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第2章总线接口与过程通道2.1总线及其标准2.2I/O接口2.3串行通信与RS-232C接口标准2.4过程通道2.5信息传输介质2.3串行通信与RS-232接口标准目前计算机的串行通信应用十分广泛，串行接口已成为计算机的必需部件和接口之一。串行通信就是计算机在接收数据时，由串行接口一位一位地收发数据，当一帧数据传送完成后，由串行接口一次把数据送给处理器；当计算机发送数据时，由处理器把数据传送给串行接口，再由串行接口通过一条线路，一位一位地把数据传送出去。常见的串行接口有符合IEEE国际电气化标准的RS-422、RS-485、RS-232C等，在IBMPC系列的计算机中使用的是符合RS-232C串行传输协议的RS-232C串行接口。2.3.1串行通信的基本概念1．串行通信的工作模式1）单工形式2）半双工形式3）全双工形式2．异步传输与同步传输1）异步传输异步传输方式中，字符是数据传输单位。在通信的数据流中，字符间异步，字符内部各位间同步。异步通信方式的“异步”主要体现在字符与字符之间通信没有严格的定时要求。异步传送中，字符可以是连续地、一个个地发送，也可以是不连续地，随机地进行单独发送。在一个字符格式的停止位之后，立即发送下一个字符的起始位，开始一个新的字符的传输，这叫做连续的串行数据发送，即帧与帧之间是连续的。断续的串行数据传送是指在一帧结束之后维持数据线的“空闲”状态，新的起始位可在任何时刻开始。一旦传送开始，组成这个字符的各个数据位将被连续发送，并且每个数据位持续的时间是相等的。接收端根据这个特点与数据发送端保持同步，从而正确地恢复数据。收/发双方则以预先约定的传输速率，在时钟的作用下，传送这个字符中的每一位。2）同步传输在同步传输方式中，比特块以稳定的比特流的形式传输，数据被封装成更大的传输单位，称为帧。每个帧中含有多个字符代码，而且字符代码与字符代码之间没有间隙以及起始位和停止位。和异步传输相比，数据传输单位的加长容易引起时钟漂移。为了保证接收端能够正确地区分数据流中的每个数据位，收发双方必须通过某种方法建立起同步的时钟。可以在发送器和接收器之间提供一条独立的时钟线路，由线路的一端（发送器或者接收器）定期地在每个比特时间中向线路发送一个短脉冲信号，另一端则将这些有规律的脉冲作为时钟。这种技术在短距离传输时表现良好，但在长距离传输中，定时脉冲可能会和信息信号一样受到破坏，从而出现定时误差。另一种方法是通过采用嵌有时钟信息的数据编码位向接收端提供同步信息。3．串口通信参数1）数据的传输速度串行通信的传输受到通信双方配备性能及通信线路的特性所左右，收、发双方必须按照同样的速率进行串行通信，即收、发双方采用同样的波特率。我们通常将传输速度称为波特率，指的是串行通信中每一秒所传送的数据位数，单位是bps。我们经常可以看到仪器或Modem的规格书上都写着19200bps、38400bps……，所指的就是传输速度。2）数据的传送单位一般串行通信端口所传送的数据是字符型，若用来传输文件，则会使用二进制的数据型。当使用字符型时，工业界使用到的有ASCII字符码及JIS字符码；ASCII码使用了8位形成一个字符，而JIS码则以7位形成一个字符。我们可以发现，欧美的设备多使用8位的字节，而日本的设备多使用7位为一个字节。以实际的RS-232传输上看来，由于工业界常使用的PLC大多只是传送文字码，因此只要7位就可以将ASCII码的0~127码表达出来（27=128，共有128种组合方式），所有的可见字符也落在此范围内，所以只要7个数据位就够了。不同的情形下（看所使用的协议），会使用到不同的传送单位。使用多少位合成一个字节必须先行确定。3）起始位与停止位由于异步串行传输中并没有使用同步脉冲作基准，故接收端完全不知道传送端何时将进行数据的传送。发送端准备要开始传送数据时，发送端会在所送出的字符前后分别加上高电位的起始位（逻辑0）及低电位的停止位（逻辑1），它们分别是所谓的起始位和停止位，也就是说，当传送端要开始传送数据时，便将传输线上的电位由低电位提升至高电位，而当传送结束后，再将电位降至低电位。