DCS通信网络接口详解

DCS的各现场仪器要将存储的信息安全、可靠地送到数据通信通道上，必须配有输入／输出通信接口。这种通信接口实现并行数据与串行数据之间的转换，通过标准接口（RS-232或RS-422）与通信链路相接。

通常采用的通信网络接口大多为可编程并行I／O接口电路8255A、可编程串行I／O接口电路8251A和通信控制电路8875。国内许多厂家生产的局部操作员站都是这样做的，如大连仪表厂的SCJ-2101、重庆川仪十八厂生产的增强型操作员站在ZJC系统中的局部通信接口JTJ。

ZJC系统中的局部通信接口JTJ是连接数字调节器（单回路、四回路）和上位计算机的智能接口，其构成如图5-18所示。

JTJ是以8086 CPU为核心的微机化的通信控制器，对下面调节器采用了8875按照HDLC（高级数据链路通信控制）规程进行的，对上位设备有两个通信口，一个通信口通过8255A并行口与ZJC增强型操作员站通信，一个通信口通过8251A串行口按照RS-232C规程与个人计算机PC通信，如图5-19所示。

图5-18　智能接口结构框图

图5-19　微机化的通信控制器

当计算机、现场控制单元一类设备与外围设备，如调制解调器、打印机或其他类似的设备进行数据通信时，必须通过互联的标准接口，目前有几种标准接口可供选用。在这些标准中，规定了信号的特征、功能协议以及机械连接方式。目前通用的信号连接接口为RS-232C、RS-449、电流环（Current Loop）等，IEEE 488也用得较为广泛。关于数字、字母以及控制字符也规定了标准，ASCII是二进制字母、数字、字符编码最常用的规程。

1.并行接口及并-串行转换

两个设备之间传送信息的最简单方法是采用并行传送信号的方式，即在两台设备之间为传送信息，把表征信息的数据位和地址位及控制位都各设置一条信号连线，各位同时传送，这种传送信号的方式叫作并行数据传输。并行传输方式主要用于短距离（一股电缆长为2 m之内）的数据高速传输。这种方法虽然比较简单，但是接口导线的数量和距离的限制使这种接口在许多实际的设备间通信中往往是不实用的。而主机与外部设备、控制单元之间的数据传输，大多采用串行接口进行。通常在设备内部都是采用并行数据传输，因此，一般在设备与设备之间需要传输信息数据时，首先将发送的并行数据转换为串行数据，而在接收设备一端，还需将串行数据还原成并行数据。这些并-串行转换目前已有专用芯片，如UART（通用异步接收发送器）、USART（通用异步／同步接收发送器）、SIO（串行输入／输出电路）、SCC（串行通信控制器）。这些芯片都具有同步检测逻辑和移位寄存器，前者用于判断传送的开始及字符或数据的起始，后者用于将接收的并行数据一位一位地移入串行通道，或者从串行通道将数据按位移送到并行寄存器。

2.ASCII码

在数字计算机或控制单元之间能进行通信，应归功于编码技术的应用。把字母、数字、字符表示为0、1代码，是通信技术中的一大飞跃。ASCII码即美国标准信息交换码，是为满足现代通信的需要而开发出来的，通过多位0和1有序的排列，表示打印机能够打印出来的所有符号和少量专用码的编码。ASCII码符号组的全部符号数为128个。注意：7位ASCII编码在需用奇偶校验位传输时，被某些用户称作8位ASCII码。这应与某些外围设备运行的8位ASCII加以区别，不应混淆。许多外围设备，尤其是智能终端和打印机设备，采用了替换符号组、图形字符或特殊印刷字符，对于这些特别符号使用了8位ASCII码，除了可获得正常的128个符号外，还可额外获得128个符号。由十进制128～255的ASCII操作的外围设备具有非标准赋值。某一外围设备可能需要将一个特定编码定义为某一个希腊字母符号，而另外设备则用同一编码定义为一个图形符号，所以应特别注意，使用特殊的ASCII码的设备时，只有第1组128个符号符合ASCII标准定义。

3.RS-232C标准

计算机类型的设备之间的通信都使用ASCII码，因此必须研制标准接口，确定计算机硬件或可编程控制单元之间的数据传输准则，根据这一需要，电子工业协会（Electronic Indus⁃tries Association）即EIA研制了EIA RS-232C标准。

EIA RS-232C标准明确规定了两台计算机类型的设备之间接口的电气和电／机特性。这种标准的最简单形式是将接口线路数量减少到3条，而全开发形式的RS-232C接口线路可多达22条并行信号线。该协议规定能产生或接收数据的任一设备称为数据终端设备（DTE），例如，计算机、可编程控制器、打印机／键盘或者带键盘的CRT终端。还同时规定能将数据信号编码解码、调制解调，并可长距离传输数据信息信号的任一设备称为数据通信设备（DCE），如调制解调器。对于可编程控制单元和打印机之类设备之间的连接可以不用调制解调器，故不采取全开发的RS-232C协议。与其功能相对应，DTE可以是可编程控制单元或其他智能设备，而DCE可以是打印机或类似的“不灵活”的设备，在绝大多数应用中实际上只需9条信号线。RS-232C标准一般采用25针D型接插器作为计算机设备间的机械连接部件。

