第五章通信原理及接口电路设计_智能仪表原理与设计
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钟频率的要求。 1200＊16＝19200（时钟频率）
13
➢串行通信接收方式 异步通信方式（Asynchronous） 同步通信方式（Synchronous）
14
▪异步通信方式：也称“起止同步式”。
异步通信规程:
•一个字符（若干个字位）作为一个独立的信息单元； •信息单元内是同步的，但信息单元之间是异步的； •发送器和接收器可以没有共同的时钟； •目前智能仪表与微机测控系统中大多采用异步通信 方式。
7
工业上普遍使用RS-485串行接口标准, 因采用平 衡差分信号线, 故其数据传送率较RS-232C高, 传送距离也长。
单片机有串行口UART, 可以RS-232或 RS-485标 准传输数据。
8
5.2.2 串行通信的基本概念
➢串行通信的特点
▪ 数据在单条1位宽的传输线上按时间先后一位一位 地传送；节省传输线（优点）；数据传输率较低（缺 点）。 ▪主要适用于长距离、低速率的通信中。
15
异步传输数据格式：
停止位 或空闲 位
第n个字符 低位
高位
第n+1个字符 空闲位
1… 1 0
1/0 11…1 0 1/0
起始位
5-8位数据 位
奇偶校验 1、11或2位停止位 2
16
▪同步通信方式
同步通信规程: • 发送器和接收器使用同一时钟源来同步 • 用二进制系列（同步字符）来表示开始发送有
28
3.接口信号
▪ 标准最初制定时采用25根线 ▪ 25个功能引脚仅定义了22个，22个信号分成两
个信道组——主信道组（第一信道）和辅信道 组（第二信道，较少使用）
29
分类 地线
数据信 号线
定时 信号
线
控 制 线
备 用 线
符号
TXD RXD TXD RXD
RTS CTS DSR DTR DCD
RTS CTS RCD
名称
机架保护地（屏蔽地） 信号地（公共地） 数据发送线
数据接收线
辅助信道数据发送线
辅助信道数据接收线
DCE发送信号定时 DCE接收信号定时 DTE发送信号定时 请求发送 允许发送 DCE装置就绪 DTE装置就绪 接收信号（载波）检测
振铃指示 信号质量检测 数据信号速率选择 辅助信道请求发送 辅助信道允许发送 辅助信道接收检测
5
5.2 串行总线通信
5.2.1 串行总线介绍
传统的通信接口包括并行和串行通信接口， 控制系统普遍使用串行通信方法。串行通信接口 标准有RS-232C、RS-422、RS-485等。
6
5.2.1 串行总线介绍
RS-232C以位串型方式传输数据，1位起始位、 5~8 位ASCII码数据及1~2位停止位，逻辑1的电 平是-15 ~ -5V，逻辑0的电平+5 ~ +15V。 RS-232C的接口信号有：数据信号、控制信号和信 号地等，通常使用9芯扁平插头座来连接串行通信 线路。
【例如，每秒传送1个符号，则波特率为1波特】
▪ 在计算机中，一个“符号”的含义为高、低两种 电平，分别代表逻辑值“1”和“0”，所以每个符 号的信息量为1比特，此时波特率与比特率刚好一 致。
▪ 但在其他一些场合（例如通信中采用的“相—幅”
复合调制技术，一个“符号”的信息含量就不是
一个比特，此时，波特率就不等于比特率。
▪ 解调(Demodulate)：模拟信号->数字信号
20
▪ 方法：选取音频范围某一频率的正（余）弦 模拟信号作为载波，用以运载所要传送的数 字信号。要用传送的数字信号改变载波信号 的幅值、频率或相位，使之在信道上传送； 到达信道另一端，再将数字信号从载波中取 出。
▪ 调制技术 FSK frequency shift keying， PSK Phase-Shift-Keying PAM Pulse Amplitude Modulation
3
5.1 概述
通信接口主要有以下类型：
异步串行通信接口 并行通信接口 USB接口（通用串行总线） 现场总线接口 以太网接口 电力网络 蓝牙技术：无线通信网络
4
5.2 串行总线通信
5.2.1 串行总线介绍 5.2.2 串行通信的基本概念 5.2.3 串行通信接口标准 5.2.4 典型的串行通信接口器件 5.2.5 串行多机通信
36
▪零调制解调器（Null Modem） 采用交叉(2-3,20-6)反馈(4-5)方式进行连接
Null modem方式信号连接
37
➢ RS-422A，RS-423A和RS-485
(1) EIA RS-422A，采用“平衡接口电路”， 输入差分电压，平衡驱动（全双工）
传输率 ——10M bps 传输距离——10m(10M bps)～1000m（100k bps）
(2) EIA RS-423A，采用“非平衡接口电路” 传输率——300k bps 传输距离——10m（300k bps）～1000m（3k bps）
