電子秤的串口通訊與通信協(xié)議
所謂電子秤通信協(xié)議是指通信雙方的一種約定。約定包括對數(shù)據(jù)格式、同步方式、傳送速度、傳送步驟、檢糾錯方式以及控制字符定義等問題做出統(tǒng)一規(guī)定，通信雙方必須共同遵守。因此，也叫做通信控制規(guī)程，或稱傳輸控制規(guī)程，它屬于ISO'S OSI七層參考模型中的數(shù)據(jù)鏈路層。
目前，采用的通信協(xié)議有兩類：異步協(xié)議和同步協(xié)議。同步協(xié)議又有面向字符和面向比特以及面向字節(jié)計數(shù)三種。其中，面向字節(jié)計數(shù)的同步協(xié)議主要用于DEC公司的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中。
一、物理接口標(biāo)準(zhǔn)
1.電子秤串行通信接口的基本任務(wù)
（1）實現(xiàn)數(shù)據(jù)格式化：因為來自CPU的是普通的并行數(shù)據(jù)，所以，接口電路應(yīng)具有實現(xiàn)不同串行通信方式下的數(shù)據(jù)格式化的任務(wù)。在異步通信方式下，接口自動生成起止式的幀數(shù)據(jù)格式。在面向字符的同步方式下，接口要在待傳送的數(shù)據(jù)塊前加上同步字符。
（2）進(jìn)行串－并轉(zhuǎn)換：串行傳送，數(shù)據(jù)是一位一位串行傳送的，而計算機處理數(shù)據(jù)是并行數(shù)據(jù)。所以當(dāng)數(shù)據(jù)由計算機送至數(shù)據(jù)發(fā)送器時，首先把串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)才能送入計算機處理。因此串并轉(zhuǎn)換是串行接口電路的重要任務(wù)。
（3）控制數(shù)據(jù)傳輸速率：串行通信接口電路應(yīng)具有對數(shù)據(jù)傳輸速率——波特率進(jìn)行選擇和控制的能力。
（4）進(jìn)行錯誤檢測：在發(fā)送時接口電路對傳送的字符數(shù)據(jù)自動生成奇偶校驗位或其他校驗碼。在接收時，接口電路檢查字符的奇偶校驗或其他校驗碼，確定是否發(fā)生傳送錯誤。
（5）進(jìn)行TTL與EIA電平轉(zhuǎn)換：CPU和終端均采用TTL電平及正邏輯，它們與EIA采用的電平及負(fù)邏輯不兼容，需在接口電路中進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
（6）提供EIA-RS-232C接口標(biāo)準(zhǔn)所要求的信號線：遠(yuǎn)距離通信采用MODEM時，需要9根信號線；近距離零MODEM方式，只需要3根信號線。這些信號線由接口電路提供，以便與MODEM或終端進(jìn)行聯(lián)絡(luò)與控制。
2、電子秤串行通信接口電路的組成
為了完成上述串行接口的任務(wù)，串行通信接口電路一般由可編程的串行接口芯片、波特率發(fā)生器、EIA與TTL電平轉(zhuǎn)換器以及地址譯碼電路組成。其中，串行接口芯片，隨著大規(guī)模繼承電路技術(shù)的發(fā)展，通用的同步（USRT）和異步（UART）接口芯片種類越來越多，如下表所示。它們的基本功能是類似的，都能實現(xiàn)上面提出的串行通信接口基本任務(wù)的大部分工作，且都是可編程的。才用這些芯片作為串行通信接口電路的核心芯片，會使電路結(jié)構(gòu)比較簡單。
3.有關(guān)電子秤串行通信的物理標(biāo)準(zhǔn)
為使計算機、以及其他通信設(shè)備互相溝通，現(xiàn)在，已經(jīng)對串行通信建立了幾個一致的概念和標(biāo)準(zhǔn)，這些概念和標(biāo)準(zhǔn)屬于三個方面：傳輸率，電特性，信號名稱和接口標(biāo)準(zhǔn)。
（1）、傳輸率：所謂傳輸率就是指每秒傳輸多少位，傳輸率也常叫波特率。上規(guī)定了一個標(biāo)準(zhǔn)波特率系列，標(biāo)準(zhǔn)波特率也是zui常用的波特率，標(biāo)準(zhǔn)波特率系列為110、300、600、1200、4800、9600和19200。大多數(shù)CRT終端都能夠按110到9600范圍中的任何一種波特率工作。打印機由于機械速度比較慢而使傳輸波特率受到限制，所以，一般的串行打印機工作在110波特率，點針式打印機由于其內(nèi)部有較大的行緩沖區(qū)，所以可以按高達(dá)2400波特的速度接收打印信息。大多數(shù)接口的接收波特率和發(fā)送波特率可以分別設(shè)置，而且，可以通過編程來。
