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串口引腳定義及協(xié)議說明

串口通訊，又經(jīng)常被稱為點(diǎn)對點(diǎn)通訊或者PtP通訊，是工業(yè)設(shè)備中的一種非常通用的通訊方式，常用于獲取相對遠(yuǎn)程采集設(shè)備的數(shù)據(jù)。

串行通信，通常利用RS232C或者RS485電氣接口，實(shí)現(xiàn)ASCII碼或者M(jìn)odbus通訊；其特點(diǎn)是通信線路簡單，成本較低，用于解決不同廠商產(chǎn)品之間節(jié)點(diǎn)少、數(shù)據(jù)量小、通訊速率低、實(shí)時性要求不高的場合，如過程儀表、變頻器、連接掃描儀、條碼閱讀器等帶有串行通訊接口的設(shè)備，CP卡加載通訊協(xié)議后，還可以和支持Modbus協(xié)議的現(xiàn)場儀表通訊。

為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備相互通訊，通訊雙方的通訊接口和通訊協(xié)議要一致，最基本的串行通訊的數(shù)據(jù)幀格式和波特率也要匹配。

西門子串行通訊支持的數(shù)據(jù)幀格式：

• 起始位：1位；
• 數(shù)據(jù)位：7/8位；
• 校驗(yàn)位：1位奇/偶校驗(yàn)位，或者沒有校驗(yàn)位；
• 停止位：1/2位。

凡是符合這些格式的串行通信設(shè)備，理論上都可以相互通信。

支持的通訊接口

常用的串行數(shù)據(jù)接口有:RS232C 和 RS485/422。RS-232C、RS-422/485 標(biāo)準(zhǔn)只對接口的電氣特性做出規(guī)定，而不涉及接插件、電纜或協(xié)議，在此基礎(chǔ)上用戶可以建立自己的高層通信協(xié)議。

注意： 接口和協(xié)議是兩個概念。

RS232C接口

RS-232C 是低速率的單端串行通訊，RS-232C 采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊。

1.RS232C 通訊接口特點(diǎn)

• RS-232采取不平衡傳輸方式，其收、發(fā)端的數(shù)據(jù)信號是相對于信號地，抗共模干擾能力差；
• 近距離通訊，最大通信距離15m；
• 只能用于點(diǎn)對點(diǎn)（即一對收/發(fā)設(shè)備）通訊。

2. RS232C 接口定義

RS232C并未定義連接器的物理特性，不同類型的連接器引腳定義也各不相同，其中9針和25針的引腳定義對照，如圖 1 所示。

圖1 RS232C 串口管腳定義

最為簡單且常用的是三線制接法，即Txd，Rxd和地線三根，如上圖中紅色（2，3）和紫色（5）三個針腳。

RS422/485 接口

RS-422/485 改進(jìn) RS-232 通信距離短、速率低的缺點(diǎn)。

1.RS422/485接口特點(diǎn)

• RS-422、RS-485與RS-232不一樣，數(shù)據(jù)信號采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸；
• 平衡傳輸抗干擾能力更強(qiáng)，使傳輸距離更遠(yuǎn)，通訊距離最長1200米；
• 可以連接多個設(shè)備，RS422總線可支持10個節(jié)點(diǎn)（單機(jī)發(fā)送、多機(jī)接收的單向傳輸），RS485可支持32個節(jié)點(diǎn)（多點(diǎn)、雙向通訊能力）；
• 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟话悴捎媒K端匹配的總線型結(jié)構(gòu)，不支持星型或樹形；
• 傳輸距離超過50米，需要在兩端加終端電阻330歐姆（推薦用LIYCY電纜）；

2.RS422/485接口定義

RS422/485 的端口有9針、15針，CP340/341/440/441的接口是15針，如圖 2 所示。

圖2 RS422/485 串口管腳定義

常用支持協(xié)議

常用的協(xié)議類型

• ASCII 協(xié)議，又稱自由口
• Modbus 協(xié)議
  

ASCII 協(xié)議

ASCII 協(xié)議通過通訊處理器和通訊伙伴之間的點(diǎn)對點(diǎn)連接控制數(shù)據(jù)傳輸。

由于消息的結(jié)構(gòu)完全由用戶定義，用戶可以以 ASCII 協(xié)議為基礎(chǔ)開發(fā)自己的消息。在接收方只需要定義接收消息的結(jié)束方式，發(fā)送接收雙方協(xié)商一致。

ASCII 驅(qū)動程序允許發(fā)送和接收任何結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)（所有可打印的 ASCII 碼表字符符以及從 00 到 FFH [帶有 8 個數(shù)據(jù)位字符幀] 的所有其它字符或從 00 到 7FH [帶有 7 個數(shù)據(jù)位字符幀]的所有其它字符）。

ASCII協(xié)議適用于與支持串行通信的智能儀表、條形碼閱讀器、掃描儀、打印機(jī)等設(shè)備進(jìn)行通訊。

MODBUS 協(xié)議

MODBUS RTU 通信協(xié)議是以主從的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，主動方發(fā)送請求，被動方響應(yīng)請求，應(yīng)答的方式。

在傳輸?shù)倪^程中主站是主動方，即主站發(fā)送數(shù)據(jù)請求報文到從站；從站是被動方，即如果正常從站返回正常響應(yīng)報文，如果故障從站返回異常響應(yīng)報文，如圖 3 所示。

圖3 MODBUS 請求響應(yīng)報文格式

MODBUS 系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)交換需要通過功能代碼（Function Code）來控制的，具體分以下兩類。

有些功能碼是對位操作的，通信的用戶數(shù)據(jù)是以位為單位的：

• FC01讀輸出位的狀態(tài)；
• FC02讀輸入位的狀態(tài)；
• FC05寫單個輸出位；
• FC15寫多個輸出位。

有些功能碼是對16位寄存器操作的，通信的用戶數(shù)據(jù)是以字為單位的：

• FC03讀輸出寄存器；
• FC04讀輸入寄存器；
• FC06寫單個輸出寄存器；
• FC16寫多個輸出寄存器。

這些功能碼是對四個數(shù)據(jù)區(qū)位輸入、位輸出、寄存器輸入、寄存器輸出進(jìn)行訪問的，如圖 4 所示。

圖4 訪問的數(shù)據(jù)區(qū)

Modbus地址由起始的數(shù)據(jù)類型代號和地址偏移量組成。功能碼決定對Modbus地址進(jìn)行操作類型，其可根據(jù)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型和個數(shù)來決定，如圖 5 所示。

圖5 MODBUS 地址對應(yīng)關(guān)系

注意：在傳輸消息楨中，用戶使用的地址是0為基準(zhǔn)，而對應(yīng)的Modbus地址是1為基準(zhǔn)，如FC16功能碼時以16進(jìn)制的0000為起始地址，對應(yīng)的寄存器是從40001開始。

MODBUS RTU 傳輸模式：消息楨中的每個8位分成2個4位16進(jìn)制的字符。

每個字符幀格式（11位），如圖 6 所示。

圖6 字符幀格式

注意：如果無奇偶校驗(yàn)位，停止位是2位。

消息幀格式，如圖 7 所示。

圖7 消息幀格式