据传输。
10
A 发送器
A 发送器 接收器
A 发送器 接收器
数据流 数据流 半双工
数据流 全双工
B 接收器
B 接收器 发送器
B 接收器 发送器
通信线路的连接方式
11
➢数据传输率
▪ 每秒传输的二进制位数，单位为bps（bit per second ）也称比特率。
▪ 波特率―――每秒传输的“符号”（也称离散状 态）的个数。
MAX220, MAX222, MAX223, MAX225, MAX230, MAX231, MAX232, MAX232A, MAX233, MAX233A, MAX234, MAX235, MAX236, MAX237, MAX238, MAX239, MAX240 ，MAX241, MAX242, MAX243, MAX244, MAX245, MAX246, MAX247, MAX248, MAX249
DB－25连接器
5
13
9
25
14
6 1
1
▪ 直接连接的最长距离为15米（50英尺） 超过15米需连MODEM
▪ 最高传输速率为20Kbps
33
5.通信系统结构
(1)全双向标准电缆 (2)三线经济方式 (3)零调制解调器（Null Modem）
采用交叉(2-3,20-6)反馈(4-5)方式进行连接
34
引脚
1 7 2
3
14
16
15 17 24 4 5 6
20
8
22 21 23 19 13 12
9 10 11 18 25
说明
在无数据信息传输或收/发信息间隔期， RXD/TXD电平为1。辅助信道传输速率较主信道 低。其余同
指示被传输的每个bit信息的中心位置
DTE发给DCE DCE发给DTE DTE发给DCE DTE收到满足标准的信号时置位 由DCE收到振铃时置位 由DCE根据数据信息是否有错而置位/复位 指定两种传输速率中的一种
12
➢波特率因子
F（时钟频率）＝波特率因子＊波特率 ▪ 波特率因子：数据传输率（波特率）与时钟频率之
间的比例系数 ▪ 给定时钟频率，选择不同的波特率因子可得到不同
的波特率。 例如：f = 19.2 kHz，若选波特率因子为16，则波特率
为1200 bps。 ▪ 若选定波特率因子和波特率，则相应的确定了对时
9
➢通信线路工作方式
单工方式（Simplex）：单行线（one way road）
计算机在进行数据的发送和接收时，线上的数据流动 只有一个方向。
半双工方式（Half-duplex）：数据的流动为双向，
但同一时刻只能一个方向传输。即交替地进行双向数 据传送。
全双工方式（Full-duplex）：同时可以进行双向数
效数据 • 如暂无数据发送，用同步字符填充 • 成批发送的数据，成为数据流或数据场 • 两类：面向字符型（BSC）；面向比特
（SDLC，HDLC） • 传输速率高，适用于设备间工作速度比较接近
的场合。
17
同步通信信息格式
同步字符（SYN1) 同步字符（SYN2) 数据（DATA)
18
➢差错校验
校验：串行通信重要环节，衡量通信系统的 指标
DTE－Data Terminal Equipment (Computer)：数据终端设备
DCE－Data Communication Equipment(MODEM)：数据通 信设备 -Data Circuit-terminal Equipment 数字电路终端设备
23
1.数据传送格式
标 识
停 止 位 (1/1.5/2)
▪全双向标准电缆连接
计算机与Modem相连
机壳地 1
发送数据 2
接收数据
3
终4
请求发送 本
允许发送 5
地
Modem就绪 端6
信号地 7
电话线
8 载波检测 终端就绪
20 呼叫指示
22
Modem Modem
载波检测
远
计
程
算
机 呼叫指示
35
▪三线方式信号连接 简单的应用场合，如双机通信等
三线方式信号连接
21
5.2.3串行通信接口标准
▪ 收发双方的同步方式 ▪ 传输控制步骤 ▪ 差错检验方式 ▪ 数据编码 ▪ 数据传输速度 ▪ 通信报文格式及控制字符的定义
22
➢EIA RS－232C标准
▪ 1969年， EIA制定的适合于DTE和DCE之间相互 连接与通信的串行通信规程。
▪ 最初为解决利用电话网进行通信的问题而提出。
• 奇偶校验（Parity Check ） • CRC校验（Cyclic Redundancy Check ）
19
➢信号的调制与解调
▪ 信号远距离传输时，利用普通电话线进 行传输。
▪ 现在的电话网是模拟通信系统，它是为 传输话音信息而设计的。要在电话网上 传送数字信号，必须经过调制和解调
▪ 调制(Modulate)：数字信号->模拟（音频） 信号
(2) 目的： 补偿传输线上的损耗 抗噪声干扰
＋15V ＋5V
