通信接口協(xié)議介紹

在現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸中大量采用接口方式，監(jiān)控系統(tǒng)涉及較多的是串行通信接口和網(wǎng)絡(luò)接口。

一、串行通信協(xié)議

計算機與外設(shè)或計算機之間的通信通常有兩種方式：并行通信和串行通信。

并行通信指數(shù)據(jù)的各位同時傳送。并行方式傳輸數(shù)據(jù)速度快，但占用的通信線多，傳輸數(shù)據(jù)的可靠性隨距離的增加而下降，只適用于近距離的數(shù)據(jù)傳送。

串行通信是指在單根數(shù)據(jù)線上將數(shù)據(jù)一位一位地依次傳送。發(fā)送過程中，每發(fā)送完一個數(shù)據(jù)，再發(fā)送第二個，依此類推。接受數(shù)據(jù)時，每次從單根數(shù)據(jù)線上一位一位地依次接受，再把它們拼成一個完整的數(shù)據(jù)。在遠距離數(shù)據(jù)通信中，一般采用串行通信方式，它具有占用通信線少、成本低等優(yōu)點。

1、串行通信的基本概念

（1）同步和異步通信方式

串行通信有兩種最基本的通信方式：同步串行通信方式和異步串行通信方式。同步串行通信方式是指在相同的數(shù)據(jù)傳送速率下，發(fā)送端和接受端的通信頻率保持嚴格同步。由于不需要使用起始位和停止位，可以提高數(shù)據(jù)的傳輸速率，但發(fā)送器和接受器的成本較高。異步串行通信是指發(fā)送端和接受端在相同的波特率下不需要嚴格地同步，允許有相對的時間時延，即收、發(fā)兩端的頻率偏差在10％以內(nèi)，就能保證正確實現(xiàn)通信。

（2）數(shù)據(jù)傳送方式

①單工方式。單工方式采用一根數(shù)據(jù)傳輸線，只允許數(shù)據(jù)按照固定的方向傳送。圖8（a）中A只能作為發(fā)送器，B只能作為接收器，數(shù)據(jù)只能從A傳送到B，不能從B傳送到A。

②半雙工方式。半雙工方式采用一根數(shù)據(jù)傳輸線，允許數(shù)據(jù)分時地在兩個方向傳送，但不能同時雙向傳送。圖8（b）中在某一時刻，A為發(fā)送器，B為接收器，數(shù)據(jù)從A傳送到B；而在另一個時刻，A可以作為接收器，B作為發(fā)送器，數(shù)據(jù)從B傳送到A。

③全雙工方式。全雙工方式采用兩根數(shù)據(jù)傳輸線，允許數(shù)據(jù)同時進行雙向傳送。圖8（c）中A和B具有獨立的發(fā)送器和接收器，在同一時刻，既允許A向B發(fā)送數(shù)據(jù)，又允許B向A發(fā)送數(shù)據(jù)。

（3）波特率

波特率是指每秒內(nèi)傳送二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)，以b/s和bps（位/秒）為單位。它是衡量串行數(shù)據(jù)傳送速度快慢的重要指標和參數(shù)。計算機通信中常用的波特率是：110，300，600，1200，2400，4800，9600，19200bps。

（4）串行通信的檢錯和糾錯

在串行通信過程中存在不同程度的噪聲干擾，這些干擾有時會導致在傳輸過程中出現(xiàn)差錯。因此在串行通信中對數(shù)據(jù)進行校驗是非常重要的，也是衡量通信系統(tǒng)質(zhì)量的重要指標。檢錯，就是如何發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)的錯誤，而糾錯就是在發(fā)現(xiàn)錯誤后，如何采取措施糾正錯誤。

①誤碼率

誤碼率是指數(shù)據(jù)經(jīng)傳輸后發(fā)生錯誤的位數(shù)與總傳輸位數(shù)之比。在計算機通信中，一般要求誤碼率達到10-6數(shù)量級。誤碼率與通信過程中的線路質(zhì)量、干擾、波特率等因素有關(guān)。

②奇偶校驗

奇偶校驗是常用的一種檢錯方式。奇偶校驗就是在發(fā)送數(shù)據(jù)位最后一位添加一位奇偶校驗位（0或1），以保證數(shù)據(jù)位和奇偶校驗位中1的總和為奇數(shù)或偶數(shù)。若采用偶校驗，則應(yīng)保證1的總數(shù)為偶數(shù)；若采用奇校驗，則應(yīng)保證1的總和為奇數(shù)。在接受數(shù)據(jù)時，CPU應(yīng)檢測數(shù)據(jù)位和奇偶校驗位中1的總數(shù)是否符合奇偶校驗規(guī)則，如果出現(xiàn)誤碼，則應(yīng)轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的錯誤處理服務(wù)程序，進行后續(xù)糾錯。

