串行通信技術：面向嵌入式系統開發（簡體書）

本書主要介紹面向嵌入式開發的串行通信技術，從芯片和電路板入手介紹硬件，從源代碼入手介紹軟件，以便讀者可以將這些技術嵌入自己的設計中。本書既包括理論基礎，也包含實際產品設計方案。首先介紹串行通信協議、Modbus協議、HART協議，然後介紹RS-485串行通信的組網技術和通信轉換器產品等內容，接著重點介紹以太網串口服務器的硬件和軟件設計，以便讀者進行嵌入式系統的開發。本書公開了實用的Modbus串口協議轉換器和Modbus數據采集模塊的全套設計資料，以及幾種HART智能變送器的全套設計方案，作者還將自己的多項USB專利技術在本書中予以公開，如USB光纖傳輸技術、USB共享器、USB數據采集器、USB網絡隔離器等。

周雲波，男，1966年10月出生，現居武漢。華中科技大學教師，博士。曾經在北京航天研究院學習和工作。從事過軍工測控系統的研發、數字電路的教學與科研，串口通信的研究與開發，獲得國家專利十多項，在國內外雜誌發表論文十多篇。

本書既有串行通信技術理論知識介紹，又有產品開發的實戰講解，還給出了程序開發的源代碼，可作為高等院校相關專業的教材或教學參考書，也適合相關行業的工程師和嵌入式開發愛好者閱讀。

語言才是人類最偉大的發明。語言並非人類與生俱來的本能，對語言的掌握和使用才使得人類從動物界中脫穎而出，相對而言，文字不如語言重要。正如人類主要通過語言來進行交流，機器主要通過串行通信來交換數據。人類通過逐字逐句地說與聽來交流，而機器之間的串行通信通過一個字節或一幀數據發送與接收來傳輸信息。人類有不同的語言，而機器有不同的串行通信協議；人類的語言遵循語法，機器的通信也遵循協議；人類的不同語言之間需要翻譯，同樣，機器的通信協議之間也要轉換。如果說人類語言交流的聽與說是串行通信，那麼文字、圖片的展示與人類的視覺感知就是並行通信。我們在日常生活中的交流依然以語言為主，機器之間也是這樣，以串行通信為主。我們有時還可以直接聽到串行數據的聲音，比如現在的傳真機，還有過去的電報機。
當打開電腦或手機，你一次就“並行”地看遍了一整張圖片的內容，或者一目十行地讀完了一篇文章，其實這些圖片或文章內容的傳輸還是串行的，它們遵循互聯網或者以太網傳輸協議―TCP/IP，這裡的數據是串行的。我們在學校上課時就體驗了串行通信的規則：一個串行通信總線中只能夠同時有一個主機發送，即一個教室裡只能有一個人發言，主要是老師；學生要發言就得舉手，等待老師的點名後才可以發言，串行通信的從機必須先申請、等待主機發送從機地址後，該地址的從機才可以發送數據。一堂課裡有大量時間是講話停頓的，串行通信中最多的也是停頓信號。RS-485串行通信規則大抵也是如此。
現代社會的物質交流與串行通信，其實都遵循著某種相同的語法。我們現在發快遞，必須在快遞單的右邊框裡寫上收件人地址、左邊框裡寫上發件人地址，收件人收到快遞後簽字。完整的串行通信協議也需要接收方的地址和發送方的地址，以及數據位和校驗位都必須填寫在一幀數據的正確位置，收到數據後接收方會返回一條信息。Modbus協議和HART協議幾乎就是這樣規定的。
把串行通信與人類之間交流方式相比，會發現學習串行通信的樂趣。串行通信絕無人類的謊言，數據比人的語言更值得信任。串行通信的規則其實就那麼幾種，都源於我們的日常生活經驗。只是我們早就習以為常，可能從來沒有認真總結過我們交流的規則。當瞭解了串行通信，就會意識到人類是如此聰明，真實的通信世界與我們基於經驗的思路是如此天人合一的。
從烽火狼煙、飛鴿傳書、鳴笛傳號到現代的電話機、傳真機、Modem、串口、以太網/互聯網，每一次通信技術的改進都是影響世界的發明或技術，它要麼改變國運，要麼孕育出巨大的商機。歷史是由人創造的，串行通信亦是如此。不過，不只是個人，而是一群人，他們以這些公司的名義創造了歷史：Bell Lab（Modem技術）、IBM（PC RS-232口）、HAYES（調制解調器）、MAXIM（RS-232和RS-485）、MODICON（Modbus協議）、Intel（USB口），等等，其中Bell和HAYES也是人名―貝爾和賀氏。這些公司都是業界巨頭或世界500強，在串行通信史上掀起過巨浪，其中有些已經成為歷史，比如賀氏。
有人堅信：語言改變世界。串行通信可以說是語言的發明對人類行為影響的餘音；本書是那些串行通信巨頭對世界影響的餘音，至今餘音繞梁，值得用寫一本書來回味。
本書從簡單介紹串行通信協議入手，以介紹串行通信的實用技術為主，公開了作者多年來從事串行通信開發的許多產品的硬件設計方案和軟件源代碼。我想，如果能夠幫助讀者把串行通信的理論變成實際成果，那才是讀者可以體驗的串行通信的真正樂趣，也是作者的真正樂趣。
如果讀者有建議或意見，請聯繫作者，E-Mail：592905661@qq.com

