如何利用 UART 和線路驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)常用工業(yè)控制接口協(xié)議

對(duì)于工業(yè)檢測(cè)和控制，通信總線面臨諸多挑戰(zhàn)。例如，數(shù)百甚至數(shù)千英尺的布線稀松平常，而惡劣的操作環(huán)境簡(jiǎn)直堪稱工業(yè)環(huán)境的代名詞。工業(yè)設(shè)備往往需要在寬溫度范圍內(nèi)工作；無(wú)論電源線路還是信號(hào)線路均存在較高的電噪聲；電磁干擾 （EMI）、靜電放電 （ESD） 或短路等故障事件頻發(fā)。

使用基于通用異步接收器/發(fā)射器 （UART） 的可靠串行接口即可解決這些問(wèn)題。有些供應(yīng)商也將 UART 稱作異步通信元件 （ACE）。UART 可以是 Texas Instruments 的 TL16C752D 一類的獨(dú)立器件，也可以如 Microchip Technology 的 PIC16F688T-I/SL 一樣集成在微控制器中。

只要線路驅(qū)動(dòng)器使用得當(dāng)，UART 即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信：使用 RS-232 串行數(shù)據(jù)總線，可傳輸 15 m；使用 RS-485 或 RS-422 接口，則可傳輸 1000 m。這三種協(xié)議均在工廠自動(dòng)化應(yīng)用中用于控制遠(yuǎn)程設(shè)備和控制器，旨在最大限度地降低最惡劣環(huán)境中的 EMI 和 ESD 的影響。

RS-232

RS-232 串行通信標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在也稱為 EIA/TIA-232-F，是由美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)/電信工業(yè)協(xié)會(huì)公布的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。字母 F 表示為最新版本。該標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)際電信聯(lián)盟 （ITU） 的 V.24 和 V.28 標(biāo)準(zhǔn)具有等效性。最初，該接口作為個(gè)人電腦的串行總線，用于連接計(jì)算機(jī)（術(shù)語(yǔ)稱作數(shù)據(jù)終端設(shè)備 （DTE））與調(diào)制解調(diào)器（稱作數(shù)據(jù)通信設(shè)備 （DCE））。

EIA/TIA-232-F 定義了物理層的標(biāo)準(zhǔn)，包括信號(hào)電平和時(shí)序、控制信號(hào)、連接器及其接線，但沒(méi)有定義字符編碼、組幀等協(xié)議層的其他方面。典型的異步串行總線包括 UART 或 ACE、線路驅(qū)動(dòng)器、連接器及電纜（圖 1）。

UART/ACE 將計(jì)算機(jī)內(nèi)部并行總線轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)流。此外，還提供輸入和輸出先進(jìn)先出 （FIFO） 存儲(chǔ)緩沖器、接口時(shí)鐘（一般稱為波特率發(fā)生器）、接口時(shí)序和握手信號(hào)。UART/ACE 的模擬輸入和輸出可以由線路驅(qū)動(dòng)器提供緩沖。DTE 的輸出稱為發(fā)送信號(hào) （TX），而輸入稱為接收信號(hào) （RX）。接口電纜的最大長(zhǎng)度以 15 米為限。電纜的長(zhǎng)度決定了通過(guò)接口總線能夠可靠傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)速率。

RS-232 接口通過(guò)全雙工連接來(lái)接通兩臺(tái)設(shè)備，因而每臺(tái)設(shè)備可以同時(shí)發(fā)送和接收。RS-232 串行數(shù)據(jù)包由 1 個(gè)起始位、5 至 8 個(gè)數(shù)據(jù)位、1/1.5/2 個(gè)停止位和 1 個(gè)奇偶校驗(yàn)位組成（圖 2）。

RS-232 電纜至少需要三芯線：一根用于發(fā)送，一根用于接收，還有一根用于信號(hào)接地。接地線是兩條信號(hào)線的回路。

RS-232 的許多特性與其最初在電信領(lǐng)域中的應(yīng)用有關(guān)。該標(biāo)準(zhǔn)使用負(fù)邏輯，高電平稱為空號(hào)，低電平稱為傳號(hào)。中性或空閑狀態(tài)為高電平，因此可以遠(yuǎn)程驗(yàn)證互連。在發(fā)送端，邏輯 0（空號(hào)）的電平范圍在 +5 至 +15 V 之間，邏輯 1（傳號(hào)）的電平范圍在 -5 至 -15 V 之間。在接收端，3 至 15 V 的電平表示 0，-3 至 -15 V 表示 1。