③糾錯

在基本通信規(guī)程中一般采用奇偶校驗或方陣碼檢錯，以重發(fā)方式進行糾錯。在高級通信中一般采用循環(huán)冗余碼（CRC）檢錯，以自動糾錯方式來糾錯。一般說來，附加的冗余位越多，檢測、糾錯能力就越強，但通信效率也就越低。

①管腳定義

RS-232物理接口標準可分成25芯和9芯D型插座兩種，均有針、孔之分。其中TX（發(fā)送數(shù)據(jù)）、RX（接受數(shù)據(jù)）和GND（信號地）是三條最基本的引線，就可以實現(xiàn)簡單的全雙工通信。DTR（數(shù)據(jù)終端就緒）、DSR（數(shù)據(jù)準備好）、RTS（請求發(fā)送）和CTS（清除發(fā)送）是最常用的硬件聯(lián)絡(luò)信號。

3 2 發(fā)送數(shù)據(jù) DTE —》DCE TxD DTE發(fā)送串行數(shù)據(jù)

2 3 接收數(shù)據(jù) DTE 《—DCE RxD DTE接受串行數(shù)據(jù)

7 4 請求發(fā)送 DTE —》DCE RTS DTE請求切換到發(fā)送方式

8 5 清除發(fā)送 DTE 《—DCE CTS DCE已切換到準備接受

6 6 數(shù)據(jù)設(shè)備就緒 DTE 《—DCE DSR DCE準備就緒可以接受

5 7 信號 地 GND 公共信號地

1 8 載波檢測 DTE 《—DCE DCD DCE已接受到遠程載波

4 20 數(shù)據(jù)終端就緒 DTE —》DCE DTR DTE準備就緒可以接受

9 22 振鈴指示 DTE 《—DCE RI 通知DTE，通訊線路已接通

按照RS232標準，傳輸速率一般不超過20kbps，傳輸距離一般不超過15M。實際使用時通信速率最高可達115200bps。

②RS232串行接口基本接線原則

設(shè)備之間的串行通信接線方法，取決于設(shè)備接口的定義。設(shè)備間采用RS232串行電纜連接時有兩類連接方式：

直通線：即相同信號（Rxd對Rxd、Txd對Txd）相連，用于DTE（數(shù)據(jù)終端設(shè)備）與DCE（數(shù)據(jù)通信設(shè)備）相連。如計算機與MODEM（或DTU）相連。

交叉線：即不同信號（Rxd對Txd、Txd對Rxd）相連，用于DTE與DTE相連。如計算機與計算機、計算機與采集器之間相連。

以上兩種連接方法可以認為同種設(shè)備相連采用交叉線連接，不同種設(shè)備相連采用直通線連接。在少數(shù)情況下會出現(xiàn)兩臺具有DCE接口的設(shè)備需要串行通信的情況，此時也用交叉方式連接。當一臺設(shè)備本身是DTE，但它的串行接口按DCE接口定義時，應(yīng)按DCE接線。如艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司生產(chǎn)的一體化采集器IDA采集模塊上的調(diào)測接口是按DCE接口定義的，當計算機與IDA采集模塊的調(diào)測口連接時就要采用直通串行電纜。

一般地，RS232接口若為公頭，則該接口按DTE接口定義；若為母頭，則該接口按DCE接口定義。但注意也有反例，不能一概而論。（一些DTE設(shè)備上的串行接口按DCE接口定義而采用DB9或DB25母接口的原因主要是因為DTE接口一般都采用公頭，當人用手接觸時易接觸到針腳；采用母頭時因不易碰到針腳，可避免人體靜電對設(shè)備的影響。）

對于某些設(shè)備上的非標準RS232接口，需要根據(jù)設(shè)備的說明書確定針腳的定義。如果已知Txd、Rxd和Gnd三個針腳，但不清楚哪一個針腳是Txd，哪一個針腳是Rxd，可以通過用萬用表測量它們與Gnd之間的電壓來判別，如果有一個電壓為-10V左右，則萬用表紅表筆所接的是DTE的Txd或DCE的Rxd。

③RS232的三種接線方式

三線方式：即兩端設(shè)備的串口只連接收、發(fā)、地三根線。一般情況下，三線方式即可滿足要求，如監(jiān)控主機與采集器及大部分智能設(shè)備之間相連。

簡易接口方式：兩端設(shè)備的串口除了連接收、發(fā)、地三根線外，另外增加一對握手信號（一般是DSR和DTR）。具體需要哪對握手信號，需查閱設(shè)備接口說明。