RS-232C协议没有详细说明传输数据用的字符码，只是说明了接口对信号特征的要求。当许多系统使用7位或8位ASCII码时，其他几种码依然应用，如6位IBM码，也叫通信码（Corre Spondence Code）。也有使用5位的待确认码，以及8位扩充的二-十进制转换码和其他特殊码的，这就提出了一个特别需要注意的问题，除了要遵守RS-232C协议外，用户还必须知道字符协议，才能操作通信链路。另外，RS-232C协议没有详细规定通信方式。实际应用中常有3种通信方式：单工通信方式，仅能向一个方向传送，如在某一终端与控制器之间通信，只能由控制器向终端传送，反之不然。半双工通信方式，允许控制器向终端传送及终端向控制器传送，即进行所谓的双向通信，不过在任一通信时刻只能向一个方向通信。在这种情况下，为控制传输换向，半双工通信两端的两个设备必须进行协调，即必须附加控制信号的接口。全双工通信方式，则允许两个设备控制器与终端在两个方向上同时通信，这时两个传输方向的控制是完全独立的，即控制器和终端设备都具有独立的发送器和接收器。实际上在两个设备上的控制逻辑电路是完全独立的两个单向通道。

ASCII码的传输是以串行方式经RS-232C接口实现的，ASCII码每串逻辑1和0字符系列是以电压数字信号在RS-232C信号线上传输的。通常，计算机的逻辑信号是以TTL电平（0～5 V）表示的，而RS-232C标准使用负逻辑代表0和1状态，＋5～＋25 V电压电平代表逻辑0状态，-5～-25 V电压电平表示逻辑1状态。

按照RS-232C标准传输的串行数据格式，传输开始时发送一个起始位，表明正在发送字符。接着传输数据位，数据位是根据使用的字符格式来确定传输所需码的位数。RS-232C传输首先发送出低有效位LSB。由于噪声可能影响传输，发生误码现象，可以用奇偶校验位来确认传输是否正确。接在数据位后面的一位是奇偶校验位，作为校验传输中的差错。到底为奇或偶并不重要，使用时可能是偶数，也可能是奇数，可按用户要求确定。奇偶性是内发送设备传输信息中“1”状态数据位的个数经计算得出来的，然后将奇偶校验位置于“1”或“0”。使数据位“1”状态加上奇偶校验位“1”状态的总数始终是偶数或奇数（为偶数时为偶校验，为奇数为奇校验），然后接收设备可以计算收到的数据和奇偶校验位“1”的数量，通过对其校验，以确保收到正确的字符。

一帧信息的最后是停止位，这些位表明字符传输结束。停止位可以规定为1、1.5或2位，因为停止位的时间实际上表示接收器的休息时间，所以0.5位也可以。

最后应考虑的问题是位传输速率。传输速率以位数／秒来表示，通常也叫作波特率。对集散系统及可编程控制器最常用的速率为300、1 200和9 600波特。

总之，为了使用RS-232C标准，用户必须确认设备的电压电平、传输的波特率、字符码、奇偶性、停止位数以及两台设备之间的信号交换线路数量是完全正确的，通信链路才能正确运行，如果在RS-232C通信中出现问题，不管问题是在计算机上还是在调制解调器上，硬件接口均能提供错误指示信息。这些信号能够指出帧、奇偶性、超限或者握手信号之类的差错。帧差错一般表明两台设备间被传送和接收的总位数不相匹配。如果奇偶校验有故障，可检查一下是否两台设备都出问题。奇偶校验差错表明传输线路有电磁噪声干扰或者两台设备中有一台的奇偶性设置不正确。一般通信电缆的最大距离应不超过16.7 m，如已超过则应尽量缩短，或者使用商用的RS-232C总线驱动器和接收器以增加距离。在任何应用情况下，RS-232C电缆线都应该是屏蔽双绞线。如果奇偶校验设置得正确，则还应检查数据和停止位顺序是否正确。当传输速率不匹配时或者两台通信设备中的一台不能尽快处理传送来的数据时，则造成超限差错。如果差错是由过高的传输速率造成的，改进的办法就是选择较低的波特串传输，这样可使设备接收传输较慢的数据。当一台设备由于不正确的“握手”信号而不能与其相匹配的设备进行通信时，设备发出发送请求后（置于“1”状态）如果接收设备能够接收该请求，它将通过清除发送线路，发送消除发送请求信号。如果发出请求后而在一定的时间内没有收到请求，则将是“握手”信号的差错。当然，还可能产生其他特殊出错信息。

