第五章短距离有线通信技术

物联网通信技术第四章短距离有线通信技术赵建立山东科技大学在物联网的感知控制层中存在大量的物联网终端，这些终端用来感知“物”的信息，并将所感知到的信息通过短距离通信系统传送到网络传输层的汇聚设备，通过汇聚设备的处理与转换后进入网络传输层，为综合应用层提供“物”的信息；同时，感知控制层内的物联网终端还要接收综合应用层的各种控制命令，这些控制命令是通过网络传输层、汇聚设备及短距离通信系统到达物联网的感知控制终端的。从感知控制终端到汇聚设备之间的通信系统可称之为感知层通信系统。感知控制层通信系统可分为有线和无线通信系统两类。有线和无线通信系统主要是采用各种短距离有线及无线通信技术来完成感知控制终端与汇集设备之间的数据传输的。目前，常用的短距离有线通信技术为各种串行通信、各种总线通信等；常用的短距离无线通信为红外、蓝牙、无线局域网、超带宽无线通信技术、无线传感网络等。3.1数据终端间的通信及接口特性物联网中的感知控制层通信系统可认为是一个点对点的数据通信系统，物联网感知控制终端（以下简称为物联网终端）和汇聚设备均可看成两个对等通信的数据终端设备。数据终端间通信时需要通过数据通信设备对数据信息进行某种变换和处理才能适合有线或无线信道的传输。数据终端间通信的系统结构如图3.1所示。图3.1中，数据终端设备(DTE,DataTerminalEquipment)是指物联网终端或物联网中的计算机设备、以及其他数据终端设备。数据通信设备(DCE,DataCommunicationEquipment)可以是调制解调器(Modem)、线路适配器、信号变换器等。对于不同的通信线路，为了使不同厂家的产品能够互联，DTE与DCE在插接方式、引脚分配、电气性能及应答关系上均应符合统一的标准及规范。国际电报电话咨询委员会(CCITT)、国际标准化组织(ISO)和美国电子工业协会(ElectronicIndustriesAssociation，EIA)为各种数据通信系统提供了开放互联的系统标准，这些标准如表3.1.1所示，它包括了机械性能、电气特性、功能特性、过程特性4个方面。表3.1.1DTE和DCE接口标准分类标准序号兼容标准说明机械特性ISO-2110EIARS-232EIARS-366A25针D型连接器，用于音频Modem\、电路接口和自动呼叫设备ISO-259334针，用于CCITTV.35的宽带ModemISO-4902EIARS-44937针和9针的D连接器，用于音频和宽带ModemISO-490315针D型连接器，用于CCITTX.20、X.21、X.22所指定的PDN接口电气特性V.10/X.27RS-423A新型非平衡式电气性能V.10/X.26RS-422A新型平衡式电气性能V.28RS-232C非平衡式电气性能功能特性V.24RS-232CRS-449定义了用于通过电话网进行数据通信的DTE/DCE间接口的43种交换电路，用于DTE/ACE（自动呼叫设备）接口的12种交换电路X.24X.20、X.21和X.22基础上发展的，用于PDN中的DTE/DCE间接口交换电路过程特性V.24RS-232CRS-449利用公用电话网进行数据传输制订的规程X.20X.21利用公用数据网进行同步数据传输制订的规程X.20bisX.21bisRS-232CRS-449公用数据网上进行同步传输的DTE与V系列同步Modem之间接口规程机械特性(MechanicalCharacteristics)涉及的是DTE和DCE的实际物理连接。典型的是，信号以及控制信息的交换电路被捆扎成一根电缆，该电缆的两端各有一个终接插头，该插头或者是公插头、或者是母插头。位于电缆两端的DCE和DCE必须具有“性别”相反的插头，以实现物理上的连接。如一端为公插头、则另一端必须为母插头。电气特性(ElectricalCharacteristics)与电压电平及电压变换的时序相关。