－5V －15V
“0”
转换区
“1”
“0”
转换区
2V噪声容限 “1”
＋15V
＋3V －3V
－15V
25
(3)RS-232C电平与TTL电平之间的转换 ▪ TTL：
– +5V：1 – 0V：0 ▪ RS-232： – -15V～-3V： 1 – +3V～+15V：0
D 0 D 1 D 2 D 3 D 4 D 5 D 6 D 7 ╳
起 始 位
数 据
校 验 位
RS232C总线上传输的异步通信典型数据格式
标志位：标识位。一个字符在开始传输前，输出线必 须在逻辑上处于“1”状态。
标识位 起始位 数据位 校验位 停止位
24
2.电气信号特性（信号电平的规定）
(1) 采用负逻辑：＋5V～＋15V——逻辑0 －5V～－15V——逻辑1
右图描述了计算机向设备传 输数据时的硬件流量控制。
计算机
DSR下 降 CTS下 降
PCMCIA
RS-232
设备
56K
IN S E R T T H IS E N D
设备缓冲区快满
计Байду номын сангаас机暂停发送数据
DSR升 高 CTS升 高
设备持续处理数据 设备缓冲区已降
计算机再向设备发送数据
32
4.机械接口特性
DB－9连接器
TTL电平→RS-232C电平：MC1488
RS-232C电平→TTL电平：MC1489
26
（a）MC1488
（b）MC1489
27
MC1488/1489是功能单一的发送/接受器，在双向数 据传输中各端都要同时使用这两个器件，此外，又必 须同时具备正负两组电源，因此在很多场合很不方便。 现在有一些新型的RS-232C电平转换电路芯片。例如： 美国MAXIM公司生产的MAX RS-232C收发器芯片 系列十分丰富。
未定义，保留供DCE装置测试使用
30
DB-9 and DB-25 RS-232 Pin Designations
Signal DCD RxD TxD DTR GND DSR RTS CTS RI
DB-9 1 2 3 4 5 6 7 8 9
DB-25 8 3 2 20 7 6 4 5 22
31
硬件握手使用DSR、CTS、 DTR和RTS四条硬件线路。 其中DTR和RTS指的是计算 机上的RS-232端；而DSR和 CTS则是指带有RS-232接口 的智能设备。通过四条线的 交互作用，计算机主控端与 被控的设备端可以进行数据 的交流，而在数据传输太快 而无法处理时，可以通过这 四条握手线的高低电位的变 化来控制数据是继续发送还 是暂停发送。
第五章 通信原理及接口 电路设计
华东理工大学信息学院自动化系
1
本章主要内容：
5.1 概述 5.2 串行总线通信 5.3 并行通信及接口电路 5.4 通用串行总线接口 – USB 5.5 蓝牙（Bluetooth）技术 5.6 现场总线通信标准
2
5.1 概述
控制系统的发展推动了智能仪表通信接口的 发展。仪表之间要进行信息交换和传输，这是通 过仪表的通信接口、按照一定的协议来实现的。 通信接口是各台仪表之间或仪表与PC机之间进行 信息交换和传输的联络装置。
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➢串行通信接收方式 异步通信方式（Asynchronous） 同步通信方式（Synchronous）
14
▪异步通信方式：也称“起止同步式”。
异步通信规程:
•一个字符（若干个字位）作为一个独立的信息单元； •信息单元内是同步的，但信息单元之间是异步的； •发送器和接收器可以没有共同的时钟； •目前智能仪表与微机测控系统中大多采用异步通信 方式。
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工业上普遍使用RS-485串行接口标准, 因采用平 衡差分信号线, 故其数据传送率较RS-232C高, 传送距离也长。
单片机有串行口UART, 可以RS-232或 RS-485标 准传输数据。
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5.2.2 串行通信的基本概念
➢串行通信的特点
▪ 数据在单条1位宽的传输线上按时间先后一位一位 地传送；节省传输线（优点）；数据传输率较低（缺 点）。 ▪主要适用于长距离、低速率的通信中。
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异步传输数据格式：
停止位 或空闲 位
第n个字符 低位
高位
第n+1个字符 空闲位
1… 1 0
1/0 11…1 0 1/0
起始位
5-8位数据 位
奇偶校验 1、11或2位停止位 2
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▪同步通信方式
