下面先講一講串口通信的一些基本概念,術(shù)語。如果對(duì)串口通信比較熟悉的,就當(dāng)復(fù)習(xí)復(fù)習(xí),如果哪里講錯(cuò)或不到位,也可以及時(shí)指出,當(dāng)作一塊交流交流。
常見的串口通信一般是指異步串行通信。這里就要說一下同步和異步的區(qū)別了。
在此之前,還是先講一下串行通信的概念。那么,與串行通信相對(duì)的是什么呢?
與串行通信相對(duì)的是并行通信。數(shù)據(jù)傳輸一般都是以字節(jié)傳輸?shù)?,一個(gè)字節(jié) 8 個(gè)位。拿一個(gè)并行通信舉例來說,也就是會(huì)有 8 根線,每一根線代表一個(gè)位。一次傳輸就可以傳一個(gè)字節(jié),而串口通信,就是傳數(shù)據(jù)只有一根線傳輸,一次只能傳一個(gè)位,要傳一個(gè)字節(jié)就需要傳 8 次。就像小虎隊(duì)那首歌一樣,把你的心,我的心,串一串,再烤一烤。。串口通信就是把數(shù)據(jù)串在一根線上傳輸,所以就叫串口吧。
與異步通信相對(duì)的就是同步通信了。同步通信一般是指有一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)同步。同步通信對(duì)接收方來說就相對(duì)簡(jiǎn)單一些。因?yàn)橛袝r(shí)鐘信號(hào)在,每一個(gè)高低電平變化一下,就去取一下數(shù)據(jù)就行了。通信速率可以由發(fā)送方或者說是主站設(shè)備進(jìn)行控制。通信速度也相對(duì)比串口通信快很多。但是為什么很多設(shè)備,屏和 plc,控制器不采用這種方式,都使用串口呢。
那么,在很多設(shè)備上,不方便接太多線,比如接 8 根數(shù)據(jù)線,也不方便接同步時(shí)鐘信號(hào)(這個(gè)后面再說),于是一種異步串行通信就誕生了。
相對(duì)來說,異步串口通信,就只需要一根線就可以發(fā)送數(shù)據(jù)了。在對(duì)速率要求不高的情況,使用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)是帶來大大的方便和實(shí)用價(jià)值的。
那么問題來了,怎么樣才能保證一根線就能發(fā)送正常的數(shù)據(jù)呢?也就說發(fā)送方發(fā)送的數(shù)據(jù),接收方是怎么知道是什么數(shù)據(jù)呢?
為了能正常發(fā)送數(shù)據(jù)和接收正確的數(shù)據(jù),那異步串口通信就需要滿足以下幾個(gè)條件:
也就是雙方必要約定一種暗號(hào)。
也許當(dāng)時(shí)發(fā)送這個(gè)通信的小組是這樣討論的。
經(jīng)理:我要用一根線就能傳輸數(shù)據(jù),你來給我定個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。
研發(fā):好。
經(jīng)理:只有一根線,我怎么知道數(shù)據(jù)什么時(shí)候開始呢。
研發(fā):就一根線,默認(rèn)是高電平,那就有一個(gè)起始位吧。當(dāng)檢測(cè)到有低電平的時(shí)候,就是開始有一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)發(fā)送了,起始位之后,先是字節(jié)的最低位,傳送一個(gè)字節(jié)。
經(jīng)理:可是,就一根線,過來的數(shù)據(jù)會(huì)不會(huì)有干擾,容易出錯(cuò)呀。