完全口線方式：兩端設(shè)備的串口9線全接。

此外，有些設(shè)備雖然需要握手信號，當并不需要真正的握手信號，可以采用自握手的方式。

RS-422由RS-232發(fā)展而來。為改進RS-232通信距離短、速度低的缺點，RS-422定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到10Mbit/s，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、平衡傳輸規(guī)范。

RS-422的數(shù)據(jù)信號采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸。它使用一對雙絞線，將其中一線定義為A，另一線定義為B，如圖1-8-8。通常情況下，發(fā)送驅(qū)動器A、B之間的正電平在+2～+6V，是一個邏輯狀態(tài)，負電平在-2～-6V，是另一個邏輯狀態(tài)。另有一個信號地C，在RS-485中還有一“使能”端， “使能”端是用于控制發(fā)送驅(qū)動器與傳輸線的切斷與連接。當“使能”端起作用時，發(fā)送驅(qū)動器處于高阻狀態(tài)，稱作“第三態(tài)”，即它是有別于邏輯“1”與“0”的第三態(tài)。

接收器也作與發(fā)送端相應(yīng)的規(guī)定，收、發(fā)端通過平衡雙絞線將AA與BB對應(yīng)相連，當在收端AB之間有大于+200mV的電平時，輸出正邏輯電平，小于-200mV時，輸出負邏輯電平。接收器接收平衡線上的電平范圍通常在200mV至6V之間。

②RS-422

RS-422標準全稱是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”，它定義了接口電路的特性。圖1-8-9是典型的RS-422四線接口。實際上還有一根信號地線，共5根線。由于接收器采用高輸入阻抗和發(fā)送驅(qū)動器比RS232更強的驅(qū)動能力，故允許在相同傳輸線上連接多個接收節(jié)點，最多可接10個節(jié)點。即一個主設(shè)備（Master），其余為從設(shè)備（Salve），從設(shè)備之間不能通信，所以RS-422支持點對多的雙向通信。RS-422四線接口由于采用單獨的發(fā)送和接收通道，因此不必控制數(shù)據(jù)方向，各裝置之間任何必須的信號交換均可以按軟件方式（XON/XOFF握手）或硬件方式（一對單獨的雙絞線）實現(xiàn)。

RS-422的最大傳輸距離為4000英尺（約1200米），最大傳輸速率為10Mb/s。其平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能達到最大傳輸距離。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率僅為1Mb/s。

RS422接口的定義很復雜，一般只使用四個端子，其針腳定義分別為TX+、TX-、RX+、RX-，其中TX+和TX-為一對數(shù)據(jù)發(fā)送端子，RX+和RX-為一對數(shù)據(jù)接收端子，參見圖1-8-10。RS422采用了平衡差分電路，差分電路可在受干擾的線路上拾取有效信號，由于差分接收器可以分辨0.2V以上的電位差，因此可大大減弱地線干擾和電磁干擾的影響，有利于抑制共模干擾，傳輸距離可達1200米。

另外和RS232不同的是，在一RS422總線上可以掛接多臺設(shè)備組網(wǎng)，總線上連接的設(shè)備RS422串行接口同名端相接，與上位機則收發(fā)交叉，可以實現(xiàn)點到多點的通信，如圖1-8-11所示。（RS232只能點到點通信，不能組成串行總線。）

通過RS422總線與計算機某一串口通信時，要求各設(shè)備的的通信協(xié)議相同。為了在總線上區(qū)分各設(shè)備，各設(shè)備需要設(shè)置不同的地址。上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)所有的設(shè)備都能接收到，但只有地址符合上位機要求的設(shè)備響應(yīng)。

③RS-485

為擴展應(yīng)用范圍，EIA在RS-422的基礎(chǔ)上制定了RS-485標準，增加了多點、雙向通信能力，通常在要求通信距離為幾十米至上千米時，廣泛采用RS-485收發(fā)器。

RS-485收發(fā)器采用平衡發(fā)送和差分接收，即在發(fā)送端，驅(qū)動器將TTL電平信號轉(zhuǎn)換成差分信號輸出；在接收端，接收器將差分信號變成TTL電平，因此具有抑制共模干擾的能力，加上接收器具有高的靈敏度，能檢測低達200mV的電壓，故數(shù)據(jù)傳輸可達千米以外。