4.RS-422A标准

RS-422A采用平衡驱动差分接收电路，如图5-20和图5-21所示，从根本上取消了信号地线。平衡驱动器相当于两个单端驱动器，其输入信号相同，两个输出信号互为反相信号，图中的小圆圈表示反相。外部输入的干扰信号是以共模方式出现的，两根传输线上的共模干扰信号相同，因接收器是差分输入，故共模信号可以互相抵消。只要接收器有足够的抗共模干扰能力，就能从干扰信号中识别出驱动器的有用信号，从而克服外部干扰的影响。(www.xing528.com)

图5-20　平衡驱动差分接收电路

图5-21　RS-422A通信接线图

RS-422A在最大传输速率（10 Mbps）时，允许的最大通信距离为12 m。传输速率为100 kbps时，最大通信距离为1 200 m，一台驱动器可以连接10台接收器。

在RS-422A模式中，数据通过4根导线传送（四线操作），如图5-21所示。RS-422A是全双工，两对平衡差分信号线分别用于发送和接收。

5.RS-485标准

RS-485是RS-422A的变形，RS-485为半双工，只有一对平衡差分信号线，不能同时发送和接收。使用RS-485通信接口和双绞线可以组成串行通信网络（见图5-22），构成分布式系统，系统中最多可以有32个站，新的接口器件已允许连接128个站。

图5-22　RS-485通信接线图

6.RS-449标准

RS-449标准是RS-232C标准的一种改进型，其目的是作为数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）之间的接口，逐渐代管RS-232C标准。RS-449标准是由电子工业协会即EIA开发出来的，以扩大DTE和DCE硬件间的距离，增加DTE和DCE设备之间的通信速率，以适应集成电路设计和最新硬件的优点。EIA RS-449规定了DTE和DCE硬件间的物理连接，而标准RS-422和RS-423规定了接口的电信号特征。

新标准建立了几种新的信号助记符，信号多于25种。RS-232C标准使用的25针接口插件将被37针接口插件所取代，也有的选择配以9针接口插件。

为使RS-232C标准有序地过渡到RS-422／RS-449标准，新的接口标准可与旧的RS-232C标准兼容，而且也不需要昂贵的适配器和更新硬件。

7.电流环标准

电流环标准与RS-232C标准相似，只是没有“握手”信号，而且该电流环标准是以电流为基础的，不是以电压电平为基础。

电流环标准范围为20～60 mA。电流环标准为四线制标准，有四线连接与二线连接的。电流环标准的使用与四线制RS-232C标准有相同的传输概念。它以串行方式传输数据，按时间顺序来开关电流，以代替逻辑“0”“1”状态电平。传送格式依然有启动位，5～8个数据位，一个奇偶校验位，以及1、1.5或2个停止位。

由于电流环标准是以电流信号为基础的，可以敷设的传输电缆比较长。许多可编程控制器或计算机系统同时提供电流环标准和RS-232C标准，使用相同的25针D型接口插件。在电流环路上可串接一个或多个设备，电流从电流源正端流出，经电流环中的每一个设备，返回到电流源的负端。电流环需要有一个有源元件，且对应一个无源元件。有源发送器必须与无源接收器连接，无源发送器必须与有源接收器连接。

8.IEEE 488标准

为了使改进的RS-232C标准，能与当前的计算机硬件更加兼容，电气和电子工程协会（IEEE）开发出一种通用接口标准，称为IEEE 488，多在智能仪器仪表中采用。该标准在一个接口上尽量多地定义多个变量而不必说明接口的实际用处。允许系统中任意两个单元直接通信，而无须经过一个控制单元。它的传输特点采用位并行、字节串行、三线接口、异步传输的格式。

IEEE 488精确地定义了连接器引出头（Pinouts）插针的实际功能，以及必须使用的信号电平（电源和电压）。

某些设备可指定为接收器，这些设备只能接收总线传输来的数据，不能将数据置于总线上。打印机即使可作为接收设备的一个例子，它可以接收到总线上的所有通信信号，但只有在总线控制器发出指令时才能将总线数据打印出来。总线上的另一种设备是发送器，这些设备在控制器发出指令时则把数据置于IEEE总线上。应该指出的是总线设备可以是一个发送器、一个接收器以及一个控制器，或者是任意两种设备的组合。例如，一台计算机可以起到控制器的功能，也可以作为接收器或讲听器使用。

IEEE 488总线实际上由16条信号线构成，分成3个功能组。8条数据线构成一组数据总线，允许7或8位ASCII码传输，这组总线设计为双工通信的，允许数据从连接到总线上的设备间来回流通。第二组由3条信号所组成，称作数据传送控制总线，这组总线处理IEEE 488接口数据传输中运行所必需的“握手”信号。其余的5条信号线构成一般接口总线组，用于连接各设备之间往返控制信号和工作状态。

IEEE 488接口的最大优点是只要该设备符合标准要求，插入接口立即可以工作。本标准没有说明的唯一项目是被传送的数据格式问题。如果所有使用数据的设备都设计成能识别ASCII码，那么数据就可以用ASCII码传输。实际上如果总线控制器处于良好的在用状态，接到总线上的设备互相理解在线的字符格式，那么IEEE 488总线也就可使用该字符格式了。