公開課
丨公開課丨串口那些事兒-基礎篇
分享者：狂奔的蝸牛
一、硬體接口
串口和並口的區別
串並口是輸入、輸出接線插座的俗稱，它位於主板上。
電腦連接印表機可用並行輸出口，與其他電腦實施通訊都要用串行接口。並口多為25孔陰插座，串口是9針或25針陽插座。
串口與並口的傳輸方式不一樣，串口傳輸是一位接一位的，象串起的珠子一樣，並口是可以並發數據的，可以同時傳輸多位。
串行接口，簡稱串口，也就是COM接口，是採用串行通信協議的擴展接口。
並行接口，並行接口簡稱並口，也就是LPT接口，是採用並行通信協議的擴展接口。
現場總線層次和OPC簡介
ISO七層網絡模型
上圖是一個通用的通信七層網絡模型，工業上常用也就2層：物理層和應用層
物理層常用接口類型
- RS232（COM口）、RS485、RS422、RJ45(乙太網口)、GPRS(3G/4G)、CAN
- USB轉RS232或485，RS232轉RS485（安裝驅動，虛擬出串口）
- 板卡
- 串口轉乙太網網關（串口伺服器）
應用層
標準協議Modbus、Profibus、Devicenet、自定義協議
如何理解？
很多人容易弄混，下面打幾個比方：
快遞>>
- 應用層：包裹、信件
- 物理層：快遞公司（韻達、順豐、海陸空運輸等）
文章>>
- 應用層：文字（中文、英文）
- 物理層：傳輸>甲骨、竹筒、紙張、Email、簡訊、微信、QQ
常用接口類型-RS232與RJ45
常用的臺式機主機後面一般都自帶2個COM口，默認都是RS 232，而RJ45接t口就是常說的網口。
DB9在設計時一定要註明公母頭。
臺式機、PLC、串口線，DB-9定義，/2收， /3發，/5交叉
232：接收端、發送端交叉接線
RJ45接口，就是所謂的水晶頭。有100Mb、1Gb、10Gb，8根數據線。
家用的一般都是不帶屏蔽的，工業上使用最好買帶銅片屏蔽的。
RJ45早期有2種接線方式，586A和586B，現在由於晶片廠商優化了晶片，全部B接線方式，顏色色號順序可以從下圖中看出來。
普通的網絡：1/2/3/6腳接線，其它腳不接，萬兆網絡其他4個也接上了。
網線類型有很多種：UTP/FTP/SFTP
非屏蔽雙絞線(UTP):UTP無金屬屏蔽材料，只有一層絕緣膠皮包裹，價格相對便宜，組網靈活，目前國內應用最多的布線系統，其線路優點是阻燃效果好，不容易引起火災。適用於傳輸帶寬250MHZ以下，沒有特殊性能要求的網絡應用。
STP, Shielded Twisted Pair 屏蔽網絡線；
FTP, Foiled Twisted Pair, 鋁箔屏蔽網絡線； 前者是一個廣義名字，後者是一個狹義名詞。但實際上，目前屏蔽網絡線就是鋁箔屏蔽網絡線，所以，STP、FTP實際上是一樣的。相對於UTP，FTP/STP只是在芯線的外面多了一層鋁箔，目的在於減少信號的衰減。帶寬較大、抗幹擾性能強，具有低煙無滷的特點。相對的，屏蔽線比非屏蔽線價格及安裝成本要高一些，線纜彎曲性能稍差。 六類線及之前的屏蔽系統多採用這種形式。
SFTP: 雙屏蔽網絡線。這種線的結構，是在FTP/STP的鋁箔基礎上，再加上一層鍍錫銅編織網，最外面是PVC外被。由於多了一層鍍錫銅編織網，可以大大減少外界磁場，信號的幹擾，也可以減少內部信號的衰減，增加線纜的拉力。缺點在於這種線的柔軟度很差，造價昂貴；這種線的價格一般是UTP的兩倍。這種線只在特殊環境裡使用。用量少。
六類網線通常指的是六類非屏蔽雙絞線，超六類網線是在性能上都要比六類線上一個層次的網線。六類網線和超六類網線在結構上都增加了絕緣的十字骨架，並將雙絞線的四對線纜分別置於十字骨架的四個凹槽內。
CAT 6 六類網線
CAT 6e 超六類網線 帶塑料十字架 鋁箔+銅網，超六類網線的線芯絞距更密些，而且導體也比較粗
SFTP CAT6A 超六類雙屏蔽網線 千兆網絡 2-3元1米
SFTP CAT7 七類雙屏蔽網線 萬兆網絡 6-7元1米 直徑0.58以上
常用接口類型-USB轉RS232或485與RS232轉RS485
介紹下串口轉換工具，自動化人必備。如下圖所示，網上很多這種接口轉換設備，其實都一樣，一個晶片(CH-340)用來電平轉換，自帶驅動，USB插入電腦後設備處理器裡面會多出來一個虛擬的COM口
現場經常出差的同學肯定會帶一根這樣的線吧
常用接口類型-板卡
接口PCI/PCIE
COM口數量：2/4/8
安裝驅動才能出現COM口
工控機擴展COM口用，插電腦主板插槽上，外部加一根信號分配線。