（2）、RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)：RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)對兩個方面作了規(guī)定，即信號電平標(biāo)準(zhǔn)和控制信號線的定義。RS-232－C采用負(fù)邏輯規(guī)定邏輯電平，信號電平與通常的TTL電平也不兼容，RS-232-C將-5V～-15V規(guī)定為“1”，+5V～+15V規(guī)定為“0”。
二、軟件協(xié)議
1.OSI協(xié)議和TCP/IP協(xié)議
（1）OSI協(xié)議
OSI七層參考模型不是通訊標(biāo)準(zhǔn)，它只給出一個不會由于技術(shù)發(fā)展而必須修改的穩(wěn)定模型，使有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議能在模型定義的范圍內(nèi)開發(fā)和相互配合。
一般的通訊協(xié)議只符合OSI七層模型的某幾層，如： EIA-RS-232-C：實現(xiàn)了物理層。 IBM的SDLC（同步數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程）：數(shù)據(jù)鏈路層。ANSI的ADCCP（*數(shù)據(jù)通訊規(guī)程）：數(shù)據(jù)鏈路層IBM的BSC（二進(jìn)制同步通訊協(xié)議）：數(shù)據(jù)鏈路層。應(yīng)用層的電子郵件協(xié)議SMTP只負(fù)責(zé)寄信、POP3只負(fù)責(zé)收信。
（2）TCP/IP協(xié)議
實現(xiàn)了五層協(xié)議。
（1）物理層：對應(yīng)OSI的物理層。
（2）網(wǎng)絡(luò)接口層：類似于OSI的數(shù)據(jù)鏈路層。
（3）Internet層：OSI模型在Internet網(wǎng)使用前提出，未考慮網(wǎng)間連接。
（4）傳輸層：對應(yīng)OSI的傳輸層。
（5）應(yīng)用層：對應(yīng)OSI的表示層和應(yīng)用層。
2.串行通信協(xié)議
串行通信協(xié)議分同步協(xié)議和異步協(xié)議。
（1）異步通信協(xié)議的實例——起止式異步協(xié)議
特點與格式：
起止式異步協(xié)議的特點是一個字符一個字符傳輸，并且傳送一個字符總是以起始位開始，以停止位結(jié)束，字符之間沒有固定的時間間隔要求。每一個字符的前面都有一位起始位（低電平，邏輯值0），字符本身有5～7位數(shù)據(jù)位組成，接著字符后面是一位校驗位（也可以沒有校驗位），zui后是一位，或意味半，或二位停止位，停止位后面是不定長度的空閑位。停止位和空閑位都規(guī)定為高電平（邏輯值），這樣就保證起始位開始處一定有一個下跳沿。
起／止位的作用：起始位實際上是作為聯(lián)絡(luò)信號附加進(jìn)來的，當(dāng)它變?yōu)榈碗娖綍r，告訴收方傳送開始。它的到來，表示下面接著是數(shù)據(jù)位來了，要準(zhǔn)備接收。而停止位標(biāo)志一個字符的結(jié)束，它的出現(xiàn)，表示一個字符傳送完畢。這樣就為通信雙方提供了何時開始收發(fā)，何時結(jié)束的標(biāo)志。傳送開始前，發(fā)收雙方把所采用的起止式格式（包括字符的數(shù)據(jù)位長度，停止位位數(shù)，有無校驗位以及是奇校驗還是偶校驗等）和數(shù)據(jù)傳輸速率作統(tǒng)一規(guī)定。傳送開始后，接收設(shè)備不斷地檢測傳輸線，看是否有起始位到來。當(dāng)收到一系列的“1”（停止位或空閑位）之后，檢測到一個下跳沿，說明起始位出現(xiàn)，起始位經(jīng)確認(rèn)后，就開始接收所規(guī)定的數(shù)據(jù)位和奇偶校驗位以及停止位。經(jīng)過處理將停止位去掉，把數(shù)據(jù)位拼裝成一個并行字節(jié)，并且經(jīng)校驗后，無奇偶錯才算正確的接收一個字符。一個字符接收完畢，接收設(shè)備有繼續(xù)測試傳輸線，監(jiān)視“0”電平的到來和下一個字符的開始，直到全部數(shù)據(jù)傳送完畢。
