串行通信的基础知识

1．CAN总线是什么？CAN（Controller Area Network）是ISO国际标准化的串行通信协议。

广泛应用于汽车、船舶等。

具有已经被大家认可的高性能和可靠性。

CAN控制器通过组成总线的2根线（CAN-H和CAN-L）的电位差来确定总线的电平，在任一时刻，总线上有2种电平：显性电平和隐性电平。

“显性”具有“优先”的意味，只要有一个单元输出显性电平，总线上即为显性电平，并且，“隐性”具有“包容”的意味，只有所有的单元都输出隐性电平，总线上才为隐性电平。

（显性电平比隐性电平更强）。

总线上执行逻辑上的线“与”时，显性电平的逻辑值为“0”，隐性电平为“1”。

下图显示了一个典型的CAN拓扑连接图。

连接在总线上的所有单元都能够发送信息，如果有超过一个单元在同一时刻发送信息，有最高优先级的单元获得发送的资格，所有其它单元执行接收操作。

2．CAN总线的特点CAN总线协议具有下面的特点：1) 多主控制当总线空闲时，连接到总线上的所有单元都可以启动发送信息，这就是所谓的多主控制的概念。

先占有总线的设备获得在总线上进行发送信息的资格。

这就是所谓的CSMA/CR（Carrier Sense MultipleAccess/Collosion Avoidance）方法如果多个设备同时开始发送信息，那么发送最高优先级ID消息的设备获得发送资格。

2) 信息的发送在CAN协议中，所有发送的信息要满足预先定义的格式。

当总线没有被占用的时候，连接在总线上的任何设备都能起动新信息的传输，如果两个或更多个设备在同时刻启动信息的传输，通过ID来决定优先级。

ID并不是指明信息发送的目的地，而是指示信息的优先级。

如果2个或者更多的设备在同一时刻启动信息的传输，在总线上按照信息所包含的ID的每一位来竞争，赢得竞争的设备（也就是具有最高优先级的信息）能够继续发送，而失败者则立刻停止发送并进入接收操作。

因为总线上同一时刻只可能有一个发送者，而其它均处于接收状态，所以，并不需要在底层协议中定义地址的概念。

串口通信基础实训的主要内容
串口通信基础实训的主要内容通常包括以下几个方面：
1. 串口通信基本概念：了解串口通信的基本原理，包括串行通信和并行通信的区别，串口通信的优点和应用场景等。

