串行通信及工业网络剖析课件

串行通信技术及CAN网络(内部培训资料)Copyright reserved by HL,No distribution1串行通讯的基本概念串行通讯：信息的各位数据被逐位按顺序传送。2数据传送模式半双工方式（halfduplex）全双工方式（fullduplex）3信号的同步4同步传输5异步传输6第第0位位第第1位位第第2位位第第3位位第第 4位位第第5位位第第6位位第第7位位停止位停止位开始位开始位每个字符要用起始位和终止位作为字符开始和结束的标志每个字符要用起始位和终止位作为字符开始和结束的标志总线分类总线分为：内部总线、系统总线、外部总线。内部总线：核心处理器与其外围芯片之间的总线，用于芯片一级的互连。这一类总线有：I2C总线、SCI总线、SPI总线；系统总线：各插件板与系统之间的总线，用于接插板一级的互连，这一类总线有ISA总线、PCI总线；外部总线：芯片与外设之间的总线，用于设备一级的互连，如工业总线CAN。Contents of diagram belongsto HuangLiang Copyright reserved by HL,No distribution7内部总线-I2C总线I2C总线：Inter-Integrated CircuitPhilips公司于80年代初推出。在主从方式通信中可以有多个I2C总线器件同时接到I2C总线上，通过地址来识别对象。8内部总线-I2C总线传送速率普通模式：100kHz；快速模式：400kHz；高速模式：3.4MHz；没有任何必要使用应用：9内部总线-I2C总线I2C共有三种类型信号：开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。结束信号：SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。10内部总线-I2C总线I2C应答信号：接收端在接收到8bit数据后，必须将SDA 线拉低，表示已收到数据。发送端接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，由判断为受控单元出现故障。11内部总线-I2C总线第一个字节的头7 位：从机地址第一个字节的最低位：“0”，表示主机会写信息到被选中的从机；“1”表示主机会向从机读信息。12内部总线-I2C总线发送数据：往EEPROM写数据：13内部总线-I2C总线接收数据：往EEPROM读数据：14内部总线-SPI总线SPI：SerialPeripheralInterface串行外设接口，由Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义。15内部总线-SPI总线工作模式：主/从控制器连接（1）MCU1主模式16 SPICLK SPICLKSPICLKSPICLK SPISIMO SPISIMOSPISIMOSPISIMOSPISTE*SPISTE*IOPC5(SPISTE)IOPC5(SPISTE)SPISOMISPISOMI SPISOMI SPISOMIMCU1MCU1 MCU2 MCU2内部总线-SPI总线工作模式：主/从控制器连接（2）MCU1从模式17 SPICLK SPICLKSPICLKSPICLK SPISIMO SPISIMOSPISIMOSPISIMOSPISTE*SPISTE*SPISTE(IOPC5)SPISTE(IOPC5)SPISOMISPISOMI SPISOMI SPISOMIMCU1MCU1 MCU2 MCU2内部总线-SPI总线多机通信：18内部总线-SPI总线19内部总线-SPI总线全双工：在接收数据的同时也在发送数据（即使另一端没有发送数据）数据长度：1-16位，可编程设定。从机不能主动传输，收发都由主机控制。20内部总线-SPI总线21发送的数据发送的数据从从SPIDATSPIDAT寄存器寄存器的的MSBMSB（Most Most Significant Bit,Significant Bit,最高有效位最高有效位 ）依次移出。依次移出。接收的数据接收的数据则从则从SPIDATSPIDAT的的LSBLSB（Least Least Significant BitSignificant Bit，最低有效位），最低有效位）依次移入。依次移入。LSBLSB 移位寄存器移位寄存器SPIDAT SPIDAT MSBMSB内部总线-SPI总线当传输数据长度16bit时：数据从SPIDAT或SPIRXBUF寄存器读取出时必须右对齐。数据写入到SPIDAT或SPITXBUF寄存器时必须左对齐。