同步通信规程: • 发送器和接收器使用同一时钟源来同步 • 用二进制系列（同步字符）来表示开始发送有
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3.接口信号
▪ 标准最初制定时采用25根线 ▪ 25个功能引脚仅定义了22个，22个信号分成两
个信道组——主信道组（第一信道）和辅信道 组（第二信道，较少使用）
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分类 地线
数据信 号线
定时 信号
线
控 制 线
备 用 线
符号
TXD RXD TXD RXD
RTS CTS DSR DTR DCD
RTS CTS RCD
名称
机架保护地（屏蔽地） 信号地（公共地） 数据发送线
数据接收线
辅助信道数据发送线
辅助信道数据接收线
DCE发送信号定时 DCE接收信号定时 DTE发送信号定时 请求发送 允许发送 DCE装置就绪 DTE装置就绪 接收信号（载波）检测
振铃指示 信号质量检测 数据信号速率选择 辅助信道请求发送 辅助信道允许发送 辅助信道接收检测
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5.2 串行总线通信
5.2.1 串行总线介绍
传统的通信接口包括并行和串行通信接口， 控制系统普遍使用串行通信方法。串行通信接口 标准有RS-232C、RS-422、RS-485等。
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5.2.1 串行总线介绍
RS-232C以位串型方式传输数据，1位起始位、 5~8 位ASCII码数据及1~2位停止位，逻辑1的电 平是-15 ~ -5V，逻辑0的电平+5 ~ +15V。 RS-232C的接口信号有：数据信号、控制信号和信 号地等，通常使用9芯扁平插头座来连接串行通信 线路。
【例如，每秒传送1个符号，则波特率为1波特】
▪ 在计算机中，一个“符号”的含义为高、低两种 电平，分别代表逻辑值“1”和“0”，所以每个符 号的信息量为1比特，此时波特率与比特率刚好一 致。
▪ 但在其他一些场合（例如通信中采用的“相—幅”
复合调制技术，一个“符号”的信息含量就不是
一个比特，此时，波特率就不等于比特率。
▪ 解调(Demodulate)：模拟信号->数字信号
20
▪ 方法：选取音频范围某一频率的正（余）弦 模拟信号作为载波，用以运载所要传送的数 字信号。要用传送的数字信号改变载波信号 的幅值、频率或相位，使之在信道上传送； 到达信道另一端，再将数字信号从载波中取 出。
▪ 调制技术 FSK frequency shift keying， PSK Phase-Shift-Keying PAM Pulse Amplitude Modulation
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5.1 概述
通信接口主要有以下类型：
异步串行通信接口 并行通信接口 USB接口（通用串行总线） 现场总线接口 以太网接口 电力网络 蓝牙技术：无线通信网络
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5.2 串行总线通信
5.2.1 串行总线介绍 5.2.2 串行通信的基本概念 5.2.3 串行通信接口标准 5.2.4 典型的串行通信接口器件 5.2.5 串行多机通信
36
▪零调制解调器（Null Modem） 采用交叉(2-3,20-6)反馈(4-5)方式进行连接
Null modem方式信号连接
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➢ RS-422A，RS-423A和RS-485
(1) EIA RS-422A，采用“平衡接口电路”， 输入差分电压，平衡驱动（全双工）
传输率 ——10M bps 传输距离——10m(10M bps)～1000m（100k bps）
(2) EIA RS-423A，采用“非平衡接口电路” 传输率——300k bps 传输距离——10m（300k bps）～1000m（3k bps）
据传输。
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A 发送器
A 发送器 接收器
A 发送器 接收器
数据流 数据流 半双工
数据流 全双工
B 接收器
B 接收器 发送器
B 接收器 发送器
通信线路的连接方式
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➢数据传输率