研發(fā):行呀,那就在字節(jié)數(shù)據(jù)后再加一個(gè)校驗(yàn)位??梢宰髌嫘r?yàn),偶校驗(yàn),1 校驗(yàn),0 校驗(yàn),無校驗(yàn)。
經(jīng)理:嗯,很不錯(cuò)。有起始位就應(yīng)該有停止位,那我們就再加個(gè)停止位在后面吧。
研發(fā):。。。。。。。。。
經(jīng)理:傳輸一串?dāng)?shù)據(jù),對(duì)方要怎么知道數(shù)據(jù)的拆分呢,怎么按時(shí)間或頻率去解讀數(shù)據(jù)位,校驗(yàn)位呢。研發(fā):這樣吧,雙方約定一個(gè)波特率吧,定義一個(gè)每個(gè)位占用多長(zhǎng)的時(shí)間,這樣雙方按這個(gè)波特率就可以處理了。
經(jīng)理:這個(gè)比特率呀。。。
研發(fā):老板,是波特率。
經(jīng)理:我知道,是比特率嘛。
研發(fā):這個(gè)波特率呢,是指 1S 鐘可以傳輸多個(gè)位,也就知道一個(gè)位占用多長(zhǎng)時(shí)間。這樣就解決傳輸?shù)膯栴}了。
經(jīng)理:那萬一傳輸過程,數(shù)據(jù)太快,判斷失誤停不下來怎么辦。
研發(fā):那就把停止位可以調(diào)節(jié)為 1 個(gè)停止位或者 2 個(gè)停止位。這樣就可以停下來了。
經(jīng)理:嗯,聽著不錯(cuò)。就這樣辦吧。
于是,串口通信就這樣出來了。
在串口的通信參數(shù)上,就有了波特率,數(shù)據(jù)位,停止位,校驗(yàn)位這幾個(gè)參數(shù)來確保串口通信的正確性和穩(wěn)定性。當(dāng)然,這只是某個(gè)方面保證串口通信的正確性和穩(wěn)定性,不代表設(shè)備間通信的正確性和穩(wěn)定性。
串口通信主要為分 232,485,422 通信三種方式。
這三種有什么區(qū)別呢。
232:
232 通信主要是由 RX,TX,GND 三根線組成。
RX 與 TX,TX 接 RX,GND 接 GND。這樣還是比較好理解吧。因?yàn)榘l(fā)送和接收分別是由不同的線處理的,也就是能同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù),這就是所謂的全雙工。
在這里擴(kuò)展一下,串口通信還有一個(gè)功能叫做全功能串口通信,也叫標(biāo)準(zhǔn)串口。因?yàn)樵趦蓚€(gè)設(shè)備間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,有些設(shè)備處理速度比較快,有些數(shù)據(jù)比較慢。為了保證數(shù)據(jù)能正常傳輸,在 RX,TX 的基礎(chǔ)上,還增加了幾個(gè)控制引腳,本來好端端就 R,T,G,三根線,湊著就湊齊了 9 個(gè)引腳,召喚出了 DB9 這個(gè)東西。
這要怪就怪當(dāng)時(shí)使用電腦的時(shí)候,還沒有互聯(lián)網(wǎng)這個(gè)概念,但是又想在兩臺(tái)電腦間進(jìn)行通信。所以才有這樣一個(gè)東西。
在后來的設(shè)備,很多控制器,人機(jī)界面,PLC 等使用串口通信中,基本上就不使用標(biāo)準(zhǔn)串口,而是就直接使用 RX,TX,GND 三根線來通信了。
但是這里為什么要提到這個(gè)呢。因?yàn)橹皇呛芏嘣O(shè)備這樣用,也就是還存在少數(shù)設(shè)備還保留了標(biāo)準(zhǔn)串口的功能。這就是為什么會(huì)遇到明明電腦通信是好的,換成觸摸屏通信就不行了。因?yàn)楹芏嘤|摸屏只使用了 RX,TX,GND 通信,遇到一些還保留標(biāo)準(zhǔn)串口功能的就比較討厭了。
