计算机控制系统

主讲教师 : 路飞山东大学控制科学与工程学院

Email:lawyerlf@sdu.edu.cn;Tel:88392115

第 2 章 总线技术与 MODBUS 通信协议

本章要点 1 ．总线的组成及功能 2 ． RS-232C 和 RS-485 串行通信接口 3. MODBUS 通信协议

2.1 概述 2.2 串行通信基础 2.3 RS-232C 串行通信接口 2.4 RS-485 串行通信接口 本章小结 思考题

本章主要内容

2.1 概述

本节主要介绍总线的概念、分类、组成和功能。

2.1.1 总线的概念及分类 2.1.2 总线组成及总线功能

2.1.1 总线的概念及分类

总线定义 :

采用总线结构是微型计算机系统体系结构的特点之一。总线是若干连线的集合。

是计算机各模块间进行信息传输的通道；包括通道控制、仲裁方法、传输方式等内容。

总线结构越来越复杂，功能越来越强大。了解总线对工程技术人员来说很重要。

2.1.1 总线的概念及分类

总线分类 :

在计算机系统中，一般将总线分为内部总线（系统总线）和外部总线。

内部总线—计算机内部各功能模块之间进行通信的通道，是构成完整计算机系统的内部信息枢纽。如： ISA 总线、 PCI 总线、 STD 总线。外部总线—用于计算机系统与系统之间或计算机系统与外部设备之间的通信。有两类：

并行总线：各位间并行传输；

串行总线：各位间串行传输。

2.1.2 总线的组成及总线功能

1 总线组成 :

数据总线地址总线控制总线电源

2.1.2 总线的组成及总线功能

数据总线 是外部设备和总线主控设备之间进行数据传送的数据通道； 通常用 D0 、 D1…Dn 表示数据位的序号 , 序号和数据的位权一致； n 表示数据宽度 , 表示总线传输数据的能力； 数据总线宽度基本上表征了总线数据传输能力 , 反映该总线的性能。

2.1.2 总线的组成及总线功能

地址总线 是外部设备和总线主控设备之间传送地址信息的通道； 通常用 A0 、 A1…An 表示； 地址总线的宽度表明了该总线的寻址范围。

2.1.2 总线的组成及总线功能

控制总线 是专供各种控制信号传递的通道，总线操作的各项功能都是由控制总线完成的； 是总线信号中种类最多、变化最大、功能最强的信号，最能体现总线特色； 不同总线标准最大的不同体现在控制总线上，地址总线、数据总线、电源可以相同或相似。

2.1.2 总线的组成及总线功能

电源 +12V 、 -12V 、 +5V 、 -5V 是系统必备总线； 计算机系统发展的趋势：向低压发展。

2.1.2 总线的组成及总线功能

2 总线功能 总线功能是计算机总线研究的重点； A-BUS 、 D-BUS 、 C-BUS 的功能：

数据传输功能；中断功能；多主设备支持功能；错误处理功能。

2.1.2 总线的组成及总线功能

数据传输功能 是总线的基本功能； 用总线传输率表示，单位为 MB/s;

受总线宽度、时钟频率等因素的影响。

总线类型 总线宽度bit

总线频率MHz

传输方式 传输率（ MB/s)

STD 8 2 异步 2

ISA 16 8 异步 16

PCI 32 33 同步 132

表 2-1 几种总线传输能力的比较

2.1.2 总线的组成及总线功能

中断功能 是计算机对紧急事物响应的机制，是计算机反应灵敏与否的关键； 当外部设备与主设备之间进行服务约定时，中断是实现服务约定的联络信号；中断信号线的多少反映系统响应多个中断源的能力。

2.1.2 总线的组成及总线功能

多主设备支持功能 多主设备使用同一条总线，首先是总线占用权问题； 总线仲裁器确定哪个主设备申请占用总线。

2.1.2 总线的组成及总线功能

错误处理功能 包含奇偶校验错、系统错、电池失效等错误检测处理； 提供相应的保护对策。

2.2 内部总线

内部总线是计算机内部各功能模板之间进行通信的通道 , 又称作系统总线 , 是构成完整计算机系统的内部信息枢纽。如： ISA 总线、 PCI 总线、 STD 总线。

