通信接口和通信方式总结

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  最近在做工业物联网相关的数据采集项目，很多知识点搞不明白，下面记录了自己学习的一些易混淆的知识点。

一、通信接口主要的5种类型

计算机通信接口有以下5种：并行接口、串行接口

• 并行接口 - 并口：
    指8位数据同时通过并行线进行传送，这样数据传送速度大大提高，但并行传送的线路长度受到限制，因为长度增加，干扰就会增加，容易出错。
  目前，计算机中的并行接口主要作为打印机端口。
• **串行接口 - 串口 - 即COM口 **
    它的数据和控制信息是一位接一位串行地传送下去。这样，虽然速度会慢一些，但传送距离较并行口更长，因此长距离的通信应使用串行口。
    现在的PC机一般至少有两个串行口COM1和COM2。
• USB接口
    它提供机箱外的热即插即用连接，采用“级联”方式，每个USB设备用一个USB插头连接到一个外设的USB插座上，而其本身又提供一个USB插座给下一个USB设备使用。
    USB能智能识别USB链上外围设备的插入或拆卸。 除了能够连接键盘、鼠标等，USB还可以连接ISDN、电话系统、数字音响、打印机以及扫描仪等低速外设。
• EIDE接口
    所支持的设备除了硬盘，还包括CD－ROM驱动器磁盘备份设备等。EIDE有更高的数据传送速率，支持PIO模式3和模式4标准。
• SCSI接口
    计算机系统接口，在做图形处理和网络服务的计算机中被广泛采用SCSI接口的硬盘。除了硬盘以外，SCSI接口还可以连接CD－ROM驱动器、扫描仪和打印机。

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二、通信方式

2.1 并行和串行

  通信方式有两种：并行通信和串行通信。

• 并行通信：并行是指多比特数据同时通过并行线进行传送，这样数据传送速度大大提高，但并行传送的线路长度受到限制，因为长度增加，干扰就会增加，数据也就容易出错。
• 串行通信：串行通信是指使用一条数据线，将数据一位一位地依次传输，每一位数据占据一个固定的时间长度。其只需要少数几条线就可以在系统间交换信息，特别适用于计算机与计算机、计算机与外设之间的远距离通信。

   拿汽车通道来说，并行通信就是多车道，多辆车一起行驶，而串行通信就是单车道，只能一辆一辆车通过。

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2.2 单工、半双工及全双工通信

  对于点对点之间的通信，按照消息传送的方向与时间关系，通信方式可分为三种：单工通信、半双工通信、全双工通信。

• 单工通信：单工通信信道是单向信道，发送端和接收端的身份是固定的，发送端只能发送信息，不能接收信息；接收端只能接收信息，不能发送信息，数据信号仅从一端传送到另一端，即信息流是单方向的。

例如：广播站是发送端，听众是接收端。

• 半双工通信：半双工数据传输指数据可以在一个信号载体的两个方向上传输，但是不能同时传输。例如，在一个局域网上使用具有半双工传输的技术，一个工作站可以在线上发送数据，然后立即在线上接收数据，这些数据来自数据刚刚传输的方向。像全双工传输一样，半双工包含一个双向线路（线路可以在两个方向上传递数据）。

例如：对讲机是日常生活中最为常见的一种半双工通信方式，手持对讲机的双方可以互相通信，但在同一个时刻，只能由一方在讲话。

• 双工通信：双工通信是指在同一时刻信息可以进行双向传输，和打电话一样，说的同时也能听，边说边听。这种发射机和接收机分别在两个不同的频率上（两个频率差有一定要求）能同时进行工作的双工机也称为异频双工机。

例如：计算机主机用串行接口连接显示终端，而显示终端带有键盘。

   三种通信制式很容易理解，对照上图看，单工通信不就是单方面通信，只能发出指令或接收指令。半双工通信就是能接收又能发送，但是不能同时进行。双工就最厉害，可以同时发送和接收指令。

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2.3 串行通信分类 - 同步\异步

   串行通信有两种，一位异步串行通信，二为同步串行通信。

• 异步串行通信：异步串行通信是指通信双方以一个字符（包括特定附加位）作为数据传输单位且发送方传送字符的间隔时间不一定，具有不规则数据段传送特性的串行数据传输。
• 同步串行通信：所谓同步通信是指在约定的通信速率下，发送端和接收端的时钟信号频率和相位始终保持一致（同步），这就保证了通信双方在发送和接收数据时具有完全一致的定时关系。