485:
485 是為了解決 232 通信距離的問題。原理什么之類的就不多講了。反正 232 通信距離就是不長(zhǎng)。485 主要是以一種差分信號(hào)進(jìn)行傳輸,只需要兩根線,+,- 兩根線,或者也叫 A,B 兩根線。A,B 兩根線的差分電平信號(hào)就是作為數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸。那么問題來了,那是不是就沒有 RX 和 TX 的概念了。是的,發(fā)送和接收就不能分開了。發(fā)送和接收都是靠這兩根的來傳輸,也就是每次只能作發(fā)送或者只能作接收,這就是半雙工的概念了,這在效率上就比 232 弱很多了。就像對(duì)講機(jī)一樣,經(jīng)常是某個(gè)人講完之后,都要說一個(gè) over,確保當(dāng)前說完了,等待對(duì)方回復(fù)。
485 就是這樣犧牲了 232 全雙工的效率來達(dá)到自己傳輸距離遠(yuǎn)的代價(jià)。那有沒有即保留了 232 的全雙工,又可以像 485 這樣提高傳輸距離呢,于是,422 出來了。
422:
422 呢,有些標(biāo)注為 485-4。而 485 就標(biāo)注為 485-2。有什么區(qū)別呢。就是為了好記呢。485-2 就是 2 根線。485-4 就是 4 根線
422 就是把 232 的 RX 分成兩根線,RX+,RX-,把 TX 分成 TX+,TX-。這樣就可以同時(shí)發(fā)送和同時(shí)接收了,還可以像 485 這樣,有較遠(yuǎn)的傳輸距離??墒沁@樣一種很有優(yōu)勢(shì)的通信方式,為什么用的不多呢。我個(gè)人的答案和理解就是:線太多了。特別是像我這樣懶得接線的人,超過 3 根線就頭暈的。搞個(gè)通信還需要接這么多線,什么 TX,RX,正啊負(fù)啊。交換來交換去。
因?yàn)樵诤芏嘣O(shè)備通信中,基本上是屬于一問一答式的,因此,232 的全雙工通信優(yōu)勢(shì)其實(shí)也并沒有發(fā)揮出來。就像現(xiàn)在打電話,雖然兩個(gè)人可以同時(shí)說話,但是兩個(gè)人同時(shí)說話,嘰嘰歪歪的,誰知道說什么呀。特別是一個(gè)主站與多個(gè)從站通信的時(shí)候,485 的接線就就方便多了,反正大家就兩根線,把+都接一塊,把 - 都接一塊。如果是 422 作一主多從,接線上還要理半天呢,而且通信異常了也不好解決。
好了,串口通信基本就普及到這里吧。下面就對(duì)剛上提到的問題進(jìn)行講一講!
1、電腦使用 USB 轉(zhuǎn)串口可以和設(shè)備通信上,換成屏與設(shè)備就通信不上了:
①有可能電腦 USB 轉(zhuǎn)串口接到設(shè)備上,使用的是標(biāo)準(zhǔn)串口功能,也就是除了 RX,TX,GDN 外,還使用了其它引腳。比如像歐姆龍 PLC,三菱 PLC,在實(shí)際與屏的通信中,就需要接某些引腳短接的情況。
②電腦與控制器或 PLC 通信時(shí),是掃描波特率參數(shù),自適應(yīng)的,屏通信可能參數(shù)沒有設(shè)備好。在三菱,基恩士等 PLC,就存在變化波特率進(jìn)行通信交互的過程。
③也有可能是接線方式不對(duì)。因?yàn)橛行?DB9,還需要公頭,母頭。如果不注意的話,也會(huì)存在把 TX 接到 TX 上,把 RX 接到 RX 上,這樣需要注意的地方。
④ 在這里補(bǔ)充一下,有時(shí)候可能會(huì)使用一些串口助手發(fā)送測(cè)試數(shù)據(jù)與控制器通信,有些串口助手的奇偶校驗(yàn)是不起作用,這個(gè)要提醒一下。
