計(jì)算機(jī)串口通信分析

謝子馨

（湖北大學(xué)，湖北 武漢 430062）

0 引 言

計(jì)算機(jī)通信是指計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備或計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的信息交換。通信一般分為串行通信和并行通信。串行通信最顯著的優(yōu)點(diǎn)就是信號(hào)線較少，可以?xún)筛€并行同步發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)，常用于遠(yuǎn)距離傳輸[1]。本文介紹計(jì)算機(jī)常用的串口通信接口RS-232，RS-422/RS-485，分析了接口的特點(diǎn)，并對(duì)常用的通信協(xié)議——Modbus的特點(diǎn)進(jìn)行分析，給出改進(jìn)方向。

1 RS-232接口

1.1 RS-232的接口標(biāo)準(zhǔn)

RS-232接口標(biāo)準(zhǔn)是現(xiàn)階段非常普及的串行通信接口的一種標(biāo)準(zhǔn)，是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)（Electronic Industry Association，EIA）聯(lián)合通信工業(yè)協(xié)會(huì)（Telecommunications Industry Association，TIA）制定的串行通信標(biāo)準(zhǔn)EIA/TIA-232的簡(jiǎn)稱(chēng)[2]。

RS-232起源于為遠(yuǎn)程通信連接數(shù)據(jù)終端設(shè)備（Data Terminal Equipment，DTE）以及常見(jiàn)的數(shù)據(jù)通信設(shè)備（Data Communications Equipment，DCE）制定的標(biāo)準(zhǔn)。RS-232標(biāo)準(zhǔn)中所提到的“發(fā)送”和“接收”，都是站在DTE立場(chǎng)上，而不是站在DCE的立場(chǎng)上定義的。

1.2 RS-232電氣特性

在TXD和RXD上，邏輯1（MARK）為-3～-15 V；邏輯 0（SPACE）為 +3～ +15 V。在 RTS、CTS、DSR及DTR等控制線上，信號(hào)有效是正電壓+3～+15 V；信號(hào)無(wú)效是負(fù)電壓-3～-15 V。實(shí)際工作時(shí)，應(yīng)保證電平的絕對(duì)值在3～15 V[3]。

1.3 連接器的機(jī)械特性

RS-232總線標(biāo)準(zhǔn)指定了25腳的DB25連接器，包括一個(gè)主通道和一個(gè)輔助通道。

1.4 鏈路層

RS-232接口標(biāo)準(zhǔn)中，最常用的編碼格式是異步起停格式（Asynchronous Start-stop）。

波特率是指每一秒鐘設(shè)備間傳送的比特?cái)?shù)（bit/s）。RS-232有一系列波特率標(biāo)準(zhǔn)，常用的有2 400 b/s、4 800 b/s及9 600 b/s等。

奇偶校驗(yàn)Parity主要用于數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性檢驗(yàn)。傳輸過(guò)程中通常都會(huì)設(shè)定奇偶性校驗(yàn)。具體地，如果設(shè)定為偶校驗(yàn)，奇偶校驗(yàn)位所處位置的傳送數(shù)字位中“1”的個(gè)數(shù)就是偶數(shù)；如果設(shè)定為奇校驗(yàn)，相應(yīng)位置的“1”的個(gè)數(shù)就是奇數(shù)。

停止位主要是用于接受信號(hào)方硬件重同步。

盡管設(shè)置波特率和停止位可以解決多數(shù)應(yīng)用的問(wèn)題，但是會(huì)受限于接收方過(guò)載的情況，此時(shí)必須采用握手。握手分為3種，軟件握手、硬件握手及Xmodem握手。其中，硬件握手需要用到5個(gè)針腳RTS/CTS、DTR/DSR、DCD、RTS/CTS和 DTR/DSR一起工作，一個(gè)作為輸出，另一個(gè)作為輸入。Xmodem握手通常使用在Modem通信中，也叫XModem文件傳輸協(xié)議，現(xiàn)在應(yīng)用較少。

1.5 RS-232的不足

RS-232雖然是常用的一種串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)，但仍存在幾點(diǎn)不足[3-4]。

（1）接口的信號(hào)容易造成接口電路芯片位置的損壞，且與TTL電平不兼容。

（2）傳輸速率較低，異步傳輸時(shí)一般為9 600 b/s，或者115 200 b/s。

（3）傳輸距離較短，且通信距離會(huì)受到相應(yīng)的電容約束。

2 RS-422與RS-485接口

2.1 RS-422與RS-485基礎(chǔ)

考慮到RS-232串口標(biāo)準(zhǔn)存在的局限性問(wèn)題，產(chǎn)生了RS-485/422接口。RS-422標(biāo)準(zhǔn)全稱(chēng)是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”，隨后出現(xiàn)了更高級(jí)的RS-485。相對(duì)于RS-232，RS-485/422接口可以進(jìn)行多機(jī)通信，允許一條總線上可以連接多達(dá)32個(gè)設(shè)備，甚至可以達(dá)到256個(gè)設(shè)備。

