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丨公开课丨串口那些事儿-基础篇
分享者：狂奔的蜗牛
一、硬件接口
串口和并口的区别
- 串并口是输入、输出接线插座的俗称，它位于主板上。
- 电脑连接打印机可用并行输出口，与其他电脑实施通讯都要用串行接口。并口多为25孔阴插座，串口是9针或25针阳插座。
- 串口与并口的传输方式不一样，串口传输是一位接一位的，象串起的珠子一样，并口是可以并发数据的，可以同时传输多位。
- 串行接口，简称串口，也就是COM接口，是采用串行通信协议的扩展接口。
- 并行接口，并行接口简称并口，也就是LPT接口，是采用并行通信协议的扩展接口。
现场总线层次和OPC简介
ISO七层网络模型
上图是一个通用的通信七层网络模型，工业上常用也就2层：物理层和应用层
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- 物理层常用接口类型– RS232（COM口）、RS485、RS422、RJ45(以太网口)、GPRS(3G/4G)、CAN– USB转RS232或485，RS232转RS485（安装驱动，虚拟出串口）– 板卡– 串口转以太网网关（串口服务器）
- 应用层标准协议Modbus、Profibus、Devicenet、自定义协议
- 如何理解？很多人容易弄混，下面打几个比方：快递>>– 应用层：包裹、信件
– 物理层：快递公司（韵达、顺丰、海陆空运输等）
文章>>
– 应用层：文字（中文、英文）
– 物理层：传输>甲骨、竹筒、纸张、Email、短信、微信、QQ
常用接口类型-RS232与RJ45
常用的台式机主机后面一般都自带2个COM口，默认都是RS 232，而RJ45接t口就是常说的网口。
DB9在设计时一定要注明公母头。
台式机、PLC、串口线，DB-9定义，/2收， /3发，/5交叉
232：接收端、发送端交叉接线
RJ45接口，就是所谓的水晶头。有100Mb、1Gb、10Gb，8根数据线。
家用的一般都是不带屏蔽的，工业上使用最好买带铜片屏蔽的。
RJ45早期有2种接线方式，586A和586B，现在由于芯片厂商优化了芯片，全部B接线方式，颜色色号顺序可以从下图中看出来。
普通的网络：1/2/3/6脚接线，其它脚不接，万兆网络其他4个也接上了。
网线类型有很多种：UTP/FTP/SFTP
- 非屏蔽双绞线(UTP):UTP无金属屏蔽材料，只有一层绝缘胶皮包裹，价格相对便宜，组网灵活，目前国内应用最多的布线系统，其线路优点是阻燃效果好，不容易引起火灾。适用于传输带宽250MHZ以下，没有特殊性能要求的网络应用。
- STP, Shielded Twisted Pair 屏蔽网络线；
- FTP, Foiled Twisted Pair, 铝箔屏蔽网络线； 前者是一个广义名字，后者是一个狭义名词。但实际上，目前屏蔽网络线就是铝箔屏蔽网络线，所以，STP、FTP实际上是一样的。相对于UTP，FTP/STP只是在芯线的外面多了一层铝箔，目的在于减少信号的衰减。带宽较大、抗干扰性能强，具有低烟无卤的特点。相对的，屏蔽线比非屏蔽线价格及安装成本要高一些，线缆弯曲性能稍差。 六类线及之前的屏蔽系统多采用这种形式。
- SFTP: 双屏蔽网络线。这种线的结构，是在FTP/STP的铝箔基础上，再加上一层镀锡铜编织网，最外面是PVC外被。由于多了一层镀锡铜编织网，可以大大减少外界磁场，信号的干扰，也可以减少内部信号的衰减，增加线缆的拉力。缺点在于这种线的柔软度很差，造价昂贵；这种线的价格一般是UTP的两倍。这种线只在特殊环境里使用。用量少。
六类网线通常指的是六类非屏蔽双绞线，超六类网线是在性能上都要比六类线上一个层次的网线。六类网线和超六类网线在结构上都增加了绝缘的十字骨架，并将双绞线的四对线缆分别置于十字骨架的四个凹槽内。
- CAT 6 六类网线
- CAT 6e 超六类网线 带塑料十字架 铝箔+铜网，超六类网线的线芯绞距更密些，而且导体也比较粗
- SFTP CAT6A 超六类双屏蔽网线 千兆网络 2-3元1米
- SFTP CAT7 七类双屏蔽网线 万兆网络 6-7元1米 直径0.58以上
常用接口类型-USB转RS232或485与RS232转RS485
介绍下串口转换工具，自动化人必备。如下图所示，网上很多这种接口转换设备，其实都一样，一个芯片(CH-340)用来电平转换，自带驱动，USB插入电脑后设备处理器里面会多出来一个虚拟的COM口
现场经常出差的同学肯定会带一根这样的线吧
常用接口类型-板卡
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接口PCI/PCIE
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COM口数量：2/4/8
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安装驱动才能出现COM口
工控机扩展COM口用，插电脑主板插槽上，外部加一根信号分配线。
常用接口类型-串口转以太网网关（串口服务器）
原理：现场设备串口转成以太网或者光纤接到电脑，电脑安装软件虚拟成串口，对于组态软件和plc编程软件来说，还是串口通信
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品牌：台湾moxa nport5100系列
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串口转GPRS或者3g、4g——城市自来水网、天然气网、电力网
好了，以上硬件接口就介绍完了，下面介绍通信原理。
二、通信原理
基础知识-TTL电平和CMOS电平
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- TTL电平（TRANSISITOR-TRANSISTOR LOGIC）晶体管-晶体管逻辑集成电路输出：+5V为逻辑1 0V为逻辑0输入：H:大于2.0V，高于2.0为1 L:小于1.2V，小于1.2为0数字电路课程中的，适合厘米级别，芯片传输，PCB板。
- 232电平不同于TTL和CMOS
EIA-RA-232C：EIA:美国电子工业协会
负逻辑 输出： -9V代表1，+9V代表0
RS232接口电平：