目前， ISA 总线已经被淘汰。

2.2 内部总线

本节主要介绍内部总线中的 STD 总线和 PCI 总线。

2.2.1 STD 总线 2.2.2 PCI 总线

2.2.1 STD 总线

STD 总线最早在 1978年由 Pro-Log公司和Mostek公司推出；

1987年批准为国际标准 IEEE961 ；

最初的规范为 STD-80 ，只支持 8 位数据总线宽度，后来可以支持 16 位的数据传输；

1990年，颁布 STD32规范。 STD32具有32 位数据总线宽度， 32 位寻址能力，是工业型的高端计算机。兼容 STD-80规范，产品可以互操作。

2.2.1 STD 总线

1 STD 总线的特点是 56根并行计算机总线；采用小模板结构， 56根引脚线有确切定义；采用模块化的总体设计布局；开放式的系统结构；丰富的 I/O 功能。

2.2.1 STD 总线

2 STD 总线的信号分配是 56根引脚按功能分为五大类；逻辑电源线（引脚 1~6 ）；数据总线（引脚 7~14 ）；地址总线（引脚 15~30 ） ；控制总线（引脚 31~52 ）；辅助电源线（引脚 53~56 ）。

电源线（引脚 1~6 和引脚 53~56 ）逻辑电源线和辅助电源线分别为数字电路和模拟电路提供电源；两组电源各自有独立的地线，减少了干扰；引线 5 、 6 有两种使用可能。

数据总线（引脚 7~14 ）双向、三态（输出有三种稳态：高电平、低电平、悬浮态）；当前主模块控制数据流方向；临时主模块请求总线时，主模块能释放数据总线，响应请求。

地址总线（引脚 15~30 ）三态，当前主模块控制地址总线；临时主模块请求总线时，主模块能释放地址总线，响应请求；数据总线和地址总线可以分时复用。

控制总线（引脚 31~52 ）五部分组成；存储器和 I/O 控制；外围设备定时控制；中断和总线控制；时钟和复位；串级优先级链。

2.2.2 PCI 总线

1 概述PCI 总线版本；开发动机；PCI 总线应用；PCI 总线计算机系统；PCI 总线优点。

PCI 总线版本目标是建立一种工业标准的、低成本的、允许灵活配置的、高性能局部总线结构；PCI 总线是一种高性能、 32 位或 64 位地址 /数据线复用总线；总线规范定义了 PCI硬件环境。

开发动机面向图形的操作系统使得标准 PC I/O 结构中的处理器和显示外设间产生了瓶颈；PCI 总线是独立于 CPU 的系统总线，采用独特的缓冲器设计，使显卡、声卡、网卡等高速的外围设备可以直接挂在 CPU 总线上，打破了瓶颈，使 CPU 性能得以充分发挥；但 PCI 对于 3D显示力不从心，成为制约显示系统和整机性能的瓶颈， APG 总线应运而生。

PCI 总线应用已经成为工业标准；其高性能总线体系结构可以满足不同系统的要求；PCI 总线被应用于多种平台和体系结构中。 服务器、高档台式机、低中档台式机、便携机

图 2 － 1 PCI局部总线应用

服务器

高档台式机

低中档台式机

便携机

3.3V

5V 自动配置 64 位升级路

X86 结 构 的 Alpha AXPTM 未来CPU

处理器系列 处理器系列

图 2 － 2 PCI 计算机系统方框图

显示器

桥 / 存储控制器

处理器

Cache

DRAM 声卡 视频卡

网络卡 SCSI 卡

硬盘

扩展总线桥

硬盘

基本 I/O 设备 图像卡

PCI Local Bus

PCI 总线的优点高性能；低成本；使用方便；使用寿命长；可靠性 /可操作性；适应性；数据完整性；软件兼容性。

2 PCI引脚PCI 接口对单个目标设备需要至少 47 个引脚；对主控设备最少需要 49 个引脚。

图 2 － 3 PCI引脚

JTAG(IEEE1149.1)