DET和DCE都必须使用相同的编码，相向的电压电平必须不是相同的含义，还必须使用持续时间相同的信号元素等。这些特性决定了能够达到的数据传输速率和传输距离。功能特性(FunctionCharacteristic)定义的各种功能由具有不同含义的各种交换电路来执行。这些功能分为数据电路、控制电路、时序电路以及电气接地等。过程特性(ProceduralCharacteristic)定义了传输数据时发生的时间序列，它依据的是接口的功能特性。DTE/DCE间的接口类型较多，目前最通用的类型有，美国电子工业协会的RS-232C接口；国际电报电话咨询委员会的V系列接口、X系列接口；国际标准化组织的ISO2110、ISO1177等。EIARS-232C接口是美国电子工业协会于1969年颁布的一个使用串行二进制方式的DTE与DCE间的接口标准。RS是RecommendedStandard的缩写，232是标准的标记号码。由于该接口标准推出较早，并对各种特性都做了明确的规定，因此成为了一种非常通用的串行通信接口，目前几乎所有的计算机和数据通信都兼容该标准。3.2EIARS-232CRS-232C接口标准是一种非常广泛使用的标准，它广泛应用在数据通信、自动化、仪器仪表等领域，也是物联网中常用的一种接口及通信方式。RS-232C不但可以与诸如Modem等DCE配合来完成远程数据通信，而且还完成近距离本地通信。3.2.1特性功能1）机械性能RS232C标准中定义了一个具有特定引脚排列顺序的25针插头和插座，其引脚排列如图3.2所示。上下共两排。第一排，从左到右共13针，第二排从左到右共12针。各针的功能如表3.2.1所示。虽然RS-232C定义了25个引脚，但实际应用于串行通信时仅需要9个电压信号，即2个收发数据信号RXD和TXD、6个控制信号和1个信号地。由于计算机除支持EIA电压接口外，还需支持20mA电流接口，另需4个电流信号，因此采用了25针连接器作为DTE与DCE间通信电缆的连接器。由于大部分数据终端设备取消了电流环路接口，所以常采用9针连接器。9针连接器的引脚分配如图3.3所示。针号功能针号功能针号功能1保护地10保留备用19反向信道请求发送2发送数据TxD11选择发送频率20DTE就绪DTR3接收数据RxD12反向信道载波探测21信号质量检测4请求发送RTS13反向信道清除发送22振铃指示RI5清除发送CTS14反向信道发送数据23数据速率选择6准备就绪DSR15发送定时24外发送定时7信号地GND16反向信道接收数据25未定义8载波探测DCD17接收定时9保留备用18未定义表3.2.1RS-232C各针功能图3.3中，引脚1为载波探测DCD；引脚2为接收数据RxD；引脚3为发送数据TxD；引脚4为DTE就绪DTR；引脚5为信号地GND；引脚6为准备就绪DSR；引脚7为请求发送RTS；引脚8为清除发送CTS；引脚9为振铃指示RI。2）电气特性（1）电气特性数据终端设备(DTE)/数据通信设备(DCE)接口的电气标准特性主要规定了发送端驱动器与接收端接收器的电平关系、负载要求、信号速率及连接距离等。在TxD和RxD上要求，逻辑“1”(MARK)为-3V~-15V；逻辑“0”(SPACE)为+3V~+15V。在RTS、CTS、DTR和DCD等控制线上要求信号有效电压为+3V~+15V，信号无效电压为-3V~-15V。（2）RS-232C与TTL的转换RS232C是用正负电压来表示逻辑“0”和“1”的，与TTL(Transistor-TransistorLogic)以高低电平表示逻辑“1”和“0”不同。为了使数据终端设备的TTL部件能够与RS-232接口连接，须在这两者之间进行转换，转换电路可采用集成电路芯片来完成。目前较为广泛使用的转换芯片有MAX232、MC1488、SN75150、MC1489和SN75154等。其中MAX232能实现TTL到RS232C间的双向转换。3）功能特性DTE/DCE接口连线的功能特性主要是各引脚的功能进行定义，并说明了它们之间的相互关系。