22内部总线-SPI总线数据的发送方式有三种：（1）主控制器发送数据，从控制器发送伪数据；（2）主控制器发送数据，从控制器发送数据；（3）主控制器发送伪数据，从控制器发送数据。23内部总线-SPI总线24DIG 0-7：8位数码管位数码管驱动，低驱动，低电平有效，驱动共阴极电平有效，驱动共阴极LED灌灌电流，最大值电流，最大值500mA。SEG A-G：7段段LED驱动与小驱动与小数点，高电平有效驱动，最大数点，高电平有效驱动，最大值值40mA，可调。，可调。ISET：设置段电流，段指每一：设置段电流，段指每一个个LED。DOUT：用于多片级联：用于多片级联内部总线-SCISCI：serial communication interface 异步通信接口。UART：Universal Asynchronous Receiver Transmitter 通用异步收发器25内部总线-SCI空闲线模式数据格式：通信以帧为单位，双机通信1帧包括：1个起始位“0”；1-2个停止位“1”。26第第0位位第第1位位第第2位位第第3位位第第 4位位第第5位位第第6位位第第7位位停止位停止位开始位开始位奇偶奇偶位位带校验的单机通信格式带校验的单机通信格式第第0位位第第1位位第第2位位第第3位位第第 4位位第第5位位第第6位位第第7位位停止位停止位开始位开始位无校验单机通信格式无校验单机通信格式内部总线-SCI多处理器空闲线方式：27数据格式数据格式数据包数据包/块块空闲线周期空闲线周期一个数据包一个数据包空闲线周期空闲线周期扩展开的数据格式扩展开的数据格式几个数据包几个数据包内部总线-SCI地址位模式数据格式：帧长度比空闲线模式多一位：地址位1表示ID，地址位0表示数据28起始起始位位0LSB234567MSB地址地址位位奇偶奇偶校校验停止停止位位1起始起始位位0LSB234567MSB地址地址位位停止停止位位1地址位方式下帧格式（无奇偶校验）地址位方式下帧格式（无奇偶校验）地址位方式下帧格式地址位方式下帧格式内部总线-SCI通信格式：ID+若干数据29外部总线美国电子工业协会EIA（Electronic Industry Association）制定总线历程：30外部总线-RS232RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号。全名：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。美国电子工业协会EIA（Electronic Industry Association）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一种串行物理接口标准。31外部总线-RS232DB932载波检测载波检测数据终端准备数据终端准备振铃提示振铃提示而工业控制的而工业控制的RS-232口一般只使用口一般只使用RXD、TXD、GND三条线。三条线。外部总线-RS232DB2533序序号号信号名称信号名称符号符号补充充说明明2 2发送数据送数据TXD常用常用3 3接收数据接收数据RXD常用常用4 4发送送请求求RTS5 5发送允送允许CTS6 6数据数据设备准准备好好DSRDCE准准备好好 7 7信号地信号地GNDGND常用常用8 8载波波检测DCDDCE接收到接收到远程程载波波2020数据数据终端准端准备好好DTRDTE准准备好好2222振振铃指示指示RIDCE与与线路接通路接通,出出现振振铃外部总线-RS232节点数：点对点传输。1台PC接1台设备。一般PC机上会有两组RS-232 接口，分别称为COM1 和COM2。通信距离：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。34研发设备研发设备监控监控PC机机波特率波特率：50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200、38400波特。波特。外部总线-RS232电平为负逻辑关系：35发送端发送端接收端接收端外部总线-RS232SCITTL电平与232负逻辑电平：36第第0位位第第1位位第第2位位第第3位位第第 4位位第第5位位第第6位位第第7位位停止位停止位开始位开始位SCI-RS23237光电隔离器原理：作用：隔离、电平转换、驱动38SCI-232编程Copyright reserved by HL,No distribution3940void SCI_init()MCRA|=0 x0003;/D0:SCITXD,D1:SCIRXD,1为复用为复用SCICCR=0 x0007;/D7=0 