支持高速缓存

中断

64 位扩展

PAR64REQ64#ACK64#

LOCK#INTA#INTB#INTC#INNTD#

SBO#SDONETDITDOTCKTMSTRST#

地址与数据

CLKRST#

REQ#GNT#

PERR#SERR#

PRA

FRAME#TRDY#IRDY#STOP#DEVSEL#IDSEL

PCICOMPLI

ANTDEVICE

AD[31 00∷]

C/BE[7∷4]#]

C/BE[3∷0]#

AD[63 32∷]

接口控制接口控制

出错报告

仲裁（只主控

用）

系统

2.3 外部总线

在外部总线主要用于计算机系统与系统之间或计算机与外部设备之间的通信。

有两大类 : 并行总线、串行总线。

2.3.1 串行通信基础

在串行通信中 ,参与通信的两台或多台设备通常共享一条物理通路。发送者依次逐位发送一串数据信号 ,按一定的约定规则为接收者所接收。为确保每次传送的数据报文能准确到达目的地，必须在通信连接上采取相应的措施。

1 串行异步通信数据格式 RS-232C 、 RS-485均可采用异步收发数据格式； 每次异步传输都应该在发送的数据之前设置最少一个起始位—通知接收方有数据到达，给接收方准备接收数据、缓存数据、做出其他响应所需要的时间； 传输结束时，由一个停止位通知接收方本次传输过程终止，以便于接收方正常终止本次通信转入其他工作。

1 串行异步通信数据格式

停止位

起始位

D0D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7

奇偶位

停止位

数据位

图 2-1 串行异步通信数据格式

若通信线上无数据发送 , 该线路处于逻辑 1 状态； 当计算机向外发送一个字符数据时，应先送出起始位 “ 0” ，接着是 5~8 位数据位，且规定低位在前、高位在后，然后是一个奇偶校验位，最后加上一个停止位“ 1” 表示字符的结束。

1 串行异步通信数据格式

通信帧的起始位可以引起接收方的注意，但发送方不能确认接收方是否做好了接收数据的准备—利用连接握手可以使收发双方确认建立了连接联系，可以进入数据收发状态；

2 连接握手

连接握手过程是指发送者在发送一个数据块之前使用一个特定的握手信号来引起接收者的注意，表明要发送数据，接收者则通过握手信号回应发送者，说明自己已经做好接收数据的准备； 可以用软件也可以用硬件来实现。

是接收者为表明数据已经收到而向发送者回复信息的过程； 确认报文可以是一个特别定义过的字节，发送者收到确认报文就可以认为数据传输过程正常结束； 如果发送者没有收到确认报文，就认为通信出现问题，将采取重发或者其他行动。

3 确认

由于通信线路周围电磁干扰的存在，以及收发器件噪声的影响，信息在发送、接收及传递过程中难免出现差错。通信网络的差错控制技术就是要及时将差错检测出来，并采取适当的纠正措施，以确保接收信息的准确性； 差错控制技术包括差错检验与纠正错误。

4 差错检验

数据通信中的接收者可以通过差错检验来判断接收的数据是否正确；

串行通信中常用的差错检验方法：冗余数据校验、奇偶校验、校验和、循环冗余校验等。

发送冗余数据是实行差错检验的一种简单方法；发送者对每条报文都发送两次，接收者根据这两次收到的数据是否一致来判断本次通信的有效性；花费两倍的时间来进行报文的传输，适宜于短报文的传送校验。

冗余数据校验

可以按奇数位校验，也可以按偶数位校验； 奇偶校验是在传递字节最高位后附加一位校验位。奇校验时传送字节与校验位中“ 0” 的数目为奇数，偶校验时传送字节与校验位中“ 0” 的数目为偶数； 接收端按同样的校验方式对收到的信息进行校验。如发送时规定为奇校验时，若收到的字符及校验位中“ 0” 的数目为奇数，则认为传输正确；否则，认为传输错误。

奇偶校验

是在通信数据中加入一个差错检验字节； 对一条报文中的所有字节进行数学或逻辑运算，计算出校验和—作为差错检验字节，与通信数据一起组成该条报文； 接收端对收到的数据重复这样的计算，如果得到一个不同的结果，就认为传输发生了错误。