2、在 A 家的屏可以和設(shè)備通信,換成 B 家的屏就通信不上了:
① 首先確認(rèn)一下接線是否正確了,RX 和 TX 是否兼容。
② 地線是否沒有接。
③除了 RX,TX,GND,是否還有其它引腳需要短接的。
④通信協(xié)議是否一致或不完善,波特率是否一樣。
3、以前不接地線可以通信,換個(gè)設(shè)備為什么需要接地線了:
這個(gè)問題和上一個(gè)有類似的。因?yàn)橛行┰O(shè)備使用了隔離電源。以前不接地可以通信,有可能是地線已經(jīng)在另外一個(gè)環(huán)路已經(jīng)共地了,實(shí)際地線已經(jīng)接了,所以才可以通信。可能換了個(gè)帶隔離電源的,兩個(gè)設(shè)備的地是隔離的,就需要在串口上把地線接起來。這個(gè)我是自身經(jīng)歷過的,有個(gè)客戶老說他的設(shè)備通信不上,后來拍個(gè)照我給我,他地線沒有接,他說以前不接地線可以通信的。于是我就給他科普了一下。
4、一個(gè)設(shè)備是 232,另一個(gè)設(shè)備是 422,沒有轉(zhuǎn)換設(shè)備,怎么辦(232 與 422 互轉(zhuǎn)的簡(jiǎn)單方法);
這個(gè)情況我遇到過,客戶的設(shè)備是 422 通信的,但是我手上并沒有 422 設(shè)備,只有 232 通信可以測(cè)試。因此就需要把 422 轉(zhuǎn)成 232 進(jìn)行通信。
剛才也講了 422 和 232 的接線,因?yàn)檫@兩個(gè)都是全雙工的,接收和發(fā)送都是分到的,而 422 只是以一種差分信號(hào)進(jìn)行傳輸。
把 422 的 Rx+與 232 的 TX 接,422 的 RX- 與 232 的 GND 接。
把 422 的 TX+與 232 的 RX 接,422 的 TX- 與 232 的 GDN 接。
這樣,422 設(shè)備要發(fā)送數(shù)據(jù)的,就可以發(fā)送到了 232 的 RX 上。232 的 TX 發(fā)數(shù)據(jù)后,由于 TX 和 GND 也形成了差分信號(hào)給 422,422 就可以接收到數(shù)據(jù)了。
5、用 232 通信沒問題,用 485 通信沒問題,使用 232 轉(zhuǎn) 485 之后就通信不穩(wěn)定。
232 和 485 從通信原理上,最大一個(gè)差別是全雙工和半雙工的區(qū)別??墒菓?yīng)用層發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)才不管底下是全雙工還是半雙工。
但是 485 就得管了。因?yàn)榧热皇前腚p工,就得嚴(yán)格保證通路上只能有發(fā)送或只能有接收的數(shù)據(jù),一旦同時(shí)有發(fā)送和接收,數(shù)據(jù)就會(huì)沖突了。所以解決的辦法就是主站設(shè)備,也就是主動(dòng)命令的一方就需要嚴(yán)格控制好發(fā)送數(shù)據(jù)命令的節(jié)奏了。當(dāng)然有些 232 轉(zhuǎn) 485 的設(shè)備做的比較好了,可以優(yōu)化這個(gè),但是主站還是要控制,比較把通信速率調(diào)節(jié)慢一些(不是調(diào)節(jié)波特率)。
6、485 單獨(dú)接每個(gè)設(shè)備都通信正常,多個(gè)從站接一塊通信就不穩(wěn)定。
7、要想實(shí)現(xiàn)兩個(gè)屏或兩個(gè)主站通過 485 訪問 modbus 設(shè)備,有什么好的辦法。