1个停止位个停止位,D6=D5=0禁止奇偶校验禁止奇偶校验,D4=0禁止自测模式禁止自测模式/D3=0空闲线多处理器模式空闲线多处理器模式,D0-D2=111长度长度8位位SCICTL1=0 x0003;/D6=0禁止接收错误中断禁止接收错误中断,D5=SW RESET=0串口初始化串口初始化begin,D7、D4保留保留/D3=0 地址位填地址位填0,D2=SLEEP=0 禁止地址触发禁止地址触发,D1=D0=1发送发送/接收使能接收使能SCICTL2=0;/清标志，禁止中断清标志，禁止中断SCIHBAUD=0;SCILBAUD=0 x0067;/16M晶振，系统晶振，系统1倍频，设置波特率倍频，设置波特率19200SCIPRI=0 x0060;/D6=D5=1发送和接收都为低优先级中断请求发送和接收都为低优先级中断请求,D4=D3=0仿真挂起立即停止仿真挂起立即停止SCICTL1=0 x0023;/D5=1，SW RESET复位，使能复位，使能SCI SCI-232编程41发送程序：发送程序：SCITXBUF=数据数据;/发送实际数据发送实际数据 while(SCICTL2&0 x0080)=0)/D7=TXRDY=1?查询接收程序：查询接收程序：if(SCIRXST&0 x0040)/D6=RXRDY=1 SCIRXBUF有新数据更新有新数据更新,会产生中断申请会产生中断申请 SCI_BUF=SCIRXBUF;/读读SCIRXBUF可以清除可以清除RXRDY位位 外部总线-RS485传输方式：半双工RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。42外部总线-RS485传输方式：差分传输43外部总线-RS485发送器：逻辑“1”：两线间的电压差为+(26)V表示；逻辑“0”：两线间的电压差为-(26)V表示。接收器：逻辑“1”：A电平比B电平高出200mV以上。逻辑“0”：B电平较A电平高出200mV以上。44在在RS-485网络中所有节点处于网络中所有节点处于接收状态时，总线置为三态，接收状态时，总线置为三态，没有任何信号驱动总线，使没有任何信号驱动总线，使A和和B之间的电平差趋于之间的电平差趋于0。抵制共模干扰45A+NoiseB+Noise信号信号=A+Noise-(B+Noise)=A-BAB外部总线-RS485传输距离：平衡双绞线的长度与传输速率成反比，最大传输距离约为1219米，只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。最大传输速率为10Mb/s。一般100米长双绞线最大传输速率仅为1Mb/s。46外部总线-RS485可多机通信：每个节点约定数据打包发送：ID+约定帧数数据每个节点可以拥有多个ID+约定帧数数据47SCI-RS48548SCI-RS485SCI模块与ADI公司的RS485隔离式收发器ADM2587进行数据传输。ADM2587内部集成隔离电源。49监控解决方案50上位机（上位机（PC机）只集成机）只集成RS-232接口与下位机（控制器）通信；接口与下位机（控制器）通信；RS-232最大缺点在于最大缺点在于PC机要与控制器须共用地信号，机要与控制器须共用地信号，PC机电网干扰与控制机电网干扰与控制器内部干扰会互相影响。例如器内部干扰会互相影响。例如converter输入电源来源于电网，当输入电源来源于电网，当converter工作时电网会受到干扰，而工作时电网会受到干扰，而PC机电源与电网共地，又会将干扰串给控制主板。机电源与电网共地，又会将干扰串给控制主板。在实际运行中见到的现象就是在实际运行中见到的现象就是PC机收不到数据产生死机现象。机收不到数据产生死机现象。而而RS-485信号采用差分传输，不怕地线传入干扰。信号采用差分传输，不怕地线传入干扰。由于与由于与232总线搭配，因此总线搭配，因此485传送速率受限于传送速率受限于232的的19200bps。监控数据格式0 xaa+25个8位数据+LRC校验和+0 x55；0 xaa表示新的数据包的头；0 x55表示数据包的尾；1个数据包里面有25个字节数据；LRC校验和=data25data24data1。