RS-485許多電氣規(guī)定與RS-422相仿。如都采用平衡傳輸方式、都需要在傳輸線上接終接電阻等。RS-485可以采用二線與四線方式，二線制可實現(xiàn)真正的多點雙向通信。而采用四線連接時，與RS-422一樣只能實現(xiàn)點對多的通信，即只能有一個主（Master）設(shè)備，其余為從設(shè)備，但它比RS-422有改進，無論四線還是二線連接方式總線上可連接多達32個設(shè)備，SIPEX公司新推出的SP485R最多可支持400個節(jié)點。

RS-485與RS-422的共模輸出電壓是不同的。RS-485共模輸出電壓在-7V至+12V之間， RS-422在-7V至+7V之間，RS-485接收器最小輸入阻抗為12KΩ；RS-422是4kΩ；RS-485滿足所有RS-422的規(guī)范，所以RS-485的驅(qū)動器可以用在RS-422網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。但RS-422的驅(qū)動器并不完全適用于RS-485網(wǎng)絡(luò)。

RS-485與RS-422一樣，最大傳輸速率為10Mb/s。當波特率為1200bps時，最大傳輸距離理論上可達15千米。平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能使用規(guī)定最長的電纜長度。

RS-485需要2個終接電阻，接在傳輸總線的兩端，其阻值要求等于傳輸電纜的特性阻抗。在矩距離傳輸時可不需終接電阻，即一般在300米以下不需終接電阻。

RS485是RS422的子集，只需要DATA+（D+）、DATA-（D-）兩根線。RS485與RS422的不同之處在于RS422為全雙工結(jié)構(gòu)，即可以在接收數(shù)據(jù)的同時發(fā)送數(shù)據(jù)，而RS485為半雙工結(jié)構(gòu)，在同一時刻只能接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。

RS485總線上也可以掛接多臺設(shè)備，用于組網(wǎng)，實現(xiàn)點到多點及多點到多點的通信（多點到多點是指總線上所接的所有設(shè)備及上位機任意兩臺之間均能通信）。

連接在RS485總線上的設(shè)備也要求具有相同的通信協(xié)議，且地址不能相同。在不通信時，所有的設(shè)備處于接收狀態(tài)，當需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，串口才翻轉(zhuǎn)為發(fā)送狀態(tài)，以避免沖突。

為了抑制干擾，RS485總線常在最后一臺設(shè)備之后接入一個120歐的電阻。

很多設(shè)備同時有RS485接口方式和RS422接口方式，常共用一個物理接口，見圖1-8-14。圖中，RS485的D+和D-與RS422的T+和T-共用。

操作方式 電平 差分 差分

最大傳輸速率 20kb/s（15m） 10Mb/s（12m）1Mb/s（120m）100kb/s（1200m） 10Mb/s（12m）1Mb/s（120m）100kb/s（1200m）

驅(qū)動器輸出電壓 無負載時 ±5V～±15V ±5V ±5V

有負載時 ±2V ±1.5V

驅(qū)動器負載阻抗 3kΩ～7kΩ 100Ω（min） 54Ω（min）

接收輸入阻抗 3kΩ～7kΩ 4kΩ 12kΩ

接收器靈敏度 ±3V ±200mV ±200mV

工作方式 全雙工 全雙工 半雙工

連接方式 點到點 點到多點 多點到多點

表1-8-2 RS232、RS422、RS-485接口性能比較

①數(shù)據(jù)傳輸速率高。USB標準接口傳輸速率為12Mbps，最新的USB2.0支持最高速率達480Mbps。同串行端口比，USB大約快1000倍；同并行端口比，USB端口大約快50%。

②數(shù)據(jù)傳輸可靠。USB總線控制協(xié)議要求在數(shù)據(jù)發(fā)送時含有3個描敘數(shù)據(jù)類型、發(fā)送方向和終止標志、USB設(shè)備地址的數(shù)據(jù)包。USB設(shè)備在發(fā)送數(shù)據(jù)時支持數(shù)據(jù)偵錯和糾錯功能，增強了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

③同時掛接多個USB設(shè)備。USB可通過菊花鏈的形式同時掛接多個USB設(shè)備，理論上可達127個。

④USB接口能為設(shè)備供電。USB線纜中包含有兩根電源線及兩根數(shù)據(jù)線。耗電比較少的設(shè)備可以通過USB口直接取電?？赏ㄟ^USB口取電的設(shè)備又分低電量模式和高電量模式，前者最大可提供100毫安的電流，而后者則是500毫安。

⑤支持熱插拔。在開機情況下，可以安全地連接或斷開設(shè)備，達到真正的即插即用。

USB還具有一些新的特性，如：實時性（可以實現(xiàn)和一個設(shè)備之間有效的實時通信）、動態(tài)性（可以實現(xiàn)接口間的動態(tài)切換）、聯(lián)合性（不同的而又有相近的特性的接口可以聯(lián)合起來）、多能性（各個不同的接口可以使用不同的供電模式）。