接收端会因起始位的触发（因电压由低电位升至高电位）而开始接收数据；并因停止位的通知（因电压维持在低电位）而明确数据的字符信号已经结束；当加入了起始位及停止位也才比较容易达到多字符的接收能力。起始位固定为1位，而停止位则有1、1.5、2位等多种选择，如何选择呢？只要通信双方协议通过即可，没有强制规定。4）校验位为了预防错误的产生，使用校验位作为检查的机制。校验位即是用来检查所传送数据的正确性的一种核对码，这之中又分成奇校验与偶校验两种，分别是检查字符码中1的数目是奇数或偶数。以偶校验为例，“A”的ASCII码是41H（16进制），将它以2进制表示时，是01000001其中1的数目是2，因此校验位便是0，使1的数目保持偶数；同样的，校验位是奇校验时，“A”的校验位便是1，使1的数目保持在奇数。接收者重新计算奇偶校验位，如果新的计算值正确，那么表示正常。如果新的计算值错误，那么接收端就会收到一些指示，表示此次接收的数据有误。2.3.2RS-232C接口标准1．概述目前RS-232C是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口，在IBMPC机上的COM1、COM2接口，就是RS-232C接口。利用RS-232C串行通信接口可实现两台个人计算机的点对点的通信；通过RS-232C口可与其他外设（如打印机、逻辑分析仪、智能调节仪、PLC等）近距离串行连接连接；通过RS-232C口连接调制解调器可远距离地与其他计算机通信；将RS-232C接口转换为RS-422或RS-485接口，可实现一台个人计算机与多台现场设备之间的通信；2．RS-232C接口连接器公头母头DCD：用来表示DCE已经接收到满足要求的载波信号，已经接通通信链路，告知DTE准备接收数据。RXD：作用是接收DCE发送的串行数据。TXD：作用是将串行数据发送到DCE。在不发送数据时，TXD保持逻辑“1”。DTR：当该信号有效时，表示DTE准备发送数据至DCE，可以使用。GND：作用是为其他信号线提供参考电位。DSR：当该信号有效时，表示DCE已经与通信的信道接通，可以使用。RTS：该信号用来表示DTE请求向DCE发送信号。当DTE欲发送数据时，将该信号置为有效，向DCE提出发送请求。CTS：该信号是DCE对RTS的响应信号。当DCE已经准备好接收DTE发送的数据时，将该信号置为有效，通知DTE可以通过TXD发送数据。RI：当Modem（DCE）收到交换台送来的振铃呼叫信号时，该信号被置为有效，通知DTE对方已经被呼叫。3．RS-232C接口电气特性EIA-RS-232C对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。在TXD和RXD上：逻辑1为-3V～-15V；逻辑0为+3～＋15V在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上：信号有效（接通，ON状态，正电压）为+3V～+15V信号无效（断开，OFF状态，负电压）为-3V～-15V以上规定说明了RS-232C标准对逻辑电平的定义。对于数据（信息码）：逻辑“1”的电平低于-3V，逻辑“0”的电平高于+3V；对于控制信号：接通状态（ON）即信号有效的电平高于+3V，断开状态(OFF)即信号无效的电平低于-3V，也就是当传输电平的绝对值大于3V时，电路可以有效地检查出来，介于-3～+3V之间的电压无意义，低于-15V或高于+15V的电压也认为无意义，因此，实际工作时，应保证电平在±(3～15)V之间。4．RS-232C与TTL的电平转换RS-232C是用正负电压来表示逻辑状态，与TTL以高低电平表示逻辑状态的规定不同，因此，为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接，必须在RS-232C与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换，实现这种变换的方法可用分立元件，也可用集成电路芯片。