因?yàn)闆](méi)有發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)，術(shù)語(yǔ)稱這種傳輸為異步傳輸。RS-232 要求總線兩端設(shè)置特定時(shí)鐘或波特率。波特率衡量每秒傳輸?shù)姆?hào)數(shù)量；對(duì)于 RS-232，波特率約等于時(shí)鐘頻率。常見(jiàn)的波特率有 300、600、1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600、115200、230400、460800 和 921600 波特。

時(shí)鐘頻率越高，電纜長(zhǎng)度越受限。例如，在 9600 波特時(shí)，可以使用的最長(zhǎng)電纜為 15 米。提高波特率，電纜最大長(zhǎng)度就相應(yīng)縮短。

RS-232 控制信號(hào)

RS-232 規(guī)定了若干控制信號(hào)。這些信號(hào)用于報(bào)告 DTE 和 DCE 設(shè)備的狀態(tài)，并通過(guò)基于硬件的握手來(lái)確定數(shù)據(jù)傳輸速率（表 1）。

硬件握手通過(guò)請(qǐng)求發(fā)送 （RTS） 和允許發(fā)送 （CTS） 流控制信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)，以確保兩臺(tái)設(shè)備都已做準(zhǔn)備好傳輸數(shù)據(jù)，并且接收設(shè)備已經(jīng)收到數(shù)據(jù)。硬件握手通過(guò)以下操作實(shí)現(xiàn)：

數(shù)據(jù)終端設(shè)備將 RTS 線設(shè)置為邏輯 “1”，即“傳號(hào)”狀態(tài)

數(shù)據(jù)通信設(shè)備將 CTS 線設(shè)置為邏輯 “1”，即“傳號(hào)”狀態(tài)

數(shù)據(jù)終端設(shè)備將數(shù)據(jù)終端就緒 （DTR） 線設(shè)置為邏輯 “1”，即“傳號(hào)”狀態(tài)，并在整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸期間保持該狀態(tài)

傳輸結(jié)束時(shí)，數(shù)據(jù)終端設(shè)備將 DTR 和 RTS 線恢復(fù)為邏輯 “0”，即“空號(hào)”狀態(tài)

數(shù)據(jù)通信設(shè)備將 CTS 線恢復(fù)為邏輯 “0”，即“空號(hào)”狀態(tài)

RS-232 還能通過(guò)軟件握手來(lái)控制數(shù)據(jù)流。在這種方式下，XON（ASCII DC1，十六進(jìn)制數(shù) 11）和 XOFF（ASCII DC3，十六進(jìn)制數(shù) 13）字符以數(shù)據(jù)流形式發(fā)送，數(shù)據(jù)傳輸類似同步傳輸。

UART 功能框圖

Texas Instruments 的 TL16C752D 是一款雙通道 UART，具有 64 字節(jié)的接收和發(fā)送 FIFO，數(shù)據(jù)速率高達(dá) 3 Mb/s（圖 3）。

每 UART 通道都具有獨(dú)立的波特率發(fā)生器，可由軟件進(jìn)行控制。數(shù)據(jù)總線接口將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，并同時(shí)饋入兩個(gè) UART 通道。每個(gè)通道都具有獨(dú)立的控制線。TL16C752D 的工作電壓范圍為 1.8 V 至 5.5 V，工作溫度范圍為 -40°C 至 85°C。

基于微控制器的 UART

Microchip Technology 的 PIC16F688T-I/SL 等許多微控制器都包括串行數(shù)據(jù)接口，可用于與監(jiān)視器、外部模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC） 或其他微控制器進(jìn)行通信（圖 4）。

EUSART 有時(shí)也稱為串行通信接口 （SCI），可以配置為全雙工異步或半雙工同步串行數(shù)據(jù)鏈路。PIC16F688T-I/SL 的 EUSART 包含了執(zhí)行輸入或輸出串行數(shù)據(jù)傳輸所需的全部移位寄存器、時(shí)鐘發(fā)生器和數(shù)據(jù)緩沖器，且與微控制器程序執(zhí)行無(wú)關(guān)。此外，還具有一個(gè)雙字符接收緩沖器和一個(gè)單字符發(fā)送緩沖器。全雙工異步接口可用于與監(jiān)視器等外設(shè)進(jìn)行通信，這是該微控制器串行接口的主要應(yīng)用。