– 接收端：逻辑1（MARK）=-3到-15V，输出-9V
– 接收端：逻辑0（MARK）=3到15V，输出9V
只能1对1，即总线上只能挂2个设备，最大传输距离15m，接收和发送独立，全双工。
有几个特点：
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- 负逻辑，1bit起始位，8bit数据位，1bit停止位
- 起始位值：0 停止位值：1
- 数据为：0x55AA
- 波特率（Baud Rate），一秒传送多少bit位
基础知识-485
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- 485与232最大的区别我认为就是传输方式，232是两根线，接收发送可以同一时刻，485采用的是差分方式，虽然也是两根线，但芯片只认压差。下图是TI公司的一个文档，介绍了485传输最多同时带32个设备，并且波特率和传输距离也有关系
下图中RT为终端电阻，120欧0.25W，
发送端与接收端的定义，对于接收端，两根线的压差1.5V之外才算有信号，而对于接收端，两根线的压差200mV之外才算有信号。
为什么232传输的近？485传输的远呢？主要就是因为差分方式，传输路径产生的共模干扰，被差值减掉了。
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- 485通信优缺点– 理论传输距离：1200米– 理论最大波特率：10Mbps– 距离越长，波特率越小，15米最大1Mbps
– 半双工，双绞线（总线），只能干一个事情，被一个设备控制
– 同时刻要不只能主站发数据，所有从站接收
– 同时刻要不只能某个从站发数据，主站接收
– 对讲机，一个总指挥，多个干活的
缺陷：轮训机制
RS485类似1个皇帝N个妃子，一夫多妻制，挂的设备越多，数据更新就慢，32个设备，0.5s一个，也要16秒，主站才能轮训完所有设备
而RS232为一夫一妻制。
- 485双绞线电缆介绍RVS，S代表双绞线，麻花线，能够避免干扰，增加传输距离 RVSP：带屏蔽网 RVVSP:屏蔽双绞线，比RVSP多层护套，绝缘等效果好一些
一般现场施工，远距离都会放4芯线，2芯备用。截面积：0.5mm2以上，越远要求越粗，线越细阻抗越大，衰减越厉害 R=ρL/S，也可以省事直接用Prifibus电缆，西门子进口10元1米，国产3元1米，紫色pvc护套，铝箔纸，100%纯铜芯 2*0.64，128编织网。当然也有1平方的。
485与profibus区别：
输出电压：485是正负1.5V，profibus是正负2.1V，所以抗干扰能力更强，波特率更大，profibus可以达到40Mbps，232和485最大都是10Mbps
对于有上千米的传输要求时，可以用485转光纤，可自行百度一下，工业现场用的很多。
光纤口3种：SC/FC/ST
光纤2种：多模、单摸
基础知识-422和以太网
- 422比485出现的早，应用范围小
- 区别：两对双绞线，1对发，1对收，全双工
485是一根双绞线，422是两根，刚才说到485同一时间要么收，要么发，422两根可以同时收发，所以他是全双工，还有个不同的地方：输出±2V，不同于485，1.5V，接收200mv，以太网也是双绞线差分传输，千兆网络把4,5，7,8也用上了。
二、软件接口
什么是OPC？
OPC大家应该不陌生了，为啥要有OPC呢？世界这么大，这么多厂商，各家为政，我们不可能每次都为不同的设备开发一款驱动。
OPC了解后来看下工业现场总线
现有的总线类型达2~30种，例如常见的：
Controlnet=AB公司
Profibus profinet=西门子公司
Modbus rtu tcp=施耐德公司
工业总线网络可归为三类：485网络、HART网络、FieldBus现场总线网络。
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485网络：RS485/MODBUS是现在流行的一种工业组网方式，其特点是实施简单方便，而且支持RS485的仪表又特别多。仪表商也纷纷转而支持RS485/MODBUS，原因很简单， RS485的转换接口不仅便宜而且种类繁多。至少在低端市场上，RS485/MODBUS仍将是最主要的工业组网方式。
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HART网络：HART是由艾默生提出的一个过渡性总线标准，主要特征是在4-20毫安电流信号上面叠加数字信号，但该协议并未真正开放，要加入他的基金会才能拿到协议，而加入基金会要一定的费用。HART技术主要被国外几家大公司垄断，近些年国内也有公司在做，但还没有达到国外公司的水平。有很多智能仪表带有[HART圆卡]，支持HART通讯功能。但从国内情况来看，还没有真正用到这部分功能来进行设备联网监控，最多只是利用手操器对其进行参数设定。从长远来看，由于HART通信速率低、组网困难等原因，HART仪表的应用将呈下滑趋势。
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FieldBus现场总线网络：现场总线是当今自动化领域的热点技术之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现标志着自动化控制技术又一个新时代的开始。现场总线是连接控制现场的仪表与控制室内的控制装置的数字化、串行、多站通信的网络。其关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字化通信。现场总线技术成为国际上自动化和仪器仪表发展的热点，它的出现使传统的控制系统结构产生了革命性的变化，使自控系统朝着“智能化、数字化、信息化、网络化、分散化”的方向进一步迈进，形成新型的网络通信的全分布式控制系统——现场总线控制系统FCS(Fieldbus Control System)。然而，现场总线还没有形成真正统一的标准，ProfiBus、CANbus、CC-Link等多种标准并行存在，并且都有自己的生存空间。何时统一，遥遥无期。支持现场总线的仪表种类还比较少，可供选择的余地小，价格又偏高，用量也较小。
这么多类型的总线，把设备比喻成一把锁，驱动比喻成1把钥匙，正确的钥匙才能开对应的锁，那么OPC就是一把钥匙串.