對主要協(xié)議起補充作用的協(xié)議有五個，它們是通過TCP/IP提供的五個應(yīng)用服務(wù)：文件傳輸協(xié)議（FTP）、遠程登錄協(xié)議（TELNET）、 簡單郵件傳輸協(xié)議（SMTP）、域名服務(wù)（DNS）、簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（SNMP）和遠程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測（RMON）等。另外超文本傳輸協(xié)議（HTTP）用于在Internet上為使用WWW瀏覽器進行訪問的用戶傳輸超文本標記語言文檔，包括音頻、圖像、視頻和圖形文件。可以使用Ping應(yīng)用程序?qū)ν粋€網(wǎng)絡(luò)上或者不同網(wǎng)絡(luò)上的結(jié)點進行聯(lián)系，確定對方是否連接并且可以進行響應(yīng)。作為一個網(wǎng)絡(luò)管理員，可以使用Ping另外一個結(jié)點來快速驗證LAN或WAN連接是否正常工作。Traceroute（Tracert）應(yīng)用程序使用戶可以跟蹤網(wǎng)絡(luò)兩點間的跳數(shù)。

上面介紹的編址稱為IPv4，IPv4已經(jīng)消耗盡了所有的地址。由于IPv4不能提供網(wǎng)絡(luò)安全，也不能實施復雜的路由選項，如在QoS的水平上創(chuàng)建子網(wǎng)等，所以應(yīng)用也受到了限制。同時，IPv4除了提供廣播和多點傳送編址外，并不具備多個選項來處理多種不同的多媒體應(yīng)用程序，如流式視頻或視頻會議等。為適應(yīng)I P的爆炸式應(yīng)用，Internet工程任務(wù)組（IETF）開始了IPng（IP next generation）的初步開發(fā)。1996年，IPng的研究誕生了一種稱為IPv6的新標準，IPv6具有128位編址能力。

NIC可以使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備如計算機或其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等連接到某個網(wǎng)絡(luò)上。

②允許大量的計算機可以連接在一個或多個LAN上。

③通過集中式網(wǎng)絡(luò)設(shè)計來降低網(wǎng)絡(luò)阻塞。

④提供多協(xié)議服務(wù)，如Ethernet-to-FDDI連接。

⑤加強網(wǎng)絡(luò)主干。

⑥使得可以進行高速通信。

⑦為幾種不同類型的介質(zhì)（如同軸電纜、雙絞線和光纖）提供連接。

⑧使得可以進行集中式網(wǎng)絡(luò)管理。

路由器具有內(nèi)置的智能來指導包流向特定的網(wǎng)絡(luò)，可以研究網(wǎng)絡(luò)流量并快速適應(yīng)在網(wǎng)絡(luò)中檢測到的變化。路由器可以用來：

①有效地指導包從一個網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)搅硪粋€網(wǎng)絡(luò)，減少過度的流量。

②連接相臨或遠距離的網(wǎng)絡(luò)。

③連接截然不同的網(wǎng)絡(luò)。

④通過隔離網(wǎng)絡(luò)的一部分來防止網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。

⑤保護網(wǎng)絡(luò)免受入侵。

①將常用的協(xié)議（如TCP/IP）轉(zhuǎn)換為專用的協(xié)議（如SNA）。

②將一種消息格式轉(zhuǎn)換為另一種格式。

③轉(zhuǎn)化不同的編址方案。

④將主機鏈接到LAN上。

⑤為到主機的連接提供終端仿真。

⑥指導電自由件發(fā)送到正確的網(wǎng)絡(luò)目標上。

⑦用不同的結(jié)構(gòu)連接網(wǎng)絡(luò)。

RJ45線的對接方法如下（T568B）：

A端 《——》 B端

1 pin 白橙 白綠

2 pin 橙 綠

3 pin 白綠 白橙

4 pin 藍 藍

5 pin 白藍 白藍

6 pin 綠 橙

7 pin 白棕 白棕

8 pin棕 棕

普通跳線：用于電腦網(wǎng)卡與模塊的連接、配線架與配線間的連接、配線架與HUB或交換機的連接。它的兩端的RJ45接頭接線方式是相同的。如下圖1-8-19，其中TD代表傳送，各有兩條線（TD+及TD-）；而RD代表接收，也有兩條線（RD+及RD-）。

交叉連接線：用于HUB與交換機等設(shè)備間的連接。它們兩端的RJ45接線方式是不相同的，要求其中的一個接線對調(diào)1/2、3/6線對。而其余線對則可依舊按照一一對應(yīng)的方式安裝。