線路驅(qū)動(dòng)器

線路驅(qū)動(dòng)器可作為發(fā)送和接收信號(hào)的緩沖器，從而增強(qiáng) UART 的功能。由于線路驅(qū)動(dòng)器可以在 RS-232 的所有電平規(guī)格下工作，因此十分有用。Texas Instruments 的 MAX232DR 雙通道 RS-232/TIA/EIA-232-F 收發(fā)器是這類器件的一個(gè)范例（圖 5）。

在需要較高電壓的工業(yè)應(yīng)用中，MAX232DR 線路驅(qū)動(dòng)器/接收器具有明顯優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樵撈骷艹惺芨哌_(dá) ±30 V 的輸入電壓。該器件包括一個(gè)電容式電壓發(fā)生器，采用 5 V 單電源供電，使用四個(gè)外部電容器，在輸出端提供 -5 V 至 -7 V 和 +5 V 至 +7 V 的 RS-232 電平。

差分信號(hào)

RS-232 的發(fā)送和接收線使用單端連接。采用此類單端連接時(shí)，信號(hào)電壓是以線-地電壓來(lái)衡量。在工業(yè)環(huán)境中，RS-232 信號(hào)線會(huì)帶入很多噪聲，因此需要限制總線的長(zhǎng)度?？朔@一限制的經(jīng)典方法是使用差分信號(hào)。

差分總線的每路信號(hào)由兩條線組成，信號(hào)電壓則是以兩條信號(hào)線之間的電壓差來(lái)衡量。對(duì)于兩條信號(hào)線而言，噪聲和串?dāng)_一般是相同的，因此差分測(cè)量幾乎可以完全消除這些相同的干擾信號(hào)，從而顯著降低了噪聲和串?dāng)_的幅度。此外，差分電纜還帶有屏蔽，可進(jìn)一步降低噪聲和干擾的帶入。

使用差分信號(hào)線的常用數(shù)據(jù)總線標(biāo)準(zhǔn)有兩種：RS-422 （TIA/EIA-422） 和 RS-485 （TIA/EIA-485），后者是最常見(jiàn)的工業(yè)串行總線。這些標(biāo)準(zhǔn)的傳輸線使用雙絞線，連接設(shè)備最遠(yuǎn)可以相距 1200 m （4000 ft）。這兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的最大數(shù)據(jù)速率均達(dá) 10 Mb/s。上述三種串行總線的比較如下所示（表 2）。

RS-422 和 RS-485 的區(qū)別在于，RS-485 可以與多達(dá) 32 臺(tái)收發(fā)器配合使用（若采用總線擴(kuò)展器，可以連接更多收發(fā)器），而 RS-422 總線上最多只能連接 10 臺(tái)接收器。全雙工模式下的 RS-485 需要四芯線，而半雙工模式下只需要兩芯線；RS-422 也只需要兩芯線（圖 6）。

差分總線的每路發(fā)送或接收信號(hào)線均需使用兩芯線，如圖所示。全雙工操作需要四芯線，而半雙工只需要兩芯線。由于 RS-422 和 RS-485 的傳輸速率較高，傳輸線的兩端都必須端接。對(duì)于雙絞線，端接電阻 RT 為 120 Ω。由于 TL16C752D 接口 IC 具有雙通道 UART 配置，因此可以推斷該器件具有 RS-485 模式。這也是許多 UART 和相關(guān)線路驅(qū)動(dòng)器采用雙通道配置的原因。

RS-422 發(fā)送器端的電平為 ±6 V，而 RS-485 為 -7 至 +12 V。在接收器端，兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的靈敏度均為 ±200 mV。

總結(jié)

無(wú)論距離遠(yuǎn)近，RS-232、RS-422 和 RS-485 三種串行接口均可為串行通信提供多種可靠選擇。UART 為這三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)夯實(shí)了基礎(chǔ)，從而可以在設(shè)計(jì)中輕松增加串行通信，尤其是那些針對(duì)惡劣工業(yè)環(huán)境的設(shè)計(jì)。