周雲波
2018年12月

第1章 串行通信協議 （1）
1.1 串行通信簡史 （1）
1.2 為什麼要組成通信網 （2）
1.3 什麼是串行通信 （3）
1.3.1 串行通信的概念和特點 （3）
1.3.2 串行通信的分類 （3）
1.3.3 串行通信的工作模式 （4）
1.3.4 串行通信參數 （5）
1.4 RS-232標準 （6）
1.5 RS-485標準 （7）
1.6 RS-422標準 （8）
1.7 RS-232與RS-485的區別 （8）
1.8 單片機的串口多機通信 （10）
第2章 Modbus協議 （12）
2.1 Modbus入門 （12）
2.1.1 Modbus的幾個特點 （13）
2.1.2 Modbus網絡的三種傳輸模式 （13）
2.1.3 Modbus與串口的關係 （13）
2.1.4 Modbus與串行通信的區別 （14）
2.2 Modbus協議簡介 （14）
2.2.1 Modbus協議簡述 （14）
2.2.2 Modbus通信使用的主-從技術 （14）
2.2.3 查詢-回應週期 （15）
2.3 Modbus的ASCII和RTU傳輸模式 （15）
2.3.1 ASCII模式 （16）
2.3.2 RTU模式 （17）
2.4 ASCII和RTU消息幀 （17）
2.4.1 ASCII幀 （17）
2.4.2 RTU幀 （17）
2.4.3 地址域 （18）
2.4.4 功能域 （18）
2.4.5 數據域 （18）
2.4.6 錯誤檢測域 （19）
2.4.7 字符的連續傳輸 （19）
2.5 錯誤檢測方法 （19）
2.5.1 奇偶校驗 （20）
2.5.2 LRC檢測 （20）
2.5.3 CRC檢測 （20）
2.6 Modbus的功能碼定義 （22）
2.6.1 功能碼在Modbus RTU信息幀中的位置 （23）
2.6.2 常用功能碼 （23）
2.6.3 全部功能碼的作用 （24）
2.7 Modbus的TCP傳輸模式 （25）
第3章 HART協議 （28）
3.1 HART協議概述 （29）
3.2 HART通信結構模型 （30）
3.2.1 HART協議物理層 （31）
3.2.2 HART協議數據鏈路層 （31）
3.2.3 HART協議應用層 （32）
3.2.4 各層間的功能關係 （33）
3.3 HART的消息幀結構 （33）
3.4 HART的操作命令 （36）
3.4.1 通用命令 （37）
3.4.2 普通命令 （37）
3.4.3 特殊命令 （38）
第4章 RS-485串行通信技術 （39）
4.1 RS-485/RS-422多機通信的組網方式 （39）
4.1.1 典型的RS-485總線式通信方式 （39）
4.1.2 菊花鏈式多機通信方式 （40）
4.1.3 星形RS-485多機通信方式 （40）
4.1.4 單環自愈RS-485多機通信方式 （41）
4.2 串口光纖多機通信的組網方式 （41）
4.2.1 簡單的一對一串口光纖通信方式 （42）
4.2.2 總線式串口光纖多機通信方式 （42）
4.2.3 環形串口光纖多機通信方式 （43）
4.2.4 對串式串口光纖多機通信方式 （43）
4.3 串行通信的VB程序 （44）
4.4 地址串口轉換的實現 （51）
4.4.1 地址串口轉換器的使用 （51）
4.4.2 地址串口轉換器的硬件設計 （53）
4.4.3 地址串口轉換的純軟件實現 （55）
4.5 RS-485的節點數和距離極限 （57）
4.5.1 帶中繼功能的串口轉換器 （58）
4.5.2 突破RS-485節點數和距離極限的佈線方式 （59）
4.5.3 RS-485多機通信節點數的極限 （59）
4.5.4 無數據丟失的RS-485傳輸距離的理論極限 （60）
4.5.5 無誤碼的RS-485傳輸距離的理論極限 （60）
4.5.6 其他介質和其他總線的理論極限 （60）
4.6 串口波特率轉換的實現 （61）
4.6.1 串口波特率轉換器的使用 （61）
4.6.2 串口波特率轉換器的硬件設計和單片機軟件 （62）
4.6.3 串口波特率轉換的純軟件實現 （64）
4.7 RS-232轉RS-485通信電路 （65）
4.7.1 RS-232轉RS-485通信電路的設計 （65）
4.7.2 RS-232端口供電技術 （66）
4.8 無源RS-232數據采集器 （68）
4.8.1 LTC1290芯片描述 （68）
4.8.2 硬件電路設計及QBASIC程序 （69）
4.8.3 數據采集器產品及VB程序 （71）
第5章 以太網串口服務器 （73）