由上述工作過程可看到，異步通信是按字符傳輸?shù)模總鬏斠粋€字符，就用起始位來通知收方，以此來重新核對收發(fā)雙方同步。若接收設(shè)備和發(fā)送設(shè)備兩者的時鐘頻率略有偏差，這也不會因偏差的累積而導(dǎo)致錯位，加之字符之間的空閑位也為這種偏差提供一種緩沖，所以異步串行通信的可靠性高。但由于要在每個字符的前后加上起始位和停止位這樣一些附加位，使得傳輸效率變低了，只有約80%。因此，起止協(xié)議一般用在數(shù)據(jù)速率較慢的場合（小于19.2kbit/s）。在高速傳送時，一般要采用同步協(xié)議。
（2）面向字符的同步協(xié)議
特點與格式：這種協(xié)議的典型代表是IBM公司的二進(jìn)制同步通信協(xié)議（BSC）。它的特點是一次傳送由若干個字符組成的數(shù)據(jù)塊，而不是只傳送一個字符，并規(guī)定了10個字符作為這個數(shù)據(jù)塊的開頭與結(jié)束標(biāo)志以及整個傳輸過程的控制信息，它們也叫做通信控制字。由于被傳送的數(shù)據(jù)塊是由字符組成，故被稱作面向字符的協(xié)議。
特定字符（控制字符）的定義：由上面的格式可以看出，數(shù)據(jù)塊的前后都加了幾個特定字符。SYN是同步字符（synchronous Character），每一幀開始處都有SYN，加一個SYN的稱單同步，加兩個SYN的稱雙同步設(shè)置同步字符是起聯(lián)絡(luò)作用,傳送數(shù)據(jù)時,接收端不斷檢測,一旦出現(xiàn)同步字符,就知道是一幀開始了。接著的SOH是序始字符（Start Of Header），它表示標(biāo)題的開始。標(biāo)題中包括院地址、目的地址和路由指示等信息。STX是文始字符（Start Of Text），它標(biāo)志著傳送的正文（數(shù)據(jù)塊）開始。數(shù)據(jù)塊就是被傳送的正文內(nèi)容，由多個字符組成。數(shù)據(jù)塊后面是組終字符ETB（End Of Transmission Block）或文終字符ETX（End Of Text），其中ETB用在正文很長、需要分成若干個分?jǐn)?shù)據(jù)塊、分別在不同幀中發(fā)送的場合，這時在每個分?jǐn)?shù)據(jù)塊后面用文終字符ETX。一幀的zui后是校驗碼，它對從SOH開始到ETX（或ETB）字段進(jìn)行校驗，校驗方式可以是縱橫奇偶校驗或CRC。另外，在面向字符協(xié)議中還采用了一些其他通信控制字。
數(shù)據(jù)透明的實現(xiàn)：面向字符的同步協(xié)議，不象異步起止協(xié)議那樣，需要在每個字符前后附加起始和停止位，因此，傳輸效率提高了。同時，由于采用了一些傳輸控制字，故增強了通信控制能力和校驗功能。但也存在一些問題，例如，如何區(qū)別數(shù)據(jù)字符代碼和特定字符代碼的問題，因為在數(shù)據(jù)塊中*有可能出現(xiàn)與特定字符代碼相同的數(shù)據(jù)字符，這就會發(fā)生誤解。比如正文有個與文終字符ETX的代碼相同的數(shù)據(jù)字符，接收端就不會把它當(dāng)作為普通數(shù)據(jù)處理，而誤認(rèn)為是正文結(jié)束，因而產(chǎn)生差錯。因此，協(xié)議應(yīng)具有將特定字符作為普通數(shù)據(jù)處理的能力，這種能力叫做“數(shù)據(jù)透明”。為此，協(xié)議中設(shè)置了轉(zhuǎn)移字符DLE（Data Link Escape）。當(dāng)把一個特定字符看成數(shù)據(jù)時，在它前面要加一個DLE，這樣接收器收到一個DLE就可預(yù)知下一個字符是數(shù)據(jù)字符，而不會把它當(dāng)作控制字符來處理了。DLE本身也是特定字符，當(dāng)它出現(xiàn)在數(shù)據(jù)塊中時，也要在它前面加上另一個DLE。這種方法叫字符填充。字符填充實現(xiàn)起來相當(dāng)麻煩，且依賴于字符的編碼。正是由于以上的缺點，故又產(chǎn)生了新的面向比特的同步協(xié)議。
（3）面向比特的同步協(xié)議