目前较为广泛地使用集成电路转换器件，如MCl488、SN75150芯片可完成TTL电平到EIA电平的转换，而MCl489、SN75154可实现EIA电平到TTL电平的转换。现在常用的RS-232C/TTL转换芯片是MAX232。MAX232内部有电压倍增电路和转换电路，只需+5V电源便可完成TT与EIA双向电平转换。2.3.3近距离通信线路连接当2台RS-232串口设备通信距离较近时（15m），可以用电缆线直接将2台设备的RS-232端口连接，若通信距离较远（15m）时，需附加调制解调器（Modem）。在RS-232的应用中，很少严格按照RS-232标准。其主要原因是因为许多定义的信号在大多数的应用中并没有用上。在许多应用中，例如Modem，只用了9个信号（两条数据线、六条控制线、一条地线）；在其它一些应用中，可能只需要5个信号（两条数据线、两条握手线、一条地线）；还有一些应用，可能只需要数据线，而不需要握手线，即只需要3个信号线。当通信距离较近时，通信双方不需要Modem，可以直接连接，这种情况下，只需使用少数几根信号线。最简单的情况，在通信中根本不需要RS-232C的控制联络信号，只需三根线（发送线、接收线、信号地线）便可实现全双工异步串行通信2.4过程通道2.4.1过程通道的含义过程通道是计算机控制系统中计算机与被监控过程的现场设备之间的物理信息通道。输入通道的作用是将传感器或变送器的电流/电压信号转换为计算机可以识别的数字信号。输出通道的作用则是将计算机输出的数字信号转换为可直接推动执行机构的电气信号。2.4.2过程通道的模式2.4.3模拟量输入通道模拟量输入通道是计算机用于工业控制、自动测试、计算机辅助医疗诊断、机器人等科学研究时必需的模拟数据处理系统。它把各类传感器从现场检测到的模拟量信号如温度、压力等转换成计算机可以接收的数字量信号。建立模拟量输入通道的目的，通常是为了进行参数测量或数据采集。它的核心部件是A/D转换器及其微处理机的接口。1．模拟量输入通道的基本结构模拟量输入通道一般应包括：传感器、多路转换开关、放大器、采样保持器、A/D转换器等几个组成部分，其组成如图2-15所示。2．模拟量输入通道的结构形式模拟输入通道按采样保持器S/H可分为共享S/H形式和多路S/H形式。共享A/D和S/H形式的模拟量输入通道如图2-16所示。2.4.4模拟量输出通道在计算机控制系统中，被采样的过程参数经运算处理后输出控制量，但计算机输出的是数字信号，必须转换为模拟信号才能驱动执行元件工作。众所周知，计算机输出的控制量仅在程序执行瞬时有效，无法被利用，因此，如何把瞬时输出的数字信号保持，并转换为能推动执行元件工作的模拟信号，以便可靠地完成对过程的控制作用，就是模拟量输出通道的任务。模拟量输出通道的作用就是将计算机输出的数字量转换为执行机构能接收的模拟电压或模拟电流，去驱动相应的执行机构，以达到用计算机实现控制的目的。模拟量输出通道一般应包括：接口电路、D/A转换器、多路开关、保持电路、V/I变换器等几个组成部分，如图2-17所示。2.4.5开关量输入通道开关量输入通道的任务主要是将现场输入的开关信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接收的逻辑信号。开关量输入通道在控制系统中主要起以下作用：1）定时记录生产过程中某些设备的状态，例如电动机是否在运转、阀门是否开启等。2）对生产过程中某些设备的状态进行检查，以便发现问题进行处理。若有异常，及时向主机发出中断请求信号，申请故障处理，保证生产过程的正常运转。开关量输入通道主要由输入接口电路、接口地址译码器以及相关的输入电路组成，如图2-18所示。在计算机控制系统中往往采用光电隔离技术，使计算机与外部输入设备之间只存在光路联系而无电路上的联系。图2-19所示为电平转换及光电隔离电路。2.4.6开关量输出通道对于只有两种工作状态的执行机构或器件，用计算机控制系统输出开关量来控制它们，例如控制马达的启动和停止，信号指示灯的亮和灭，电磁阀的打开与关闭，继电器的接通与断开，步进电机的运行等。开关量输出通道的任务就是把