2. 串口通信协议：学习各种常见的串口通信协议，如RS-232、RS-485、SPI、I2C等，了解它们的通信规则、数据格式、信号线定义等。

3. 串口通信硬件：了解串口通信所需的硬件设备，如串口线缆、串口转换器、串口服务器等，并掌握如何连接和配置这些硬件设备。

4. 串口通信软件：学习如何使用各种串口通信软件，如串口调试助手、终端仿真器等，以便进行串口通信的测试和调试。

5. 串口通信编程：学习如何在各种编程语言中实现串口通信，如C/C++、Python、Java等，通过编写程序来进行数据的发送和接收。

6. 故障排查与维护：了解如何排查和解决串口通信中可能出现的问题，包括信号干扰、通信不稳定、数据丢失等。

7. 实际应用案例：通过分析和解决实际应用案例，如工业控制、智能家居等领域的串口通信应用，加深对串口通信的理解和应用能力。

通过以上实训内容的学习和实践，可以帮助学生掌握串口通信的基本知识和技能，为后续的专业学习和实际工作打下坚实的基础。

PART1——CAN1 CAN 基础知识CAN 总线是一种通用的串行通信协议，包含OSI 网络模型中的物理层和数据链路层，全部通过硬件来实现。

CAN 总线不分主从，每个节点只要需要，都可作为主站，向网络上其他节点发送信息。

物理层主要是通过CAN 收发器来实现。

1.1 CAN 收发器CAN 收发器安装在CAN 控制器内部，负责逻辑信号和电信号的转换，也即信息的收发。

将逻辑信号转为电信号，并将其送入传输线；或者，将传输线的电信号转为逻辑信号。

传输线跟电线一样，分一高一低，即CANH 和CANL 。

TIPS ：电信号，指随着时间而变化的电压或电流CAN 收发器如图1.1所示。

由一个电路进行控制，也意味着控制单元的某个时间段只能进行一个操作，收或者发。

图1.1 收发器原理图开关闭合输出低电平，用逻辑“0”来表示，即显性电平； 开关断开输出高电平，用逻辑“1”来表示，即隐性电平。

当总线上连接有多个节点时，只要其中1个节点输出低电平，则总线激活，总线电平为低电平；总线上所有节点都输出高电平时，总线电平才为高电平，此时总线未激活。

原理如图1.2所示。

图1.2 多节点收发器原理图1.2 CAN 总线终端电阻CAN 网络中，网络的源端（起始节点）和末端需各安装一个终端电阻。

注：上图所示电阻并非终端电阻。

有两种接法，一般采用左图接法，如图1.3所示，左边高速，右边低速。

主要作用是:● 提高总线抗干扰能力 ● 提高信号质量。

通过终端电阻来消除在通信电缆中的信号反射，在通信过程中，有两种原因导致信号反射：阻抗不连续和阻抗不匹配。

阻抗不连续，信号在传输线末端突然遇到电缆阻抗很小甚至没有，信号在这个地方就会引起反射。

数据收发器与传输电缆之间的阻抗不匹配，这种原因引起的反射，主要表现在通讯线路处在空闲方式时，整个网络数据混乱，为了提高网络节点的拓扑能力，CAN 总线两端需要接有120Ω的抑制反射的终端电阻。

图1.3 两种终端电阻接线方式1.3 CAN 报文CAN 总线的报文有5种类型，数据帧、远程帧、错误帧、过载帧和帧间隔。

根据信息的传双工和全双工的定义
• 如果在通信过程的任意时刻，信息只能由一方A传到 另一方B，则称为单工。
• 如果在任意时刻，信息既可由A传到B，又能由B传A， 但只能由一个方向上的传输存在，称为半双工传输。
• 如果在任意时刻，线路上存在A到B和B到A的双向信 号传输，则称为全双工。
如回线传输。
串行通信接口标准及基础知识界
串行通信接口标准经过使用和发展，目前已经有几种（如RS-422/485等）。 但都是在 RS-232标准的基础上经过改进而形成的。所以，以RS-232C为主来 讨论。RS-323C标准是美国EIA(电子工业联合会）与BELL等公司一起开发的 1969年公布的通信协议。它适合于数据传输速率在0～20000b/s范围内的通信。 这个标准对串行通信接口的有关问题，如信号线功能、电器特性都作了明确 规定。由于通行设备厂商都生产与RS-232C制式兼容的通信设备，因此，它作 为一种标准，目前已在微机通信接口中广泛采用。 在讨论RS-232C接口标准 的内容之前，先说明两点：
我主要是以实例讲解为主,而理论的内容只做附带讲解. 另外,本讲义对两种通信协议及实现方法的讲解是基于生产线将导入使用的
RS-232转I2C通信的通信板来讲解,包括上位机对RS-232端口的编程接口及 下位机I2C通信部分的编程.
RS-232通信
串行通信的相关概念 接口标准及相关基础知识 RS-232C接口的电气特性 RS-232C连接器的机械特性 RS-232C的接口信号
低于-3V，逻辑“0”（空号）的电平高于+3V；对于控制信号；接通状态（ON）即信号有效的电平高 于+3V，断开状态(OFF)即信号无效的电平低于-3V，也就是当传输电平的绝对值大于3V时，电路可以 有效地检查出来，介于-3~+3V之间的电压无意义，低于-15V或高于+15V的电压也认为无意义，因此， 实际工作时，应保证电平在±(3~15)V之间。 EIA-RS-232C与TTL转换：EIA-RS-232C是用正负电压来表示逻辑状态，与TTL以高低电平表示逻辑状 态的规定不同。因此，为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接，必须在EIA-RS-232C与TTL电路 之间进行电平和逻辑关系的变换。实现这种变换的方法可用分立元件，也可用集成电路芯片。目前 较为广泛地使用集成电路转换器件，如MC1488、SN75150芯片可完成TTL电平到EIA电平的转换，而 MC1489、SN75154可实现EIA电平到TTL电平的转换。MAX232芯片可完成TTL←→EIA双向电平转换，图 1显示了1488和1489的内部结构和引脚。MC1488的引脚(2)、(4,5)、(9,10)和(12,13)接TTL输入。引 脚3、6、8、11输出端接EIA-RS-232C。MC1498的14的1、4、10、13脚接EIA输入，而3、6、8、11脚 接TTL输出。具体连接方法如图2所示。图中的左边是微机串行接口电路中的主芯片UART，它是TTL器 件，右边是EIA-RS-232C连接器，要求EIA高电压。因此，RS-232C所有的输出、输入信号都要分别经 过MC1488和MC1498转换器，进行电平转换后才能送到连接器上去或从连接器上送进来，而MAX232系 列芯片则可以实现双向转换，且可以单电源工作。