校验和

采用循环冗余校验时，发送端发送的信息由基本信息位与校验冗余位两部分组成。发送端在发送基本信息位的同时，发送端的 CRC 校验位生成器自动生成 CRC 校验位（由基本信息除以所谓生成多项式而得），一旦基本信息位发送完，就将 CRC 校验位紧随其后发送； 接收端用接收到的基本信息及校验位除以同一多项式，如果这种除法的余数为 0 ，即能被除尽，则认为传输正确；否则认为传输错误。

循环冗余校验（ CRC ）

5 纠正错误

常用的纠错方式有三种：重发纠正错误、自动纠正错误、混合纠正错误。重发纠正错误

当接收端检测出接收错误时，以适当方式将检测结果反馈给发送端，发送端重新发送该信息。这种过程可以重复多次，直至接收端接收正确为止。

自动纠正错误

发送端在发送数据时，还带有能够纠正错误的信息码。接收端检测出错误后，按纠错码自动进行纠正。这种方式要考虑纠错能力与发送效率间的权衡。

混合纠正错误：

是上述两种方式的综合。当接收端检测出错误时，若判断为在纠错能力之内，则进行自动纠错；否则进行重发纠错。 理论上，任何错误都是可以自动纠正的。但实际上由于自动纠错需要较多的冗余信息，且纠错算法复杂，因此自动纠错仅限于错误位数较少时的情况。

2.3.2 RS-232C 串行通信接口

RS-232C 总线是由美国电子工业协会 EIA 于1969年修定的一种通信接口标准，专门用于数据终端设备 DTE 和数据通信设备 DCE 之间的串行通信。数据终端设备 DTE （ Data Terminal Equipment ）是数据的源点或归宿，通常是指输入、输出设备和传输控制器或者计算机等数据处理装置及其通信控制器。数据通信设备 DCE(Data Communi_ cation Equipment) 的任务是实现由源点到目的点的传输，通常是指自动呼叫应答设备、调制解调器以及其它一些中间装置的集合。目前 RS—232C 接口已成为计算机的标准配置，如串行口COM1 、 COM2均为 RS-232C 总线接口标准。

1 RS-232C端子 标准的 RS-232C 接口定义了 25 个信号针，采用 25 针接插件 DB-25 ，并规定 DTE 的接插件为凸形， DCE 的接插件为凹形，如图 2-2(a)所示。对不需要 25 针的系统来说，常用 9 针的简化接插件，如图 2-2(b) 所示。表 2-2 给出了RS-232C 引脚的信号功能。

(a)25针凸形 DB—25P (b)9针凸形 DB—9P

图 2-2 RS-232C 接插件

表 2-2 RS-232C主要端子

符号 25针引脚 9 针引脚 信号流向 功能TXD 2 3 输出 发送数据RXD 3 2 输入 接收数据RTS 4 7 输出 请求发送CTS 5 8 输入 清除发送DSR 6 6 输入 数据设备准备好GND 7 5 信号地DCD 8 1 输入 数据信号检测DTR 20 4 输出 数据终端准备好RI 22 9 输入 振铃指示

2 电气特性 由于 RS-232C 是早期为促进公用电话网络进行数据通信而制定的标准。为了增加信号在线路上的传输距离和提高抗干扰能力， RS-232C 采用了较高的传输电平，且为双极性、公共地和负逻辑，即规定逻辑“ 1” 状态电平为 -15~ -5V ，逻辑“ 0” 状态电平为 +5~+15V 。

2 电气特性 由于计算机均采用 TTL逻辑电平。 TTL

电平规定低电平“ 0” 在 0~+0.8V 之间，高电平“ 1” 在 +2.4~+5V 之间，因此在 TTL电路与 RS-232C 总线之间要进行电平的转换及正反逻辑的转换，否则将使 TTL 电路烧毁。 RS-232C 采用电平传输，在通信速率为19.2kbit/s 时，其通信距离只有 15m ，若要延长通信距离，必须以降低通信速率为代价。

图 2 － 6 RS-232 的电气连接

驱动器

D R

中间连接电缆 接收器

接口

信号地线

3 RS-232C电平转换器

这种电平与逻辑的转换是用专门的集成电路芯片来完成的，早期常用 MC1488和 MC1489作发送器和接收器。如图 2-3所示，发送器 MC1488可实现 TTL到 RS-232C的电平转换，所用正负电源分别是 ±12V；接收器MC1489可实现 RS-232C到 TTL的电平转换，所用电源是 +5V。由于需要 ±12V与 +5V供电电压，因此现在更愿意使用一种新的单一电源供电的 MAX232芯片。

