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一、通信技术

    通信是指计算机与计算机或外围设备之间的数据传送。因此，这里的“信”是一种信息，是由数字“1”和“0”构成的具有一定规则并反映确定信息的一个数据或一批数据。数据通信涉及两台设备之间进行传输数据的问题。常用的数据通信方式有并行通信和串行通信两种。当距离较近而且要求传输速率较高时，通常采用并行通信的方式。当设备距离较远时，数据往往以串行方式传输。

    （一）并行通信和串行通信

    并行通信比较简单，可分为不同位数（宽度）的并行通信，如8位并行通信、16位并行通信等等。在并行数据传输中，8位并行通信有8个数据位同时从一个设备传送到另一个设备，发送设备将8个数据位通过8条数据线传送给接收设备。接收设备在收到这些数据后，不需经过任何改变就可以直接使用。并行通信的特点是数据的每位被同时传输出去或接收进来。

    串行通信其数据传输是逐位传输的，因而相同条件下，比并行通信传输速度要慢，但在实际应用中往往选择串行数据传输。因为串行通信发送或接收数据多只需两根导线，其一用于发送，另一用于接收。根据串行通信的不同工作方式，还可将发送接收线合二为一，成为发送/接收复用线（如半双工）。实现串行数据传输的硬件具有经济性和实用性。

    （二）串行数据传输方式

    在串行数据传输中，每次由源地传到目的地的数据只有一位，与同时传输好几位数据的并行数据传输相比，串行数据传输的传输速度要比并行传输慢。在串行数据传输中，各位逐次从源地送到目的地，这就要求在数据源和数据目的地之间进行同步，将各位、字符和报文区分开来。数据链路将控制实现两站点间的同步，它要求位、字符或报文从一个站点发送到另一个站点时要加上必要的附加信息，这些信息使得接收站和发送站中的硬件时钟得以同步，从而保证由源地发送的信号被目的地正确地识别出来。串行数据通信有两种数据传输方式，即异步串行数据传输和同步串行数据传输。

    异步通信：异步通信所传输的数据格式（也称为串行帧）由1个起始位，5、6、7或8个数据位，1、1.5、2个停止位和1个校验位组成。

    起始位约定为0，空闲位约定为1。

    异步通信的实质是指甲乙通信双方采用独立的时钟，每个数据均以起始位开始，停止位结束，起始位触发A、B双方同步时钟。每个异步串行帧中的1位彼此严格同步，位周期相同。

    异步通信依靠起始位、停止位保持通信同步，对硬件要求较低，实现起来比较简单、灵活。

    同步通信：同步通信所传输的数据格式（也称为同步串帧）是由多个数据构成的，每帧有两个（或一个）同步字符作为起始位以触发同步时钟开始发送或接收数据。空闲位需发送同步字符。

    同步通信依靠同步字符保持通信同步。数据组内数据与数据之间不需要插入同步字符，没有间隙，因而传输速度较快，但要求有准确的时钟来实现收发双方的严格同步，对硬件要求较高，适用于传送成批数据。

二、嵌入式MODEM的工作原理

    MODEM由发送、接收、控制、接口、操纵面板及电源等部分组成。数据终端设备以二进制串行信号形式提供发送的数据，经接口转换为内部逻辑电平送入发送部分，经调制电路调制成线路要求的信号向线路发送。接收部分接收来自线路的信号，经滤波、反调制、电平转换后还原成数字信号送入数字终端设备。

    电话线可以使通信的双方在相距几千公里的地方相互通话，是由于每隔一定距离都设有中继放大设备，保证话音清晰。在这些设备上若再配置MODEM，则能通电话的地方就可传输数据。一般电话线路的话音带宽在300～3400Hz范围，用它传送数字信号，其信号频率也必须在该范围。常用的调制方法有：频移键控（FSK）、相移键控（PSK、DPSK）、幅度调制（PAM、QAM）、脉冲编码调制（PCM）等。

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    MODEM通常有三种工作方式：挂机方式、通话方式、联机方式。电话线未接通是挂机方式；双方通过电话进行通话是通话方式；MODEM已联通，进行数据传输是联机方式。

    MODEM通电后，通常先进入挂机方式，通过电话拨号拨通线路后进入通话方式，后通过MODEM的“握手”过程进入联机方式。

    MODEM与计算机连接是数据电路终端设备DCE与数据终端设备DTE之间的接口问题。DCE与DTE之间的接口是计算机网络使用上的一个重要问题。

    （一）DTE和DCE

DTE（Data Terminal Equipment，数据终端设备），是具有一定数据处理能力及发送和接收数据能力的设备。DTE可以是一台计算机或终端，也可以是各种I/O设备。大多数数据处理终端设备的数据传输能力有限，如果将相距很远的两个DTE设备直接连接起来，往往不能进行通信，必须在DTE和传输线路之间加上一个称为数据电路终端设备（DCE，Data Circuit-terminal Equipment）的中间设备。DCE的作用就是在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码的功能，并且负责建立、保持和释放数据链路的连接。典型的DCE是与模拟电话线路相联接的MODEM。数字设备通过MODEM接入电话网络进行通信是利用模拟信号传输数字数据。

