協(xié)議的核心。它把接收到的報文提供給LLC子層，并接收來自LLC子層的報文。

物理層的作用是在不同節(jié)點之間根據(jù)所有的電氣屬性進行位的實際傳輸。同一網(wǎng)絡的物理層，對于所有的節(jié)點當然是相同的。在物理層，CAN協(xié)議規(guī)范只定義了信號如何實際地

傳輸，包括對位時間、位編碼、同步的解釋。CAN規(guī)范沒有定義物理層的驅動器/接收器特性，因而可以根據(jù)具體的應用對發(fā)送媒體和信號電平進行優(yōu)化。

2.CAN總線通信協(xié)議

1）總線訪問

CAN是共享媒體的總線，對媒體的訪問機制類似于以太網(wǎng)的媒體訪問機制，即采用載波監(jiān)聽多路訪問(CarrierSenseMultipleAccess,CSMA)的方式。CAN控制器只能在總線空閑時開始發(fā)送，并采用硬同步，所有CAN控制器同步都位于幀起始的前沿。為避免異步時鐘因累計誤差而錯位，CAN總線在硬同步后，還應滿足在一定條件的跳變下進行重新同步。

CAN總線是由兩條導線構成的，總線上的狀態(tài)（信號）由兩條導線上的電壓決定：當處于隱性狀態(tài)（即隱性電平）時，兩條導線上的電壓為0V；當處于顯性狀態(tài)（即顯性電平）時，兩條導線上的電壓不低于2.5V。

當總線空閑時呈隱性電平，此時任何一個節(jié)點都可以向總線發(fā)送一個顯性電平作為一個幀的開始。

2）非破壞性的位仲裁方式

當總線空閑時呈隱性電平，此時任何一個節(jié)點都可以向總線發(fā)送一個顯性電平作為一個幀的開始。如果有兩個或兩個以上的節(jié)點同時發(fā)送，就會產(chǎn)生總線沖突。CAN總線解決總線沖突的方法比以太網(wǎng)的CSMA/CD方法有很大的改進。

3）編碼/解碼

幀起始域、仲裁域、控制域、數(shù)據(jù)域和CRC序列均使用位填充技術進行編碼。在CAN總線中，每連續(xù)5個同狀態(tài)的電平插入一位與它相補的電平，還原時每5個同狀態(tài)的電平后的相補電平被刪除，從而保證了數(shù)據(jù)的透明。

4）出錯標注

當檢測到位錯誤、填充錯誤、形式錯誤或應答錯誤時，檢測出錯條件的CAN控制器將發(fā)送一個出錯標志。

5）超載標注

一些CAN控制器會發(fā)送一個或多個超載幀以延遲下一個數(shù)據(jù)幀或遠程幀的發(fā)送。

3.CAN報文的幀類型

1）數(shù)據(jù)幀

數(shù)據(jù)幀用來攜帶從發(fā)送器傳輸?shù)浇邮掌鞯臄?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)幀由7個不同的域組成，即幀起始標識位(SOF)、仲裁域(ArbitrationField)、控制域(ControlField)、數(shù)據(jù)域(DataField)、

CRC檢查域、ACK應答域和幀結束。其中數(shù)據(jù)域的長度可以為0。數(shù)據(jù)幀的結構如圖9.5.2所示。圖9.5.2數(shù)據(jù)幀的結構

CAN2.0B協(xié)議中存在著兩種不同的幀格式，其主要區(qū)別在于標識符(Identifier)的長度。

具有11位標識符的幀稱為標準幀，而包括29位標識符的幀稱為擴展幀。標準格式和擴展格式數(shù)據(jù)幀的結構如圖9.5.3所示。SOF：幀起始；IDE：標識符擴展位；RTR：遠程傳輸請求；DLC：數(shù)據(jù)長度碼；SRR：代用遠程請求圖9.5.3標準格式幀與擴展格式幀

2）遠程幀

總線上的某個節(jié)點想要接收一個特定節(jié)點的特定數(shù)據(jù)時可采用遠程幀來實現(xiàn)，發(fā)送這種特定數(shù)據(jù)的特定節(jié)點收到這個遠程幀后，就應盡力響應這個遠地傳送要求，所以對遠程幀本身來說是沒有數(shù)據(jù)域的。在遠程幀中，除了RTR位被設置為1，表示被動狀態(tài)外，其余部分與數(shù)據(jù)幀完全相同。

3）錯誤幀

錯誤幀由兩個不同的域組成。第一個域是標志錯誤，可為不同節(jié)點提供錯誤標志(ErrorFlag)；第二個域是錯誤界定符。在報文傳輸過程中，檢測到任何一個節(jié)點出錯，即于下