51SCI-RS485编程Copyright reserved by HL,No distribution52编程实例53void SCI_init()MCRA|=0 x0003;/D0:SCITXD,D1:SCIRXD,1为复用为复用SCICCR=0 x0007;/D7=0 1个停止位个停止位,D6=D5=0禁止奇偶校验禁止奇偶校验,D4=0禁止自测模式禁止自测模式/D3=0空闲线多处理器模式空闲线多处理器模式,D0-D2=111长度长度8位位SCICTL1=0 x0003;/D6=0禁止接收错误中断禁止接收错误中断,D5=SW RESET=0串口初始化串口初始化begin,D7、D4保留保留/D3=0 地址位填地址位填0,D2=SLEEP=0 禁止地址触发禁止地址触发,D1=D0=1发送发送/接收使能接收使能SCICTL2=0;/清标志，禁止中断清标志，禁止中断SCIHBAUD=0;SCILBAUD=0 x0067;/16M晶振，系统晶振，系统1倍频，设置波特率倍频，设置波特率19200SCIPRI=0 x0060;/D6=D5=1发送和接收都为低优先级中断请求发送和接收都为低优先级中断请求,D4=D3=0仿真挂起立即停止仿真挂起立即停止SCICTL1=0 x0023;/D5=1，SW RESET复位，使能复位，使能SCI 485接收使能；接收使能；485发送使能关闭；发送使能关闭；54485接收使能关闭；接收使能关闭；485发送使能；发送使能；/总线由总线由0电平立马变成高电平，处于发送状态电平立马变成高电平，处于发送状态 SCICTL1&=0 x0FFFE;/D0=RXENA=0，关闭，关闭SCI接收接收SCICTL1|=0 x0002;/D1=TXENA=1，使能，使能SCI发送发送延时延时10ms；SCITXBUF=0 xaa;/发送数据头发送数据头0 xaawhile(SCICTL2&0 x0080)=0)/D7=TXRDY=1?SCITXBUF=数据数据;/发送实际数据发送实际数据 while(SCICTL2&0 x0080)=0)SCITXBUF=LRC;/发送发送LRC校验和校验和 while(SCICTL2&0 x0080)=0)SCITXBUF=0 xbb;/发送数据尾发送数据尾0 x55while(SCICTL2&0 x0080)=0)延时延时20ms；/此处很重要，如没有延时，将会丢失前面发送的数据此处很重要，如没有延时，将会丢失前面发送的数据 485发送使能关闭；发送使能关闭；/总线由高电平立马变成总线由高电平立马变成0电平电平 485接收使能；接收使能；SCICTL1&=0 x0FFFD;/D1=TXENA=0，关闭，关闭SCI发送发送SCICTL1|=0 x0001;/D0=RXENA=1，使能，使能SCI接收接收RS-485发送波形55工业现场总线PROFIBUS总线（德国奔驰）ProfiBus-DPProfiBus-PAProfiBus-FMS基金会现场总线FF（美国芝加哥）CAN总线（德国BOSCH）56CAN总线CAN：全称为“Controller Area Network”，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。1993年11月，ISO正式颁布CAN为国际标准ISO11898。支持CAN协议的公司有Intel、Motorola、Philips、Siemens、NEC、Honeywell、TI等公司。57CAN总线传输速率：可达到1Mbps（40米以内）传输距离：10千米（5kbps以下）支持的介质：铜线，光纤媒体访问控制方式：CSMA/冲突按优先权解决可挂接的最大节点数：11058CAN总线59CAN总线是一种串行数据通信总线，其总线是一种串行数据通信总线，其通信速率最高可达通信速率最高可达1Mbit/s。CAN系统内任意系统内任意2个节点间的最大传送距个节点间的最大传送距离和其位速率有关离和其位速率有关。CAN总线60MDI：实现物理介质和介质访问单元：实现物理介质和介质访问单元MAU之间机械和电气接口。之间机械和电气接口。MDI层定层定义了电缆和连接器的特性义了电缆和连接器的特性 PMA：实现总线收发的功能并提供总线故障检测方法。：实现总线收发的功能并提供总线故障检测方法。PMA层功能由层功能由CAN收发收发器完成。器完成。PLS：实现位表示、定时和同步的相关的功能。：实现位表示、定时和同步的相关的功能。PLS层连同数据链路层功能由层连同数据链路层功能由CAN控制器完成控制器完成 CAN总线61CAN总线电平6262信号使用差分电压传送信号使用差分电压传送CAN_H2.5V3.5VCAN_L2.5V1.5V状状态“1”隐性性“0”显性性n两个节点同时发两个节点同时发送送“0”和和“1”时，时，总线上呈现总线上呈现“0”。CAN总线电平63CAN总线隔离接口电路64CAN总线82C250：是CAN协议控制器和物理总线的接口，提供差动发送/接收能力。三种工作模式：高速、斜率、准备模式。高速模式：最快的速度切换，因此一般使用屏蔽的总线电缆来防止可能的扰动。斜率模式：转换速度故意降低，以减少电磁辐射。准备模式：低功耗睡眠状态。