常用接口類型-串口轉乙太網網關（串口伺服器）
原理：現場設備串口轉成乙太網或者光纖接到電腦，電腦安裝軟體虛擬成串口，對於組態軟體和plc編程軟體來說，還是串口通信
好了，以上硬體接口就介紹完了，下面介紹通信原理。
二、通信原理
基礎知識-TTL電平和CMOS電平
TTL電平（TRANSISITOR-TRANSISTOR LOGIC）電晶體-電晶體邏輯集成電路
輸出：+5V為邏輯1 0V為邏輯0
輸入：H:大於2.0V，高於2.0為1 L:小於1.2V，小於1.2為0
數字電路課程中的，適合釐米級別，晶片傳輸，PCB板。
232電平不同於TTL和CMOS
EIA-RA-232C：EIA:美國電子工業協會
負邏輯 輸出： -9V代表1，+9V代表0
RS232接口電平：
- 接收端：邏輯1（MARK）=-3到-15V，輸出-9V
- 接收端：邏輯0（MARK）=3到15V，輸出9V
只能1對1，即總線上只能掛2個設備，最大傳輸距離15m，接收和發送獨立，全雙工。
有幾個特點：
負邏輯，1bit起始位，8bit數據位，1bit停止位
起始位值：0 停止位值：1
數據為：0x55AA
波特率（Baud Rate），一秒傳送多少bit位
基礎知識-485
485與232最大的區別
我認為就是傳輸方式，232是兩根線，接收發送可以同一時刻，485採用的是差分方式，雖然也是兩根線，但晶片只認壓差。下圖是TI公司的一個文檔，介紹了485傳輸最多同時帶32個設備，並且波特率和傳輸距離也有關係
下圖中RT為終端電阻，120歐0.25W，
發送端與接收端的定義，對於接收端，兩根線的壓差1.5V之外才算有信號，而對於接收端，兩根線的壓差200mV之外才算有信號。
為什麼232傳輸的近？485傳輸的遠呢？主要就是因為差分方式，傳輸路徑產生的共模幹擾，被差值減掉了。
485通信優缺點
- 理論傳輸距離：1200米
- 理論最大波特率：10Mbps
- 距離越長，波特率越小，15米最大1Mbps
- 半雙工，雙絞線（總線），只能幹一個事情，被一個設備控制
- 同時刻要不只能主站發數據，所有從站接收
- 同時刻要不只能某個從站發數據，主站接收
- 對講機，一個總指揮，多個幹活的
缺陷：輪訓機制
RS485類似1個皇帝N個妃子，一夫多妻制，掛的設備越多，數據更新就慢，32個設備，0.5s一個，也要16秒，主站才能輪訓完所有設備
而RS232為一夫一妻制。
485雙絞線電纜介紹
RVS，S代表雙絞線，麻花線，能夠避免幹擾，增加傳輸距離
RVSP：帶屏蔽網
RVVSP:屏蔽雙絞線，比RVSP多層護套，絕緣等效果好一些
一般現場施工，遠距離都會放4芯線，2芯備用。截面積：0.5mm2以上，越遠要求越粗，線越細阻抗越大，衰減越厲害 R=ρL/S，也可以省事直接用Prifibus電纜，西門子進口10元1米，國產3元1米，紫色pvc護套，鋁箔紙，100%純銅芯 2*0.64，128編織網。當然也有1平方的。
485與profibus區別：
輸出電壓：485是正負1.5V，profibus是正負2.1V，所以抗幹擾能力更強，波特率更大，profibus可以達到40Mbps，232和485最大都是10Mbps
對於有上千米的傳輸要求時，可以用485轉光纖，可自行百度一下，工業現場用的很多。
光纖口3種：SC/FC/ST
光纖2種：多模、單摸
基礎知識-422和乙太網
422比485出現的早，應用範圍小
區別：兩對雙絞線，1對發，1對收，全雙工
485是一根雙絞線，422是兩根，剛才說到485同一時間要麼收，要麼發，422兩根可以同時收發，所以他是全雙工，還有個不同的地方：輸出±2V，不同於485，1.5V，接收200mv，乙太網也是雙絞線差分傳輸，千兆網絡把4,5，7,8也用上了。
二、軟體接口
什麼是OPC？
OPC大家應該不陌生了，為啥要有OPC呢？世界這麼大，這麼多廠商，各家為政，我們不可能每次都為不同的設備開發一款驅動。
OPC了解後來看下工業現場總線
現有的總線類型達2~30種，例如常見的：
Controlnet=AB公司
Profibus profinet=西門子公司
Modbus rtu tcp=施耐德公司
工業總線網絡可歸為三類：485網絡、HART網絡、FieldBus現場總線網絡。
485網絡：RS485/MODBUS是現在流行的一種工業組網方式，其特點是實施簡單方便，而且支持RS485的儀表又特別多。儀表商也紛紛轉而支持RS485/MODBUS，原因很簡單， RS485的轉換接口不僅便宜而且種類繁多。至少在低端市場上，RS485/MODBUS仍將是最主要的工業組網方式。