为了实现采用 +5V供电的 TTL和 CMOS通信接口电路能与 RS-232C标准接口连接，必须进行串行口的输入 / 输出信号的电平转换；

TTLTTL

IN

+12V +5V

-12V

IN OUT

M C1488

M C1489

TTL

OUT

RS-232 C

图 2-3 MC1488/MC1489 发送 /接收示意图

MAX232芯片的引脚结构及发送 / 接收过程如图 2-4所示，它是一个含有两路发送器和接收器的 16 脚 DIP/SO封装型工业级 RS-232C标准接口芯片。芯片内部有一个电源电压变换器，可以把输入的 +5V 电源电压变换为RS-232C 输出电平所需的 ±10V 电压。所以，采用此芯片接口的串行通信系统只需单一的 +5V 电源就可以。图中给出了其中的一路发送器和接收器， T1IN引脚为 TTL电平输入端，转换后的 RS-232C 电平由 T1OUT送出；而R1IN 引脚接受 RS-232C 电平，转换后的 TTL 电平由R1OUT输出。如此，完成了 TTL 到 RS-232C （发送）以及 RS-232C到 TTL（接收）的电平与逻辑的转换。

TTL输入

TTL输出 RS-232C 输入

RS-232C 输出T1IN T1OUT

R1OUT R1IN

1

2

3

4

5

6

7

8

16

15

14

13

12

11

10

9

C1+

C1_

V+

C2+

C2_

V_

TUO2T

NI2R

CCV

GND

TUO1T

NI1R

TUO1R

NI1T

NI2T

TUO2R

MAX232

MAX232

图 2-4 MAX232A引脚图及发送 /接收示意图

4 RS-232C的应用 RS-232C 总线标准中包含两个信道——主

信道和次信道，表 2-2 中仅给出了常用的主信道接口信号。根据具体的应用场合不同， RS-232C

通信主要有以下几种连接方式：

PC机与 PC 机之间使用 MODEM 连接 计算机之间通过 MODEM或其它数据通信设备 DCE使用

一条电话线进行通信，如图 2-5所示。图中，计算机终端DTE向远程终端 DTE发送数据的过程如下：首先 DTE向本地DCE（ MODEM）发出 DTR=“1”和 RTS=“1”的信号，表示DTE为本地和远程 DCE之间建立通道开了绿灯，同时请求发送数据；此时 DCE发回信号 DSR=“1”，表示 DCE做好发送数据准备，又向 DTE发回 CTS=“1”，表示准备向 DTE发送数据。只有当 DTE收到从本地 DCE发回肯定的 DSR和 CTS信号后， DTE才能由 TXD线向 DCE发送数据。因此， RTS、DTR、 DSR、 CTS四个信号同时为“ 1”是 TXD发送数据的条件。

当接收数据时， DTE先向本地 DCE发出DTR=“1”信号，表示本地和远程 DCE之间可以建立通道；一旦通道建立好了， DCE向 DTE发出 DSR=“1”信号；这时，数据就可以通过 RXD线传到 DTE。因此，RXD信号产生的条件是 DTR和 DSR两个信号同时为“ 1”。至于 RXD线上是否有信号，取决于远程DTE是否发送数据。

图 2-5 使用 MODEM时的 RS-232C引脚连线图

TXD 3RXD 2

请求发送 RTS 7为发送清零 CTS 8

DCE 准备好 DSR 6DTE 准备好 DTR 4

地 5

3 TXD 2 RXD

7 RTS 调制解调8 CTS 器信号 6 DSR4 DTR

5 地

计算机1

9D插座

计算机2

9D插座

图使用 MODEM 信号的 RS-232 接口

PC机与 PC机之间不使用 MODEM连接 当计算机和终端之间不使用 MODEM或其他通信设备(DCE) 而直接通过 RS-232C接口连接时，一般只需要 5根线 ( 不包括保护地线以及本地 4 、 5 之间的连线 ) ，但其中多数应采用反馈与交叉相结合的连接法，如图 2-6所示。