▪ 每秒传输的二进制位数，单位为bps（bit per second ）也称比特率。
▪ 波特率―――每秒传输的“符号”（也称离散状 态）的个数。
MAX220, MAX222, MAX223, MAX225, MAX230, MAX231, MAX232, MAX232A, MAX233, MAX233A, MAX234, MAX235, MAX236, MAX237, MAX238, MAX239, MAX240 ，MAX241, MAX242, MAX243, MAX244, MAX245, MAX246, MAX247, MAX248, MAX249
DB－25连接器
5
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9
25
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6 1
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▪ 直接连接的最长距离为15米（50英尺） 超过15米需连MODEM
▪ 最高传输速率为20Kbps
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5.通信系统结构
(1)全双向标准电缆 (2)三线经济方式 (3)零调制解调器（Null Modem）
采用交叉(2-3,20-6)反馈(4-5)方式进行连接
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引脚
1 7 2
3
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15 17 24 4 5 6
20
8
22 21 23 19 13 12
9 10 11 18 25
说明
在无数据信息传输或收/发信息间隔期， RXD/TXD电平为1。辅助信道传输速率较主信道 低。其余同
指示被传输的每个bit信息的中心位置
DTE发给DCE DCE发给DTE DTE发给DCE DTE收到满足标准的信号时置位 由DCE收到振铃时置位 由DCE根据数据信息是否有错而置位/复位 指定两种传输速率中的一种
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➢波特率因子
F（时钟频率）＝波特率因子＊波特率 ▪ 波特率因子：数据传输率（波特率）与时钟频率之
间的比例系数 ▪ 给定时钟频率，选择不同的波特率因子可得到不同
的波特率。 例如：f = 19.2 kHz，若选波特率因子为16，则波特率
为1200 bps。 ▪ 若选定波特率因子和波特率，则相应的确定了对时
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➢通信线路工作方式
单工方式（Simplex）：单行线（one way road）
计算机在进行数据的发送和接收时，线上的数据流动 只有一个方向。
半双工方式（Half-duplex）：数据的流动为双向，
但同一时刻只能一个方向传输。即交替地进行双向数 据传送。
全双工方式（Full-duplex）：同时可以进行双向数
效数据 • 如暂无数据发送，用同步字符填充 • 成批发送的数据，成为数据流或数据场 • 两类：面向字符型（BSC）；面向比特
（SDLC，HDLC） • 传输速率高，适用于设备间工作速度比较接近
的场合。
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同步通信信息格式
同步字符（SYN1) 同步字符（SYN2) 数据（DATA)
18
➢差错校验
校验：串行通信重要环节，衡量通信系统的 指标
DTE－Data Terminal Equipment (Computer)：数据终端设备
DCE－Data Communication Equipment(MODEM)：数据通 信设备 -Data Circuit-terminal Equipment 数字电路终端设备
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1.数据传送格式
标 识
停 止 位 (1/1.5/2)
▪全双向标准电缆连接
计算机与Modem相连
机壳地 1
发送数据 2
接收数据
3
终4
请求发送 本
允许发送 5
地
Modem就绪 端6
信号地 7
电话线
8 载波检测 终端就绪
20 呼叫指示
22
Modem Modem
载波检测
远
计
程
算
机 呼叫指示
35
▪三线方式信号连接 简单的应用场合，如双机通信等
三线方式信号连接
21