一位開始發(fā)送錯誤幀，通知發(fā)送端停止發(fā)送。

4）超載幀

超載幀和錯誤幀一樣由兩個域組成：超載標志和超載界定符。當某接收器因內(nèi)部原因要求緩發(fā)下一個數(shù)據(jù)幀或遠程幀時，它向總線發(fā)出超載幀。另外，在間歇場(Intermission)

檢測到一“顯性”位，也要發(fā)送超載幀。超載幀還可以引發(fā)另一次超載幀，但以兩次為限。

5）幀間空間

不管是何種幀,均以幀間空間(InterFrameSpacing)的場位分開。在錯誤幀和超載幀前面沒有幀間空間，并且多個超載幀前面也不被幀間空間分隔。

幀間空間包括間歇場和總線空閑的場位。間歇場包括3個隱性位，在間歇場期間，所有的節(jié)點均不允許傳送數(shù)據(jù)幀或者遠程幀，僅標示一個超載條件。

4.CAN報文的幀格式

以CAN2.0B協(xié)議為代表，下面簡單介紹常用的CAN控制器寄存器中CAN數(shù)據(jù)幀的格式。

1）CAN2.0B標準幀

CAN標準幀信息為11個字節(jié)，包括信息和數(shù)據(jù)兩部分，其中前3個字節(jié)為信息部分。具體內(nèi)容如表9.5.1所示。字節(jié)1為幀信息。第7位FF表示幀格式，在標準幀中，F(xiàn)F=0。第6位RTR表示幀的類型，RTR=0表示數(shù)據(jù)幀，RTR=1表示遠程幀。DLC(數(shù)據(jù)長度碼，DataLengthCode,DLC)表示在數(shù)據(jù)幀時實際的數(shù)據(jù)長度。字節(jié)2、3為報文識別碼，11位有效。字節(jié)4到字節(jié)11為數(shù)據(jù)幀的實際數(shù)據(jù)，遠程幀時無效。

CAN擴展幀信息為13個字節(jié)，也包括信息和數(shù)據(jù)兩部分，其中前5個字節(jié)為信息部分。具體內(nèi)容如表9.5.2所示。

字節(jié)1為幀信息。第7位FF表示幀格式，在標準幀中，F(xiàn)F=1。第6位RTR表示幀的類型，RTR=0表示為數(shù)據(jù)幀，RTR=1表示遠程幀。DLC表示在數(shù)據(jù)幀時實際的數(shù)據(jù)長度。字節(jié)2到字節(jié)5為報文識別碼，29位有效；字節(jié)6到字節(jié)13為數(shù)據(jù)幀的實際數(shù)據(jù)，遠程幀時無效。需要注意的是，數(shù)據(jù)幀對于不同的CAN上層協(xié)議存在著不同的定義。

5.CAN的位仲裁技術

CAN總線采用“載波監(jiān)測，多主掌控/沖突避免”(CSMA/CA)的通信技術。載波監(jiān)測的意思是指在總線上的每個節(jié)點在發(fā)送信息報文前都必須監(jiān)測到總線上有一段時間的空閑狀態(tài)，一旦此空閑狀態(tài)被監(jiān)測到，那么每個節(jié)點都有均等的機會來發(fā)送報文。這被稱為多主掌控。沖突避免是指在兩個以上節(jié)點同時發(fā)送信息時，節(jié)點本身首先會檢測到出現(xiàn)沖突，然后采取相應的措施來解決這一沖突情況。此時優(yōu)先級高的報文先發(fā)送，低優(yōu)先級的報文會暫停。在CAN總線協(xié)議中是通過一種非破壞性的仲裁方式來實現(xiàn)沖突檢測的。這也就意味著當總線出現(xiàn)發(fā)送沖突時，

通過仲裁后原發(fā)送信息不會受到影響。所有的仲裁判別都不會破壞優(yōu)先級高的報文信息內(nèi)容，也不會對其發(fā)送產(chǎn)生任何時延。雖然這種仲裁方式有很多的優(yōu)點，但是也存在一些不足。很明顯，當所有的節(jié)點都隨機地向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)時，具有低優(yōu)先級的節(jié)點總是比具有高優(yōu)先級的節(jié)點具有較大的發(fā)送失敗的概率。如果出現(xiàn)了這樣的情況，會導致該節(jié)點一個數(shù)據(jù)都發(fā)不出去，或者發(fā)出的數(shù)據(jù)具有較大的延遲。對于工業(yè)領域的實時控制，當延時超過了預設值時，接收到的數(shù)據(jù)就已經(jīng)失去了實際的意義。

6.CAN的報文濾波技術

在CAN總線中，存在著多種傳送和接收數(shù)據(jù)的方式，比如點對點、點對多點及全局廣播等幾種方式。這幾種方式的選擇和轉換通過CAN總線中的報文濾波技術實現(xiàn)，不需特別的調度。以通常使用的PHILIPSSJA1000為例，無論是何種工作模式下，都是CAN的某一地址存入的驗收濾波器。在驗收