65CAN总线高速模式66Px,y为低：工作为低：工作Px,y为高：睡眠为高：睡眠高速实现方式：高速实现方式：此时此时CAN总线斜率模式67实现方式：实现方式：此时：此时：CAN总线斜率模式68单端转换速度单端转换速度SR与阻抗与阻抗Rext 的关系为：的关系为：其中其中kse为转换速度常数：为转换速度常数：CAN总线69波特率（标称位率）：每秒发送的位数。这个标称位波特率（标称位率）：每秒发送的位数。这个标称位率的最大值是率的最大值是1 Mbps。标称位时间：标称位率的倒数。就是发送一位数据需标称位时间：标称位率的倒数。就是发送一位数据需要的时间。要的时间。时间份额（时间当量）：来源于晶振周期的固定时间时间份额（时间当量）：来源于晶振周期的固定时间单元。可通过一个带单元。可通过一个带1-64整数值的可编程波特率分频整数值的可编程波特率分频器和一个固定器和一个固定2分频的时钟发生器来确定。时间份额分频的时钟发生器来确定。时间份额的长度为的长度为其中其中,Fosc为时钟频率，为时钟频率，BRP为为BRGCON1寄存器寄存器的数（的数（0-63）。）。CAN总线时间份额70BRP的选择：应该使时间份额的时间值尽可能的小的选择：应该使时间份额的时间值尽可能的小一些，也就是让一些，也就是让1个位周期中时间份额的数量更多。个位周期中时间份额的数量更多。这样做的目的是为了使采样点位置的选择具有更好这样做的目的是为了使采样点位置的选择具有更好的分辨率。的分辨率。CAN总线71同步段（同步段（SYNC SEG）：用于同步总线上不同的节点。这一段内等待一个跳）：用于同步总线上不同的节点。这一段内等待一个跳变沿。变沿。CAN总线的同步只有在节点检测到逻辑总线的同步只有在节点检测到逻辑1到逻辑到逻辑0的跳变时才会产生。的跳变时才会产生。传播段（传播段（PROP SEG）：由于发送节点和接收节点之间存在网络传输延迟）：由于发送节点和接收节点之间存在网络传输延迟以及物理接口延迟，发送节点发送一位之后，接收节点延迟一段时问才能接以及物理接口延迟，发送节点发送一位之后，接收节点延迟一段时问才能接收到，传播段的延时设置就是用于补偿网络内的物理延时时间。收到，传播段的延时设置就是用于补偿网络内的物理延时时间。相位缓冲段相位缓冲段 1、2（PHASE SEG1、2）：用于补偿边沿相位误差。这两个）：用于补偿边沿相位误差。这两个段可以通过重同步加长或缩短。段可以通过重同步加长或缩短。CAN总线采样点CAN总线的采样点最好靠近位时间的末端。根据工程经验，一般将采样点时间比设置在位时间80%的位置是最佳。72CAN总线传播段网络延迟时间73CAN总线相位误差当跳变沿不位于位周期的同步段之内时将会产生相位误差，该相位误差就是跳变沿与同步段结束位置之间的距离。如果跳变沿发生在同步段之后而采样点之前为正的相位误差；如果跳变沿位于同步段之前采样点之后为负的相位误差。相位误差源于节点的振荡器漂移，网络节点之间的传播延迟以及噪声干扰等。74CAN总线硬同步：只在总线空闲时通过一个下降沿（帧起始）来完成，此时不管有没有相位误差，所有节点的位时间重新开始。硬同步一般应用于帧的开始，确定位时间的起始。同步段用于硬同步。重同步：在消息帧的随后位中，每当有从“隐性位1”到“显性位0”的跳变，并且该跳变落在了同步段之外，就会引起一次重同步。重同步机制可以根据增长相位缓冲段1或者缩短相位缓冲段2的位时间以调整采样点的位置，保证正确采样。各节点根据沿相位误差的大小调整位时间，以使节点位时间与来自总线的报文位时间相等。75跳变沿落在了同步段之后、采样点之前，为正的相位误差，接收器会认为这是一个慢发送器发送的滞后边沿。此时节点会增长自己的相位缓冲段1（阴影部分）。增长的时间为相位差的绝对值，但是上限是重同步跳转宽度SJW。相位缓冲段1只在当前位周期内被增长（或者缩短相位缓冲段2），接下来的位周期，只要没有重同步，各段将恢复为位时间的编程预设值。76CAN总线重同步跳转宽度重同步跳转宽度SJW并不是位周期里的一段，却是位定时计算时的一个重要的指标。它定义了重同步时，为补偿相位误差，位时间中相位缓冲段1被增长或者相位缓冲段2被缩短的最大基本时间单元数。设计经验：同步跳转宽度的一般设置原则是在允许的范围内应尽可能的大一些，这样更有利于在重同步时对沿相位误差的补偿。当不同节点的时钟发生器发生错误或是不稳定时，要采用大的同步跳转宽度。77CAN总线78同步段：占同步段：占1个个传播段：可设置传播段：可设置1-8个个相位缓冲段相位缓冲段 1：可设置：可设置1-8个个相位缓冲段相位缓冲段 2：max（phase seg1，IPT）信息处理时间信息处理时间IPT：2个个 的倒数就是波特率了。的倒数就是波特率了。