5.2.3串行通信接口标准
▪ 收发双方的同步方式 ▪ 传输控制步骤 ▪ 差错检验方式 ▪ 数据编码 ▪ 数据传输速度 ▪ 通信报文格式及控制字符的定义
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➢EIA RS－232C标准
▪ 1969年， EIA制定的适合于DTE和DCE之间相互 连接与通信的串行通信规程。
▪ 最初为解决利用电话网进行通信的问题而提出。
• 奇偶校验（Parity Check ） • CRC校验（Cyclic Redundancy Check ）
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➢信号的调制与解调
▪ 信号远距离传输时，利用普通电话线进 行传输。
▪ 现在的电话网是模拟通信系统，它是为 传输话音信息而设计的。要在电话网上 传送数字信号，必须经过调制和解调
▪ 调制(Modulate)：数字信号->模拟（音频） 信号
(2) 目的： 补偿传输线上的损耗 抗噪声干扰
＋15V ＋5V
－5V －15V
“0”
转换区
“1”
“0”
转换区
2V噪声容限 “1”
＋15V
＋3V －3V
－15V
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(3)RS-232C电平与TTL电平之间的转换 ▪ TTL：
– +5V：1 – 0V：0 ▪ RS-232： – -15V～-3V： 1 – +3V～+15V：0
D 0 D 1 D 2 D 3 D 4 D 5 D 6 D 7 ╳
起 始 位
数 据
校 验 位
RS232C总线上传输的异步通信典型数据格式
标志位：标识位。一个字符在开始传输前，输出线必 须在逻辑上处于“1”状态。
标识位 起始位 数据位 校验位 停止位
24
2.电气信号特性（信号电平的规定）
(1) 采用负逻辑：＋5V～＋15V——逻辑0 －5V～－15V——逻辑1
右图描述了计算机向设备传 输数据时的硬件流量控制。
计算机
DSR下 降 CTS下 降
PCMCIA
RS-232
设备
56K
IN S E R T T H IS E N D
设备缓冲区快满
计Байду номын сангаас机暂停发送数据
DSR升 高 CTS升 高
设备持续处理数据 设备缓冲区已降
计算机再向设备发送数据
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4.机械接口特性
DB－9连接器
TTL电平→RS-232C电平：MC1488
RS-232C电平→TTL电平：MC1489
26
（a）MC1488
（b）MC1489
27
MC1488/1489是功能单一的发送/接受器，在双向数 据传输中各端都要同时使用这两个器件，此外，又必 须同时具备正负两组电源，因此在很多场合很不方便。 现在有一些新型的RS-232C电平转换电路芯片。例如： 美国MAXIM公司生产的MAX RS-232C收发器芯片 系列十分丰富。
未定义，保留供DCE装置测试使用
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DB-9 and DB-25 RS-232 Pin Designations
Signal DCD RxD TxD DTR GND DSR RTS CTS RI
DB-9 1 2 3 4 5 6 7 8 9
DB-25 8 3 2 20 7 6 4 5 22
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硬件握手使用DSR、CTS、 DTR和RTS四条硬件线路。 其中DTR和RTS指的是计算 机上的RS-232端；而DSR和 CTS则是指带有RS-232接口 的智能设备。通过四条线的 交互作用，计算机主控端与 被控的设备端可以进行数据 的交流，而在数据传输太快 而无法处理时，可以通过这 四条握手线的高低电位的变 化来控制数据是继续发送还 是暂停发送。
第五章 通信原理及接口 电路设计
华东理工大学信息学院自动化系
1
本章主要内容：
5.1 概述 5.2 串行总线通信 5.3 并行通信及接口电路 5.4 通用串行总线接口 – USB 5.5 蓝牙（Bluetooth）技术 5.6 现场总线通信标准
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5.1 概述
控制系统的发展推动了智能仪表通信接口的 发展。仪表之间要进行信息交换和传输，这是通 过仪表的通信接口、按照一定的协议来实现的。 通信接口是各台仪表之间或仪表与PC机之间进行 信息交换和传输的联络装置。