单片机应用——协议（PROFIBUS 、RS-485、RS-232）

随风1

协议


PROFIBUS 01

PROFIBUS的历史可追溯到1987年联邦德国开始的一个合作计划，此计划有十四家公司及五个研究机构参与，目标是要推动一种串列现场总线，可满足现场设备接口的基本需求。为了这个目的，参与的成员同意支持有关工厂生产及程序自动化的共通技术研究。

PROFIBUS中最早提出的是PROFIBUS FMS（FMS代表Field bus Message Specification），是一个复杂的通信协议，为要求严苛的通信任务所设计，适用在车间级通用性通信任务。后来在1993年提出了架构较简单，速度也提升许多的PROFIBUS DP（DP代表Decentralized Peripherals）。PROFIBUS FMS是用在PROFIBUS主站之间的非确定性通信。PROFIBUS DP主要是用在PROFIBUS主站和其远程从站之间的确定性通信，但仍允许主站及主站之间的通信。

PROFIBUS可分为二种，分别是大多数人使用的PROFIBUS DP和用在过程控制的PROFIBUS PA：

PROFIBUS DP（分布式周边，Decentralized Peripherals）用在工厂自动化的应用中，可以由中央控制器控制许多的传感器及执行器，也可以利用标准或选用的诊断机能得知各模块的状态。

PROFIBUS PA（过程自动化，Process Automation）应用在过程自动化系统中，由过程控制系统监控量测设备控制，是本质安全的通信协议，可适用于防爆区域（工业防爆危险区分类中的Ex-zone 0及Ex-zone 1）。其物理层（缆线）匹配IEC 61158-2，允许由通信缆线提供电源给现场设备，即使在有故障时也可限制电流量，避免制造可能导致爆炸的情形。因为使用网络供电，一个PROFIBUS PA网络所能连接的设备数量也就受到限制。PROFIBUS PA的通信速率为31.25 kbit/s。PROFIBUS PA使用的通信协议和PROFIBUS DP相同，只要有转换设备就可以和PROFIBUS DP网络连接，由速率较快的PROFIBUS DP作为网络主干，将信号传递给控制器。在一些需要同时处理自动化及过程控制的应用中就可以同时使用PROFIBUS DP及PROFIBUS PA。

2009年底时PROFIBUS网络上的设备已经有三千万个，其中五百万个设备是用在过程控制。


RS-485 02

智能仪表是随着80年代初单片机技术的成熟而发展起来的，现在世界仪表市场基本被智能仪表所垄断。究其原因就是企业信息化的需要，企业在仪表选型时其中的一个必要条件就是要具有联网通信接口。最初是数据模拟信号输出简单过程量，后来仪表接口是RS232接口，这种接口可以实现点对点的通信方式，但这种方式不能实现联网功能。随后出现的RS485解决了这个问题。

1. RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+(2~6)V表示；逻辑"0"以两线间的电压差为-(2~6)V表示。接口信号电平比RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片， 且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。

2. RS-485的数据最高传输速率为10Mbps。

3. RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好。

4. RS-485最大的通信距离约为1219m，最大传输速率为10Mbps，传输速率与传输距离成反比，在100Kb/S的传输速率下，才可以达到最大的通信距离，如果需传输更长的距离，需要加485中继器。RS-485总线一般最大支持32个节点，如果使用特制的485芯片，可以达到128个或者256个节点，最大的可以支持到400个节点。

RS485接口组成的半双工网络，一般是两线制（以前有四线制接法，只能实现点对点的通信方式，现很少采用），多采用屏蔽双绞线传输。这种接线方式为总线式拓扑结构在同一总线上最多可以挂接32个结点。在RS485通信网络中一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。很多情况下，连接RS-485通信链路时只是简单地用一对双绞线将各个接口的“A”、“B”端连接起来。RS485接口连接器采用DB-9的9芯插头座，与智能终端RS485接口采用DB-9（孔），与键盘连接的键盘接口RS485采用DB-9（针）。

另有一个问题是信号地，上述连接方法在许多场合是能正常工作的，但却埋下了很大的隐患，这有二个原因：(1)共模干扰问题：RS-485接口采用差分方式传输信号，并不需要相对于某个参照点来检测信号，系统只需检测两线之间的电位差就可以了。但人们往往忽视了收发器有一定的共模电压范围，RS-485收发器共模电压范围为-7～+12V，只有满足上述条件，整个网络才能正常工作。当网络线路中 共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠，甚至损坏接口。(2)EMI(电磁兼容性)问题：发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路，如没有一个低阻的返回通道（信号地），信号中的共模部分就会以辐射的形式返回源端，整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。

由于PC机默认的只带有RS232接口，有两种方法可以得到PC上位机的RS485电路：（1）通过RS232/RS485转换电路将PC机串口RS232信号转换成RS485信号，对于情况比较复杂的工业环境最好是选用防浪涌带隔离栅的产品。（2）通过PCI多串口卡，可以直接选用输出信号为RS485类型的扩展卡。


RS-23203

RS-232（又称EIA RS-232）是常用的串行通信接口标准之一，由美国电子工业协会(EIA)联合贝尔系统公司、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家于1970年共同制定。

它具有信号线少、灵活的波特率选择、采用负逻辑传送和传送距离较远等特点。

在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。RS-232-C接口(又称EIARS-232-C)是目前最常用的一种串行通讯接口。(“RS-232-C”中的“-C”只不过表示RS-232的版本，所以与“RS-232”简称是一样的)