RS-23C规定了21条信号线和25芯连接，表3.2.2为接口电路的功能约定。组成接口的信号线按其功能可分为，数据信号线、控制信号线、定时和接地4类。数据信号线是用来传送数据的，RS-232C是串行传输的接口标准，接收、发送各用一条信号线。在RS-232C中，正向传输控制线共有9条，其中请求发送、允许发送、数据线路设备准备就绪、数据终端准备就绪、数据载波检测、呼叫指示是最基本的控制电路。定时是用于同步通信方式的，是传送数据信号定时信息的信号线路，有发送端控制和接收端控制两种。定时功能在异步通信时无效。另外RS-23C中还定义了两条保护地线和信号地线。4）过程特性DTE/DCE接口的过程特性规定了各接口之间的相互关系、动作顺序以及维护测试操作等方面的内容。以下就以发送数据为例来说明接口的工作过程。当数据终端设备(DTE)有数据要发送时，置RS-232C中的CD线（数据终端准备就绪DTR）为高电平（ON状态），通知本地数据通信设备(DCE)，如Modem等，表示数据终端已准备好。本地Modem如果也准备好，即说明DCE与DTE连接成功，此时Modem中的RS232C中的CC（数据设备准备DSR）响应此信号，DTE和DCE可以开始控制信号的收发。DTE置电路RS-23C中CA（请求发送RTS）为高电平，通知本地Modem请求发送数据。本地Modem检测到CA信号后，一方面立即控制Modem发送载波，另一方面通过延迟电路控制RS-232C中CB（允许发送CTS）的接通。电路RTS和CTS间的关系如图3.4所示。由于远端设备从载波到达至载波检出，直到接通RS-232C中CF（数据载波检测DCD）必须经过一定的时延t3，如果此时将数据发送出去，数据是不能被远端正确接收的，所以本地的CTS变成ON之前的时间t1必须大于t3，时序如图3.5所示。当远端Modem检测到载波信号后，置DCD为ON，通知远端接收发送来的数据。DTE检测到CTS位ON后，即可通过RS-232C中BA（发送数据TxD）发送数据。并用RS-232C中的BB（数据接收RxD）接收远端发来的数据。DTE发送完数据后，置RTS线为OFF，通知本地Modem发送结束。本地Modem检测到RTS位OFF后，立即停止发送载波，并置CTS为OFF，作为对DTE的应答。远端Modem检测不到载波后，置DCD和CE（呼叫指示器）线为低电平，恢复初始状态。本地DTE置DTR为OFF，通知Modem拆线，Modem收到DTR的OFF信号后拆线，并将CC变成OFF作为应答。整个发送过程结束。3.2.2RS-232C的近距离通信在近距离通信时，不需要数据通信设备，可直接用电缆来连接，此时仅用少量几根线即可。一种常用的最简单的情况是不使用RS-232中任何控制线，只需要用发送线TxD、接收线RxD和信号地线SG这3根线，便可实现全双工异步通信。连接方式如图3.6所示。在图3.6中，DTE1中2号线与DTE中的3号线连接，DET1中的3号线与DTE2中的2号线连接，DTE1与DTE2中的7号线直接连接，DTE1及DTE2中的4与5连接、6与20连接。另一种较简单的情况是考虑它们之间的联络控制信号，连接方式如图3.7所示。这种情况下通信双方的握手信号关系如下：（1）一方的数据终端准备好(DTR)和对方的数据设备准备好(DSR)及振铃信号(RI)两个信号线互连。这时，若DTR有效，对方的RI就立即有效，产生呼叫，并应答，同时又使对方的DSR有效。（2）一方的请求发送(RTS)端及允许发送(CTS)端自环，并与对方的数据载波检出(DCD)端互连，这时若请求发送(RTS)有效，则立即得到发送允许(CTS)有效，同时使对方的(DCD)有效，即检测到载波信号，表明数据通信信道已接通。（3）双方的发送数据(TxD)端和接收数据(RxD)端互连，即意味着双方都是数据终端，只要上述双方的握手信号一经建立即可进行全双工或半双工通信。EIARS