    （二）RS-232C串行口

    嵌入式MODEM通常都是通过RS-232C串行口信号线与计算机连接。RS-232允许一个发送设备连接到一个接收设备以传送资料；其原始规范的大传输速度为20Kbps，但事实上，现在的应用早已远超过这个速度范围。RS-232可说是相当简单的一种通信标准，若不使用硬件流控制，则多只需利用三根信号线，便可做到全双工的传输作业。

    RS-232C串行口信号分为三类：传送信号、联络信号和地线。

    1.传送信号：指TXD（发送数据信号线）和RXD（接收数据信号线）。

    2.联络信号：指RTS、CTS、DTR、DSR、DCD和RI六个信号，各自功能为：

        RTS（请求传送），是PC机向MODEM发出的联络信号。

        CTS（清除发送），是MODEM向PC机发出的联络信号。

        DTR（数据终端就绪），是PC机向MODEM发出的联络信号。

        DSR（数据准备就绪），是MODEM向PC机发出的联络信号。它指出本地MODEM的工作状态。

        DCD（传送检测），是MODEM向PC机发出的状态信号。

        RI（振铃指示），是MODEM向PC机发出的状态信号。

    3.地线信号（GND），为相连的主机和MODEM提供同一电势参考点。

三、调制和协议标准

    在通信领域中，协议（Protocol）指的是通信双方应遵守的一套共同的技术规则或规范。如果这套规则或规范被较多的用户接受，便可以称为标准（Standard）。

    MODEM基本的功能是调制和解调，近年来已发展出一系列技术标准；此外，现今的MODEM产品为提高传输速度，大都还将压缩和纠错技术引入其中。

    （一）标准MODEM协议

    MODEM的基本功能是在计算机提供的二进制数字信号与电话网支持的模拟信号之间进行转换，使计算机可以利用电话网进行远距离的数据通信。调制解调技术的核心就是如何在带宽有限（≤4KHz）的电话信道中提高数字信息的传输速度，这个速度常以比特率,即每秒钟传输的二进制位数（bits per second,简写为

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bps）来衡量。

    早的MODEM1958年由AT&T公司推出的Bell103，它采用简单的调频技术FSK（Frequency Shift Keying），仅提供300bps的传输速度。CCITT根据Bell103颁布了一个类似的技术标准V.21。

    20世纪70年代AT&T的Bell212采用调幅与调相结合的4—DPSK技术,实现了1200bps的传输速度。CCITT的一个类似标准称为V.22。Bell103（V.21）和Bell212（V.22）现在已很少使用，但为了与早期的MODEM兼容，不少MODEM仍将这两项技术集成在产品中，作为选项。

    20世纪80年代中期CCITT V.22 bis标准被大多数MODEM厂家采用，它的16-QAM（12个相位角和4个调幅相的正交调制）调制技术实现了2400bps的传输速度。接下来，CCITT又颁布了采用32-TCM（格栅编码调制）技术，可实现9600bps速度的V.32标准。CCITT于1991年颁布了V.32bis标准。V.32bis采用128—TCM调制技术,可以实现高14400bps的传输速度，并能根据线路质量的变化，退至12000 bps、9600bps、7200bps和4800bps等4个速度档进行工作。1993年，CCITT推出V.34标准，可实现28800bps的高速度，该标准还可按28.8K/26.4K/21.6K/19.2K/16.8K/14.4K/12K /9600/7200/4800bps等多个速度档降速工作。

    V.90是ITU-T制定的一个56Kbps数据传输标准。V.90使得MODEM能够在PSTN上以高达56Kbps的速率接收数据。V.90连接技术使用一条双向通道：上行通道和下行通道。V.90客户端MODEM的下行（接收）通道可以达到更高的传输速度56K。V.90标准可支持33.6Kbps的上行速率。

    （二）压缩和纠错技术的协议标准

    为了进一步提高MODEM对数据的传输速度，除了上述对调制解调技术的不断改进之外，数据压缩技术也在近年来被引入MODEM。纠错技术则是随着压缩技术的采用而被引入的。

    美国Microcom公司纠错和压缩协议常简写为MNP（Microcom Network Protocol），它由一系列独立的纠错和压缩协议组成。其中，MNP1～MNP4和MNP10是纠错协议，MNP5和MNP7是压缩协议。MNP已成为压缩纠错技术的工业标准。

    1988年，CCITT颁布了V.42纠错标准。V.42将MNP4作为它的一个选项。如果两台MODEM中的一台支持V.42，另一台支持MNP4，则二者可以自动协商执行MNP4的纠错处理。