它是在1970年由美国电子工业协会(EIA)联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。它的全名是“数据终端设备(DTE)和数据通讯设备(DCE)之间串行二进制数据交换接口技术标准”该标准规定采用一个25个脚的DB-25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。后来IBM的PC机将RS232简化成了DB-9连接器，从而成为事实标准。而工业控制的RS-232口一般只使用RXD、TXD、GND三条线。

RS-232-C是美国电子工业协会EIA（Electronic Industry Association）制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道。

在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。

RS-232-C标准规定的数据传输速率为50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200、38400波特。rs232（9针）接口RS-232-C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15m；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的通信。具体通讯距离还与通信速率有关，例如，在9600pbs时，普通双绞屏蔽线时，距离可达30-35米。

串行通信接口标准经过使用和发展，目前已经有几种。但都是在RS-232标准的基础上经过改进而形成的。所以，以RS-232C为主来讨论。RS-232C标准是美国EIA（电子工业联合会）与BELL等公司一起开发的1969年公布的通信协议。它适合于数据传输速率在0～20000b/s范围内的通信。这个标准对串行通信接口的有关问题，如信号线功能、电气特性都作了明确规定。由于通信设备厂商都生产与RS-232C制式兼容的通信设备，因此，它作为一种标准，目前已在微机通信接口中广泛采用。

首先，RS-232-C标准最初是远程通信连接数据终端设备DTE(Data Terminal Equipment）与数据通信设备DCE（Data Communicate Equipment）而制定的。因此这个标准的制定，并未考虑计算机系统的应用要求。但目前它又广泛地被借来用于计算机（更准确的说，是计算机接口与终端或外设之间的近端连接标准)。显然，这个标准的有些规定和计算机系统是不一致的。有了对这种背景的了解，我们对RS-232C标准与计算机不兼容的地方就不难理解了。

其次，RS-232C标准中所提到的“发送”和“接收”，都是站在DTE立场上，而不是站在DCE的立场来定义的。由于在计算机系统中，往往是CPU和I/O设备之间传送信息，两者都是DTE，因此双方都能发送和接收。

RS232 与USB的特点和比较

RS-232与USB都是串行通信，但无论是底层信号、电平定义、机械连接方式，还是数据格式、通信协议等，两者完全不同。RS-232是一个流行的接口。在MS-DOS中，四个串行接口称为COM1、COM2、COM3和COM4，而绝大部分windows应用程序最多可以有4个外设，但是如果用户要扩充更多外设时，就必须要用插入式串行卡或者外部开关盒实现。RS-232点对点连接，一个串口只能连接一个外设。

而USB是一种多点、高速的连接方式，采用集线器能实现更多的连接。USB接口的基本部分是串行接口引擎SIE，SIE从USB收发器中接收数据位，转化为有效字节传送给SIE接口；反之，SIE接口也可以接收字节转化为串行位送到总线。由于PC机串口的最高速率仅为115.2kbps，会形成一个速度瓶颈。RS-232系统包括2个串行信号路径，其方向相反，分别用于传输命令和数据，而命令和状态必须与数据交织在一起；而USB支持分离的命令和数据通道并允许独立的状态报告。USB是一种方便、灵活、简单、高速的总线结构，与传统的RS-232接口相比，主要有以下特点：

(1) USB采用单一形式的连接头和连接电缆，实现了单一的数据通用接口。USB统一的4针插头，取代了PC机箱后种类繁多的串/并插头，实现了将计算机常规I/O设备、多媒体设备(部分)、通信设备(电话、网络)以及家用电器统一为一种接口的愿望。

(2) USB采用的是一种易于扩展的树状结构，通过使用USB Hub扩展，可连接多达127个外设。USB免除所有系统资源的要求，避免了安装硬件时发生端口冲突的问题，为其它设备空出硬件资源。

(3) USB外设能自动进行设置，支持即插即用与热插拔。

(4) 灵活供电。USB电缆具有传送电源的功能，支持节约能源模式，耗电低。USB总线可以提供电压+5v、最大电流500mA的电源，供低功耗的设备作电源使用，不需要额外的电源。

(5) USB可以支持四种传输模式：控制传输、同步传输、中断传输、批量传输，可以适用于很多类型的外设。

(6)通信速度快。USB支持三种总线速度，低速1.5Mbps、全速12Mbps和高速480Mbps。

(7)数据传送的可靠性。USB采用差分传输方式，且具有检错和纠错功能，保证了数据的正确传输。

(8)低成本。USB简化了外设的连接和配置的方法，有效地减少了系统的总体成本，是一种廉价的简单实用的解决方案，具有较高的性能价格比。

RS-232应用范围广泛、价格便宜、编程容易并且可以比其它接口使用更长的导线，随着USB端口的越来越普遍，将会出现更多的把USB转换成RS-232或其它接口的转换装置。但是RS-232和类似的接口仍将在诸如监视和控制系统这样的应用中得到普遍的应用。对习惯使用RS-232的开发者和产品可以考虑设计USB/RS-232转换器，通过USB总线传输RS-232数据，即PC端的应用软件依然是针对RS-232串行端口编程的，外设也是以RS-232为数据通信通道，但从PC到外设之间的物理连接却是USB总线，其上的数据通信也是USB数据格式。采用这种方式的好处在于：一方面保护原有的软件开发投入，已开发成功的针对RS-232外设的应用软件可以不加修改地继续使用；另一方面充分利用了USB总线的优点，通过USB接口可连接更多的RS-232设备，不仅可获得更高的传输速度，实现真正的即插即用，同时解决了USB接口不能远距离传输的缺点(USB通讯距离在5米内。