HART網絡：HART是由艾默生提出的一個過渡性總線標準，主要特徵是在4-20毫安電流信號上面疊加數位訊號，但該協議並未真正開放，要加入他的基金會才能拿到協議，而加入基金會要一定的費用。HART技術主要被國外幾家大公司壟斷，近些年國內也有公司在做，但還沒有達到國外公司的水平。有很多智能儀錶帶有[HART圓卡]，支持HART通訊功能。但從國內情況來看，還沒有真正用到這部分功能來進行設備聯網監控，最多只是利用手操器對其進行參數設定。從長遠來看，由於HART通信速率低、組網困難等原因，HART儀表的應用將呈下滑趨勢。
FieldBus現場總線網絡：現場總線是當今自動化領域的熱點技術之一，被譽為自動化領域的計算機區域網。它的出現標誌著自動化控制技術又一個新時代的開始。現場總線是連接控制現場的儀表與控制室內的控制裝置的數位化、串行、多站通信的網絡。其關鍵標誌是能支持雙向、多節點、總線式的全數位化通信。現場總線技術成為國際上自動化和儀器儀表發展的熱點，它的出現使傳統的控制系統結構產生了革命性的變化，使自控系統朝著「智能化、數位化、信息化、網絡化、分散化」的方向進一步邁進，形成新型的網絡通信的全分布式控制系統——現場總線控制系統FCS(Fieldbus Control System)。然而，現場總線還沒有形成真正統一的標準，ProfiBus、CANbus、CC-Link等多種標準並行存在，並且都有自己的生存空間。何時統一，遙遙無期。支持現場總線的儀表種類還比較少，可供選擇的餘地小，價格又偏高，用量也較小。
這麼多類型的總線，把設備比喻成一把鎖，驅動比喻成1把鑰匙，正確的鑰匙才能開對應的鎖，那麼OPC就是一把鑰匙串.
做過OPC server或client開發的同學知道，分三層結構：
Server是一個班級
group是一個組
item是一個學生
OPC基金會官網：
https://opcfoundation.org/
http://opcfoundation.cn/about/opc-foundation/history/index.aspx
https://www.opcconnect.com/index.php?q=source.php
主要的廠商有：kepware、wintech、matrikon OPC、Light OPC。TOP Server OPC與kepware分家，研發部分開了。
下面我們在來理解下傳輸協議：
搭建測試環境
數據幀
Modbus RTU數據傳輸協議
1.搭建測試環境
Win7 32位
VSPD虛擬串口
Modsim32仿真plc或設備
2.數據幀：
畫、膠片、快遞包
數據包（快遞包）由三部分組成，頭部，數據，尾部
基礎知識：8bit=1byte，4個bit組成1個16進位位
Byte用十六進位表示
1個byte是2個16進位位
傳輸1個byte需要11bit，起始位，結束為，校驗位
數據幀和字節byte之間的關係：byte相當於漢子，數據幀相當於簡訊
數據幀之間如何隔斷：時間，modbus是3.5個byte傳輸時間，差不多4ms，1/9600*11*3.5
文章底部附著Honeywell寫的ModeBus集成指南，比官方要好。
ModeBus是莫迪康公司提出的公開協議，接下來公司被施耐德收購，主要關注兩點：去哪裡？去幹什麼？
去哪裡：設備編號、設備內部數據編號。
去幹什麼：讀、寫
這張圖可以解釋為什麼有的上位機軟體地址是400100，有的是40010.
分為六位和五位，標法不一樣。
另外其功能碼要牢記，藍色的為常用的。
Modbus RTU
數據幀是多個數據的組合，不同的協議規定不同，可以理解成，數據是一個漢字，數據幀是一個簡訊。由三部分組成：頭部+數據+尾部
數據幀的構成，傳輸1個byte需要11bit，起始位+結束位+校驗校正。
同一個串口，只能一個軟體佔用，有的數據位是7位的另算，大部分都是8位。
3.數據的傳輸協議：
CRC校驗佔2個Byte
PDU裡面的數據，地址
為什麼要約定協議呢？
協議可以理解成語言，漢語、英語、日語等，你說漢語、我說英語，互相聽不懂。
以上文件都可從頁底的下載連結中獲取。
好了，今天的基礎課程就到這裡，下一節將分享：如何使用VB開發監控軟體。
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