2.2 RS-422與RS-485電氣特性

RS-422有4根信號(hào)線，兩根發(fā)送（Y、Z）、兩根接收（A、B），可以同時(shí)收和發(fā)（全雙工）。

RS-485有2根信號(hào)線，發(fā)送和接收都是A和B，不能夠同時(shí)收和發(fā)（半雙工）。

RS-485的電氣特性驅(qū)動(dòng)器至少能輸出電壓1.5 V（終端電阻的大小與所用雙絞線的參數(shù)有關(guān)）。

2.3 RS-422與RS-485區(qū)別

RS-232、RS-422及RS-485串口通信協(xié)議如表1所示。

表1 串口通信協(xié)議比較

3 Modbus

3.1 Modbus協(xié)議

RS-233和RS-485只定義了串行總線標(biāo)準(zhǔn)，主要是電氣標(biāo)準(zhǔn)、機(jī)械結(jié)構(gòu)以及基本數(shù)據(jù)鏈路格式等，但沒(méi)有具體的數(shù)據(jù)協(xié)議。

Modbus允許多個(gè)（約240個(gè)）設(shè)備連接在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行通信，標(biāo)準(zhǔn)的Modbus信息幀格式為起始，信息，功能，數(shù)據(jù)，校驗(yàn)，結(jié)束。傳輸模式有兩種，ASCII（American Standard Code for Information Interchange）和 RTU（Remote Terminal Unit）模式[5]。ASCII模式的主要優(yōu)點(diǎn)是發(fā)送的兩個(gè)字符之間間隔時(shí)間可以達(dá)到1 s。RTU模式中，兩個(gè)16進(jìn)制字符包含在一個(gè)8位的信息字節(jié)中。起始位至少要靜默3.5倍的字符時(shí)間[6]。

3.2 Modbus的不足

（1）Modbus不支持大型二進(jìn)制對(duì)象數(shù)據(jù)，只能支持有限的數(shù)據(jù)類(lèi)型。

（2）速率較低，無(wú)法要求設(shè)備“報(bào)告異常”。

（3）Modbus協(xié)議并沒(méi)有足夠的加密，相應(yīng)功能碼濫用[6]。

（4）Modbus由于只能在單條數(shù)據(jù)鏈路上處理少量有限地址，因此極大程度上限制了連接到主控站點(diǎn)的有效設(shè)備數(shù)量。

（5）對(duì)于各個(gè)節(jié)點(diǎn)，Modbus并沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化方法匹配數(shù)據(jù)對(duì)象的描述信息。

（6）Modbus的傳輸避免了傳輸過(guò)程中存在的緩沖區(qū)漏洞的問(wèn)題，因此對(duì)于通信是一定、連續(xù)的限制。

3.3 Modbus改進(jìn)方法

3.3.1 安全性

首先，從源頭開(kāi)始控制，從Modbus系統(tǒng)的需求設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)及內(nèi)部測(cè)試和部署等階段，全生命周期地介入安全手段，融入安全設(shè)計(jì)、安全編碼以及安全測(cè)試等技術(shù)。

其次，異常行為檢測(cè)。針對(duì)Modbus系統(tǒng)，要分析其存在的各種操作行為，依據(jù)“主體，地點(diǎn)，時(shí)間，訪問(wèn)方式，操作，客體”等行為描述成一個(gè)六元組模型；然后分析其行為是否屬于異常，并決定采取記錄或者報(bào)警等措施。

再次，Modbus的安全審計(jì)就是對(duì)協(xié)議數(shù)據(jù)進(jìn)行深度解碼分析，記錄操作的時(shí)間、地點(diǎn)、操作者及操作行為等關(guān)鍵信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)Modbus系統(tǒng)的安全審計(jì)日志記錄和審計(jì)功能，從而提供安全事件爆發(fā)后的事后追查能力。

最后，使用入侵防御和防火墻等網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備。

3.3.2 接 線

由于某些廠家正、負(fù)極混亂，通信前要確認(rèn)線路正常：從站線接好，用萬(wàn)用表量線間電壓。

3.3.3 信號(hào)源

信號(hào)源的問(wèn)題通常是信號(hào)衰減或者有干擾源。Modbus通信的理論距離是1 200 m，距離越長(zhǎng)，信號(hào)衰減越厲害，加上有一些電纜質(zhì)量較差，衰減更厲害。

3.3.4 通信地址

對(duì)于地址偏移，有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)第三方設(shè)備給的地址表和讀取的不一致，甚至無(wú)法讀出，可以嘗試往前或往后讀一位。

對(duì)于讀取數(shù)量，有些設(shè)備寄存器較小，讀太多會(huì)通信錯(cuò)誤；還有一些設(shè)備，主站讀取數(shù)量必須與從站一致。

對(duì)于從站并聯(lián)，通常相同設(shè)備可以采用并聯(lián)的方式，最后通過(guò)一根電纜接到主站通信卡上。

對(duì)于主從站數(shù)據(jù)不一致，有時(shí)發(fā)現(xiàn)通信正常，但是數(shù)據(jù)與從站數(shù)據(jù)不一致，除檢查地址偏移問(wèn)題外，還要檢查數(shù)據(jù)格式是否正確。

對(duì)于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，通信中，經(jīng)常為了提高精度，從站設(shè)備數(shù)據(jù)會(huì)乘以10或者100，所以通信后，主站顯示時(shí)需要相應(yīng)地除以10或者100。

4 結(jié) 論

隨著工業(yè)化與信息化進(jìn)程的不斷交叉融合，計(jì)算機(jī)串口通信應(yīng)用越來(lái)越廣泛，本文給出了常用的計(jì)算機(jī)串行接口標(biāo)準(zhǔn)RS-232和RS-485的發(fā)展過(guò)程，指出了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并分析了常用的應(yīng)用層Modbus協(xié)議，給出了詳細(xì)的數(shù)據(jù)通信格式，分析了Modbus協(xié)議的不足，指出了改進(jìn)的方向。