特點與格式：面向比特的協(xié)議中有代表性的是IBM的同步數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程SDLC（Synchronous Data Link Control）,標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO（International Standard Organization）的數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程HDLC（High Level Data link Control）,美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（Americal National Standard Institute）的*數(shù)據(jù)通信規(guī)程ADCCP（Advanced Data Communication Control Procedure）。這些協(xié)議的特點是所傳輸?shù)囊粠瑪?shù)據(jù)可以是任意位，而且它是靠約定的位組合模式，而不是靠特定字符來標(biāo)志幀的開始和結(jié)束，故稱“面向比特”的協(xié)議。
幀信息的分段：SDLC/HDLC的一幀信息包括以下幾個場（Filed），所有場都是從有效位開始傳送。
（1）SDLC/HDLC標(biāo)志字符：SDLC/HDLC協(xié)議規(guī)定，所有信息傳輸必須以一個標(biāo)志字符開始，且以同一個字符結(jié)束。這個標(biāo)志字符是 01111110，稱標(biāo)志場（F）。從開始標(biāo)志到結(jié)束標(biāo)志之間構(gòu)成一個完整的信息單位，稱為一幀（Frame）。所有的信息是以幀的形傳輸?shù)模鴺?biāo)志字符提供了每一幀的邊界。接收端可以通過搜索“01111110”來探知幀的開頭和結(jié)束，以此建立幀同步。
（2）地址場和控制場：在標(biāo)志場之后，可以有一個地址場A（Address）和一個控制場C（Control）。地址場用來規(guī)定與之通信的次站的地址。控制場可規(guī)定若干個命令。SDLC規(guī)定A場和C場的寬度為8位或16位。接收方必須檢查每個地址字節(jié)的*位，如果為“0”，則后面跟著另一個地址字節(jié)；若為“1”，則該字節(jié)就是zui后一個地址字節(jié)。同理，如果控制場*個字節(jié)的*位為為“0”，則還有第二個控制場字節(jié)，否則就只有一個字節(jié)。
（3）信息場：跟在控制場之后的是信息場I（Information）。I場包含有要傳送的數(shù)據(jù)，并不是每一幀都必須有信息場。即數(shù)據(jù)場可以為0，當(dāng)它為0時，則這一幀主要是控制命令。
（4）幀校驗信息：緊跟在信息場之后的是兩字節(jié)的爭校驗，幀校驗場稱為FC（Frame Check）場或稱為幀校驗序列FCS（Frame check Squence）。SDLC/HDLC均采用16位循環(huán)冗余校驗碼CRC（Cyclic Redundancy Code）。除了標(biāo)志場和自動插入的“0”以外，所有的信息都參加CRC計算。
實際應(yīng)用時的兩個技術(shù)問題：
（1）“0”位插入/刪除：如上所述，SDLC/HDLC協(xié)議規(guī)定以01111110為標(biāo)志字節(jié)，但在信息場中也*有可能有同一種模式的字符，為了把它與標(biāo)志區(qū)分開來，所以采取了“0”位插入和刪除技術(shù)。具體作法是發(fā)送端在發(fā)送所有信息（除標(biāo)志字節(jié)外）時，只要遇到連續(xù)5個“1”，就自動插入一個“0”，當(dāng)接收端在接收數(shù)據(jù)時（除標(biāo)志字節(jié)）如果連續(xù)收到5個“1”，就自動將其后的一個“0”刪除是，以恢復(fù)信息的原有形式。這種“0”位的插入和刪除過程是由硬件自動完成的。
（2）SDLC/HDLC異常結(jié)束：若在發(fā)送過程中出現(xiàn)錯誤，則SDLC/HDLC協(xié)議常用異常結(jié)束（Abort）字符，或稱為失效序列使本幀作廢。在HDLC規(guī)程中，7個連續(xù)的“1”被作為失效字符，而在SDLC中失效字符是8個連續(xù)的“1”。當(dāng)然在試銷序列中不使用“0”位插入/刪除技術(shù)。SDLC/HDLC協(xié)議規(guī)定，在一幀之內(nèi)不允許出現(xiàn)數(shù)據(jù)間隔。在兩幀之間，發(fā)送器可以連續(xù)輸出標(biāo)志字符序列，也可以輸出連續(xù)的高電平，它被稱為空閑（Idle）信號。
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