   两种串行通信不同就只有时间，在发送字符时，异步可以是不同时间间隔发送，但同步只能以固定的时间间隔发送。

2.4 波特率 Baud Rate

   波特率表示每秒钟传送的二进制位数，是衡量数据传送速率的指标，它用单位时间内载波调制状态改变的次数来表示。
  波特率越大，传输速度越快，但是抗干扰性越差。在实际应用中，要注意平衡。常用速率为115200(3G/4G/调试串口等)、9600(NB-loT/GPS等)、4800等。
   相互通信的双方必须具有相同的波特率，不然无法成功完成串行通信。

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三、串联设备的接口类型 - 网口和串口

参考链接：网口和串口的区别
  串口和网口都是计算机中用于串联设备的接口类型，但它们之间存在着一些重要的区别。串口是一种传输数据的接口，而网口则是连接网络的接口。

3.1 串口 - COM口

3.1.1 基本介绍及应用

  串口（即COM口）是一种计算机硬件接口，它通过数据线连接两种或更多的计算机设备，实现数据的传输。串口分为9个针脚和25个针脚两种，其中9个针脚的串口速度较慢，一般只能传输控制命令；而25个针脚的串口速度较快，可以传输音频、视频等文件。
  串口的数据传输速度较慢，最高只能达到115200位/秒，而且距离较短，通常不能超过50米。
  由于串口的数据传输速度慢，因此它适合于连接低速设备，如打印机、调制解调器和GPS设备等。在工业自动化和控制系统中，串口通常用于连接PLC（可编程逻辑控制器）或其他嵌入式设备，实现设备之间的通信。
  串口按位（bit）发送和接收字节。尽管比按字节（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。它很简单并且能够实现远距离通信。对于串口而言，长度可达1200米。典型地，串口用于ASCII码字符的传输。
  通信使用3根线(TXD、RXD、GND)，分别是地线、发送、接收。由于串口通信是异步的，端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。其他线用于握手，但不是必须的。

  一般通信参数有地址，即通信设备的实际地址，该地址在1-255之间。波特率反映的是传播的速率，一般常见的是1200、2400、4800、9600、19200。8位数据位，一位停止位。但是奇偶校验n代表无校验、e代表偶校验、o代表奇校验，一般常见的是9600 n 8 1。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。对于两个进行通信的端口，这些参数必须匹配。

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3.1.2 接线方式 - 232、422、485接线

  串口通讯的产生比较早，最开始的时候是串口通讯的。使用的通讯规约有modbus规约、101规约、103规约、CDT规约等。接线方式分别是232接线、422接线、485接线。按电气标准及协议来分包括RS-232-C、RS-422、RS485、USB等。
  随着串口通信技术的发展，大多情况下使用的是485接线形式。对于串口通信来讲使用的通信线为屏蔽双绞线。屏蔽层是为了屏蔽掉外部的干扰，而双绞是为了平衡掉自身的干扰。因此在电力系统中串口通信多选用屏蔽双绞线。
  串口通信的距离是比较长的，485通信理论通信距离达到1200米，但是根据现场的实际情况，可能在距离上达不到这个数值，但是也可以说明串口的通信距离长。由于串行通信是一位一位地按顺序发送数据，因此传输速率是比较低的。

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3.1.3 RS232和RS485 - 区别

1.RS232接口协议
  RS232也称标准串口，是目前最常用的一种串行通讯接口，是异步串口协议。RS232接口为全双工数据通讯模式。传输距离比较短，数据传输速率也比较低。
  一般在电脑、调试仪器、交换机等设备中使用。
  RS232通常使用DB9或DB25的连接器，并需要进行奇偶校验。RS232的标准发送电平为-12V到12V之间，但实际上很少达到这个范围。
  现在的电脑一般有两个串行口：COM1和COM2，你到计算机后面能看到9针D形接口就是了。现在有很多手机数据线或者物流接收器都采用COM口与计算机相连。
RS232特点：

• 接口使用一根Tx信号线和一根Rx信号线而构成共地的传输形式，这种方式抗噪声抗干扰性弱；
• 传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺，实际上也只能用在50米左右。
• 传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps(一般是115200bps)；
• 通信的时候只能两点之间进行通信，不能够实现多机联网通信；
• RS232 与TTL电平不兼容，另外接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片。