图中， 2→3交叉线为最基本的连线，以保证 DTE和DCE间能正常地进行全双工通信。 20→6也是交叉线，用于两端的通信联络，使两端相互检测出对方“数据已就绪”的状态。 4→5为反馈线，使传送请求总是被允许的。由于是全双工通信，这根反馈线意味着任何时候都可以双向传送数据，用不着再去发“请求发送” (RTS)信号。这种没有 MODEM的串行通信方式，一般只用于近程通信。

图 2-6 不使用 MODEM时的 RS-232C引脚连线图

图 2 － 8 不使用 MODEM 信号的 RS-232 接口

TXD 3RXD 2

RTS 7CTS 8DSR 6DTR 4

地 5

3 TXD 2 RXD 7 RTS 8 CTS 6 DSR 4 DTR

5 地

计算机 19D插座

计算机2

9D插座

PC机与 PC机之间三线连接法 这是一种最简单的 RS-232C连线，只需 2→3交叉

连接线以及信号地线，而将各自的 RTS和 DTR分别接到自己的 CTS和 DSR端，如图 2-7所示。

图 2-7(a)中，只要一方使自己的 RTS和 DTR为“ 1”，那么它的 CTS、 DSR也就为“ 1”，从而进入了发送和接收的就绪状态，这种接法常用于一方为主动设备，而另一方为被动设备的通信中。如计算机与打印机或绘图仪之间的通信。这样，被动的一方 RTS与 DTR常置“ 1”，因而 CTS、 DSR也常置“ 1”，因此，使其长期处于接收就绪状态，只要主动一方令线路就绪（ DTR=“1” ）， 并发出发送请求（ RST=“1” ），即可立即向被动的一方传送信息。

图 2-7(b)为更简单的连接方法，如果说图 2-7(a)所示的连接方法在软件设计上还需要检测“清除发送” (CTS)和“数据设备就绪” (DSR)的话，那么图2-7(b)所示的连接方法则完全不需要检测上述信号，随时都可发送和接收。这种连接方法无论在软件和硬件上，都是最简单的一种方法。

图 2-7 最简单的 RS-232C连接方式

2.3.3 RS-485 串行通信接口

在许多工业过程控制中，往往要求用最少的信号线来完成通信任务。目前广泛应用的 RS-485串行接口总线就是为适应这种需要应运而生的。它实际就是 RS-422总线的变型，二者不同之处在于： RS-422为全双工，采用两对差分平衡信号线；而 RS-485为半双工，只需一对平衡差分信号线。 RS-485更适合于多站互连（已经具备了现场总线的概念），一个发送驱动器最多可连接大于 32个负载设备，负载设备可以是被动发送器、接收器和收发器。其电路结构是在平衡连接的电缆上挂接发送器、接收器或组合收发器，且在电缆两端各挂接一个终端电阻用于消除两线间的干扰。

图 2-8给出了 RS-485 与 RS-422总线的两种数据传送方式。图（ a ）为 RS-485半双工连接方式，任一时刻只能有一个站发送数据，一个站接收数据。因此，其发送电路必须由使能站加以控制。图（ b ）由于是全双工连接方式，故两站都可以同时发送和接收。

图 2-8 RS-485 与 RS-422 总线的数据传送方式

RS-485 的接口采用二线差分平衡传输；当采用 +5V 电源供电时，若差分电压信号

为 -2500~-200mV 时，为逻辑“ 0” ；若差分电压信号为 +2500~+200mV 时，为逻辑“ 1” ；若差分电压信号为 -200~+200mV 时，为高阻状态；

RS-485 的接口电路本章从略。

图 2 － 11 差分平衡电路

A

B

VA

VB

发送

接收

2.4 MODBUS 通信协议

在外部总线主要用于计算机系统与系统之间或计算机与外部设备之间的通信。

有两大类 : 并行总线、串行总线。

本章小结

本章主要介绍了总线的概念、分类、组成及总线功能，在次基础上介绍了串行通信的基础和两种常用的串行总线： RS-232C 、 RS-485 。

思考题

1 、简述总线的组成及功能？

2 、 RS-232C 和 RS-485 串行通信接口有什么不同？

结束