做过OPC server或client开发的同学知道，分三层结构：
Server是一个班级
group是一个组
item是一个学生
OPC基金会官网：
https://opcfoundation.org/
http://opcfoundation.cn/about/opc-foundation/history/index.aspx
https://www.opcconnect.com/index.php?q=source.php
主要的厂商有：kepware、wintech、matrikon OPC、Light OPC。TOP Server OPC与kepware分家，研发部分开了。
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OPC server开发包
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Wintech公司WTOPCsvr.dll
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Iconics和FactorySoft 的服务器开发工具
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IFIX的OPC Server Toolkit
下面我们在来理解下传输协议：
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搭建测试环境
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数据帧
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Modbus RTU数据传输协议
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1.搭建测试环境
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Win7 32位
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VSPD虚拟串口
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Modsim32仿真plc或设备
2.数据帧：
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画、胶片、快递包
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数据包（快递包）由三部分组成，头部，数据，尾部
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基础知识：8bit=1byte，4个bit组成1个16进制位
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Byte用十六进制表示
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1个byte是2个16进制位
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传输1个byte需要11bit，起始位，结束为，校验位
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数据帧和字节byte之间的关系：byte相当于汉子，数据帧相当于短信
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数据帧之间如何隔断：时间，modbus是3.5个byte传输时间，差不多4ms，1/9600*11*3.5
文章底部附着Honeywell写的ModeBus集成指南，比官方要好。
ModeBus是莫迪康公司提出的公开协议，接下来公司被施耐德收购，主要关注两点：去哪里？去干什么？
去哪里：设备编号、设备内部数据编号。
去干什么：读、写
这张图可以解释为什么有的上位机软件地址是400100，有的是40010.
分为六位和五位，标法不一样。
另外其功能码要牢记，蓝色的为常用的。
Modbus RTU
数据帧是多个数据的组合，不同的协议规定不同，可以理解成，数据是一个汉字，数据帧是一个短信。由三部分组成：头部+数据+尾部
数据帧的构成，传输1个byte需要11bit，起始位+结束位+校验校正。
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帧首：设备地址1-247,1个byte
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帧尾：循环冗余校验（CRC），2个byte
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CRC校验和奇偶校验区别： CRC检验数据帧，奇偶校验一个Byte
同一个串口，只能一个软件占用，有的数据位是7位的另算，大部分都是8位。
3.数据的传输协议：
CRC校验占2个Byte
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低8位先传输
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高8位后传输
PDU里面的数据，地址
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高8位先传输
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低8位后传输
为什么要约定协议呢？
协议可以理解成语言，汉语、英语、日语等，你说汉语、我说英语，互相听不懂。
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好了，今天的基础课程就到这里，下一节将分享：如何使用VB开发监控软件。
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