2. RS485 接口协议
     RS485 和RS232一样都是基于串口的通讯接口，数据收发的操作是一致的。RS485接口一般为半双工数据通讯模式，数据的收发不能同时进行，为了保证数据收发的不冲突，硬件上是通过方向切换来实现的，相应也要求软件上必须将收发的过程严格地分开。
     上述针对RS232接口的不足，就不断出现了一些新的接口标准，RS485 就是其中之一，它具备以下的特点：

• 长距离链路，最长可达4000英尺(约1219米)；
• 数据速率高达10Mbps (40英寸内，约12.2米) ；
• 同一总线可以连接多个驱动器和接收器宽共模范围允许驱动器和接收器之间存在地电位差异，允许最大共模电压-7-12V；
• 差分传输增加噪声抗扰度，减少噪声辐射。RS-485能够进行远距离传输主要得益于使用差分信号进行传输，当有噪声干扰时仍可以使用线路上两者差值进行判断，使传输数据不受噪声干扰。

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3.1.4 优缺点

• 优点：
     ①、抗干扰能力强
     ②、传输距离长
     ③、一般情况下十几台通信设备，都可以通过一根屏蔽双绞线，以手拉手的形式连接在一起，大大降低了通信线的成本。
• 缺点：速率慢，可靠性上有些欠缺。
• 串口通信特点
  （1）串口通信单向只有一个数据线实现通信，同时只能传输1个二进制位数据，所以是串行通信；
  （2）串口通信的发送方和接收方之间没有统一的时钟信号，所以它是异步通信方式；
  （3）串口通信即可以实现全双工通信，也可以实现单工通信；
  （4）串口通信出现时间较早、速率较低，并且采样电平信号传输，抗干扰能力不强，传输的距离较近.

3.2 网口

3.2.1 基本介绍及应用

  网口是通过RJ45接头连接到计算机的一种网络接口，设备之间通过网线进行连接，它允许计算机连接到局域网、广域网或因特网等网络上。
  网口支持高速数据传输，可以达到千兆位/秒的传输速度。网口的距离范围也比串口广泛，可以通过交换机和路由器等设备进行数字网络的延伸。

3.2.2 通信协议（TCP和UD）

  网口使用的是以太网通讯协议，主要的协议有TCP和UDP。TCP和UDP的差别主要是 可靠连接和 无连接。如果无交换机，TCP只能1对1，而UDP无论1对1，1对多，多对多都可以。
  两个进程如需要进行通讯最基本的一个前提能能够唯一的标示一个进程，在本地进程通讯中我们可以使用PID来唯一标示一个进程，但PID只在本地唯一，网络中的两个进程PID冲突几率很大，这时候我们需要另辟它径了，我们知道IP层的ip地址可以唯一标示主机，而TCP层协议和端口号可以唯一标示主机的一个进程，这样我们可以利用： ip地址＋协议＋端口号 唯一标示网络中的一个进程。
  能够唯一标示网络中的进程后，它们就可以利用socket进行通信了，什么是socket呢？我们经常把socket翻译为套接字，socket是在应用层和传输层之间的一个抽象层，它把TCP/IP层复杂的操作抽象为几个简单的接口供应用层调用已实现进程在网络中通信。

3.2.3 优缺点

• 优点：通信数据传输速率快。
• 缺点：在成本上较串口通信来讲比较高。每台通信设备需要网线与交换机设备相连，网线使用多，同时添加了交换机，无疑增加了成本，而且对于工作量也增加了许多。

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3.3 串口和网口的比较

  串口和网口在数据传输的速度、距离、接口类型和应用范围等方面都存在很大的不同。为了更好地了解这两种接口类型的区别，下面简要比较一下它们的不同之处：

• 传输速度：网口传输速度比串口快得多。
• 距离：串口的距离较短，而网口可以将距离扩展到更远的距离。
• 应用：串口适用于低速设备，而网口适用于高速数据传输和远程控制。
• 接口类型：串口是点对点连接，而网口是网络连接。
• 通讯协议：网口主要的协议有TCP和UDP，串口主要有RS232、485。

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四、更多

• node.js卸载、安装、配置详解
• 采集服务器配置及软件安装
• centos通过源文件的方式安装node-red
• nodered-环境搭建及使用
• node-red环境搭建 ： 一机多实例
• V5.0.X版本 EMQX安装、卸载 以及使用
• Modbus协议基于modscan 的设备数据收发过程模拟
• modscan模拟数据，nodred通过modbus协议向emqx创建规则引擎写入TDengine库
• MODBUS调试工具(modscan32)使用说明