    在数据压缩协议方面，MNP5和V.42bis为流行。CCITT于1989年颁布的V.42bis是一种更为有效的压缩协议。

    由于V.42bis具有自动测试功能，可以通过在线测试自动地在压缩模式与透明模式（不作压缩处理）之间进行切换，因此V.42bis的适应性比MNP5要好。

    压缩技术与纠错技术是紧密相关的，如果选择了V.42bis压缩协议，则MODEM将自动启用V.42纠错协议；而如果用MNP5压缩，则自然采用MNP纠错。

四、结语

    嵌入式MODEM能够具有传统的MODEM的所有功能，利用电话线（PSTN）解决数据传输问题，而且其体积小、可靠性高、灵活方便，非常适合用于通信量不太大的终端设备之间的通信。在配电自动化、远程抄表、税控POS机、银税POS机等方面都有广阔的应用前景，有很大的市场空间。

 工业现场经常要采集多点数据，模拟信号或开关信号，一般用到RS485总线，使用一主带多从的通信方式，该种方式接线方便只需要两根屏蔽电缆线，通信距离远大可支持1500m，加中继器还可延长通信距离，采用差分信号方式抗电磁干扰好。但该方式通信速度不能太快，一般采用主从召唤的方式采集各子单元的数据，即主单元依次召唤各子单元(见图1)，召唤到哪个单元哪个单元上传数据，总线的使用权完全由主单元分配，各子单元不能擅自占领总线。如果系统的单元多，主单元循环采集一周的时间就很长，子单元信息变化时不能及时发送给主单元，导致系统对突变事件的反应处理速度慢。本文通过总线状态检测、从机主动上发的方式解决。

　　图1 常规RS485总线主从方式接口图

　　硬件设计

　　整个系统由主单元和多个子单元组成(图2)，主单元包括：ARM7微控制器、程序存储器、数据存储器、与子单元通信RS485、与主单元通信RS485、系统电源和通信隔离电源；子单元包括：MSP430单片机、与子单元通信RS485、系统电源和通信隔离电源。

　　图2 系统框图

　　主单元

　　ARM微控制器是主单元的核心，采用三星32位ARM7TDMI内核芯片S3C44B0，该芯片高处理速度可达76MHZ，总线开放，可外扩程序存储器FLASH和数据存储器SDRAM，该系统外扩了SST公司生产的39VF1601和现代生产的HY57V641620HG，2个UART串行接口，使用ADI的隔离RS485芯片ADM2483进行接口电平转换，总线状态检测使用74HC125三态门芯片。

　　子单元

　　子单元的微控制器使用TI的MSP430F133单片机，该单片机处理速度可达8MHz，8K字节片内FLASH存储，256K字节片内SRAM。

　　电源电路

　　电源电路采用开关电源供电，开关电源输入电压范围比较宽，输出直流电压5V，通过SP1117-3.3和SP1117-2.5芯片输出3.3V电源。RS485需要的隔离5V电源通过DC-DC模块得到。

　　总线检测电路

　　总线状态检测使用74HC125三态门芯片和单片机的两个I/O(图3)，当系统都不使用总线时，每个单元的74HC125都输出高阻状态，此时总线为低电平，当有单元要使用总线时，他首先检测总线状态，如果总线为低电平，该单元迅速把74HC125改为输出状态，此时总线变为高电平，该单元占领总线，往总线上发送数据，发送数据完成再把74HC125改为高阻状态。如果检测到总线是高电平，等待检测，直到总线变低后再占领总线。

　　图3 总线检测电路

　　隔离485电路

　　使用ADI的ADM2483芯片进行接口电平转换(图4)，该芯片属于隔离485，双电源供电输入输出隔离。

　　图4 隔离485电路

　　软件设计

　　主机程序部分需要实现各从机上传数据的接收、处理和上传。主机接收子单元信息通过一个RS485串口实现，数据格式为16进制，数据位8位，1 个起始位，1个结束位，无寄偶校验位，波特率9600bps。采用串行口中断的方式接收，主机程序初始化完成后等待各从机发送信息，当主机接收到个字节后，判断该字节是否为设备号，如果不是设备号，接收个数清零，如果是设备号继续接收第二个字节；判定第二个字节是否为正确的功能码，如果功能码错误，接收个数清零重新接收，功能码正确；接收第三个字节，该字节为从单元发送信息的字节个数x，计算从单元发送总字节个数为M=X+3+2,3个开头字节和2个 CRC校验码，主机接收到M个字节后，首先判断CRC校验码是否正确，错误舍弃所有信息，正确则把从单元的信息保存到数据区，该次接收结束，主机继续等待接收。

　　信息的上传通过一个RS232串口实现。当主机接收到从机信息后，进行数据的处理，发现从单元信息发生变化，主机准备把从机信息发送到上位机，首先重新初始化发送缓冲区，然后通过中断的方式依次发送信息到上位机，发送信息包括设备号、功能码、发送字节个数、信息字节和CRC校验码。

　　主机单元接收数据流程图示于图5。

　　图5 程序流程图

　　结语

　　笔者所设计的系统实现了开关信号的多点监测，一个主机单元，32个从机单元，每个从机单元监测32个开关，该系统共可监测1024个开关，使用 9600bps的波特率。采用主从召换的方式，开关信号监测的反应时间一般要用20-30s，使用该种总线检测的方式，开关信号的反应速度慢也不超过 1s，快时只有几百ms，大大提高反应时间，并且由于不用时时召唤，总线数据流少，提高了总线的稳定性