在 485 通信中,基本上是一主多從。但是遇到一些客戶實(shí)際使用中,有客戶想用兩個(gè)屏來訪問一個(gè) modbus 設(shè)備的。目前暫時(shí)還沒有好的辦法。等這個(gè)功能出來后,再來給大家演示操作吧。
8、針對(duì)串口通信的弱點(diǎn),在使用上應(yīng)該要注意哪些地方。
說來串口通信的弱點(diǎn),那就說來話長(zhǎng)了。不過還是長(zhǎng)話短說吧。
①信號(hào)干擾的問題。建議使用帶屏蔽線,接線要嚴(yán)格,比如要接地。有些 485 通信上,還考慮接上終端電阻來匹配。如果是 232,盡量不要讓線太長(zhǎng)。通信協(xié)議上盡量避免長(zhǎng)報(bào)文的數(shù)據(jù)通信。
②波特率匹配的問題。因?yàn)橛行┰O(shè)備的計(jì)算的波特率是存在誤差的,特別是一些控制器,由于使用的晶振不一樣。因此在一些波特率比如 9600 波特率就存在誤差。存在誤差帶來的影響是什么呢。因?yàn)榻邮辗绞峭ㄟ^時(shí)間來計(jì)算一個(gè)位的。那么如果一個(gè)報(bào)文過長(zhǎng),就會(huì)存在誤差積累的問題,算著算著就偏了。所以,這也是串口通信不穩(wěn)定的一些地方,在使用上應(yīng)注意避免發(fā)送太長(zhǎng)數(shù)據(jù)的包。
③在一些可能會(huì)存在干擾的情況,在有的選的情況,可以考慮使用奇校驗(yàn)或者偶校驗(yàn)。因?yàn)殡m說出現(xiàn)錯(cuò)誤的可能性不大,但既然存在干擾,如果加了校驗(yàn),至少可以把錯(cuò)誤的報(bào)文過濾掉。總好比沒有校驗(yàn)然后通信數(shù)據(jù)錯(cuò)了不知道?;蛘弑M量使用一些帶校驗(yàn)的協(xié)議,防止數(shù)據(jù)出錯(cuò)。
④ 串口通信本來就比較慢,請(qǐng)降低對(duì)數(shù)據(jù)響應(yīng)的要求。
因?yàn)榇谕ㄐ疟旧砭捅?a target="_blank">以太網(wǎng)慢。而且,串口通信并不是能像 CPU 那樣多線程處理。因?yàn)榫鸵粋€(gè)口一個(gè)線數(shù)據(jù)出去,即便你應(yīng)用到程序再怎么用多線程處理數(shù)據(jù),但是最底下也只有一個(gè)口出去,一次也只能傳一個(gè)位,一個(gè)字節(jié)過去。因?yàn)橛锌蛻粼谑褂?9600 的波特率通信,但是又希望多少的數(shù)據(jù)可以在多少毫秒內(nèi)得到響應(yīng)。
但是串口通信還是要事實(shí)求是,所以正確認(rèn)識(shí)串口通信對(duì)應(yīng)用,對(duì)開發(fā),對(duì)溝通都有著很大的幫助的。
好了。關(guān)于串口通信方面,就暫時(shí)聊到這里了。
為什么不用同步通信呢???
剛才提到,同步通信需要依賴于時(shí)鐘信號(hào)。這就存在一個(gè)問題,這個(gè)時(shí)鐘信號(hào)是誰來發(fā)起呢。在同步通信中,往往需要一個(gè)主設(shè)備發(fā)起時(shí)鐘信號(hào)讀從模塊的數(shù)據(jù)。在實(shí)際中,有屏讀 PLC,有屏讀屏的數(shù)據(jù)。而單純地從異步串口通信來說,是沒有主從之說,雙方都是平等的角色,都可以互發(fā)信息,互收信息。而同步通信一般是應(yīng)用于 CPU 讀一些模塊,由 CPU 發(fā)起時(shí)鐘信號(hào),比如讀 SD 卡模塊,就可以通過 SPI 方式,還有一些傳感器模塊。
審核編輯 黃昊宇
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