5.1 以太網通信幀格式 （73）
5.1.1 以太網第二版（V2） （73）
5.1.2 IEEE 802系列 （74）
5.2 以太網串口服務器的發展 （75）
5.2.1 第一代產品：10 Mb/s以太網串口服務器 （76）
5.2.2 第二代產品：光電隔離100 Mb/s以太網串口服務器 （76）
5.2.3 對以太網虛擬串口的評論 （77）
5.3 以太網串口服務器的使用 （78）
5.4 以太網串口服務器的設計 （81）
5.5 PC設置和檢測軟件的參數配置操作 （82）
5.5.1 分配IP地址 （82）
5.5.2 配置設備參數 （84）
5.6 PC設置和檢測軟件的演示操作 （86）
5.6.1 TCP→RS-232 （86）
5.6.2 RS-232→TCP （87）
5.7 內部單片機的軟件開發設計 （87）
5.7.1 軟件要實現的功能目標 （88）
5.7.2 軟件流程圖 （88）
5.7.3 各類API接口函數 （90）
5.7.4 內部單片機的程序代碼 （92）
第6章 Modbus串行通信技術 （94）
6.1 Modbus調試精靈軟件 （94）
6.2 將普通串口設備接入Modbus （95）
6.2.1 安裝與性能 （95）
6.2.2 通信格式及軟件使用 （96）
6.2.3 PC的VB選地址程序 （97）
6.2.4 模塊的硬件設計 （103）
6.2.5 模塊的內部單片機程序 （104）
6.3 超小的Modbus測量模塊 （107）
6.3.1 安裝及性能 （107）
6.3.2 通信格式及軟件使用 （108）
6.3.3 Modbus測量模塊的硬件設計 （109）
6.3.4 Modbus測量模塊的內部單片機程序設計 （110）
6.3.5 Modbus測量模塊的外接PC程序設計 （112）
6.3.6 外接A/D轉換芯片的Modbus測量模塊的設計 （119）
第7章 HART智能變送器 （122）
7.1 HART Modem的原理與應用 （123）
7.1.1 HART Modem的原理 （123）
7.1.2 A5191HRT的性能與引腳功能 （124）
7.1.3 A5191HRT的內部結構與工作原理 （125）
7.2 HART協議通信模塊的設計 （126）
7.2.1 HART協議通信模塊的硬件電路設計 （126）
7.2.2 HART協議通信模塊的軟件設計 （127）
7.3 RS-232與HART轉換器的設計 （127）
7.3.1 RS-232與HART轉換器的設計原理 （127）
7.3.2 DS8500的基本工作原理 （128）
7.3.3 用DS8500實現的RS-232與HART轉換器 （130）
7.4 一種HART智能變送器的設計 （130）
7.4.1 設計原理圖 （131）
7.4.2 HART智能變送器設計及實現 （131）
7.5 HART溫濕度智能變送器的設計 （134）
7.5.1 系統整體設計方案 （134）
7.5.2 Modem通信模塊 （135）
7.5.3 HT2012在HART協議中的應用 （137）
7.5.4 MSP430與HT2012的接口設計 （139）
7.5.5 HT2012與外部接口 （139）
7.5.6 單片機MSP430性能 （141）
7.5.7 MSP430與D/A轉換芯片AD421的接口設計 （141）
7.5.8 智能變送器的軟件設計 （142）
第8章 USB通信技術應用 （146）
8.1 通過光纖傳輸USB信號 （147）
8.1.1 實現原理 （147）
8.1.2 將USB信號轉換為便於光纖傳輸的信號 （147）
8.1.3 信號的處理方式 （149）
8.1.4 用光纖實現USB遠程通信的其他方案 （150）
8.2 USB信號的光電隔離 （151）
8.2.1 USB光電隔離器 （152）
8.2.2 USB光電隔離技術 （152）
8.2.3 USB信號線的有待改進之處 （153）
8.3 無須設置的USB共享器 （154）
8.3.1 USB共享器的使用 （154）
8.3.2 雙USB共享的切換邏輯 （155）
8.3.3 USB共享器的硬件設計 （156）
8.3.4 USB共享器的單片機軟件設計 （157）
8.4 USB數據采集器 （159）
8.4.1 USB微型數據采集器的使用 （160）
8.4.2 數據采集器硬件電路設計 （160）
8.4.3 數據采集軟件設計 （162）
8.5 採用USB私有協議的網絡隔離器 （169）
8.5.1 網絡隔離方案特徵 （169）
8.5.2 網絡隔離的具體實施方式