第2章智能儀器的標準數(shù)據(jù)通信接口.ppt

第2章智能儀器的標準數(shù)據(jù)通信接口 引言2 1RS 232標準串行接口總線2 2SPI總線標準2 3I2C標準總線2 4USB總線標準2 5CAN總線2 6GP IB接口總線2 7PTR2000無線數(shù)據(jù)傳輸 凡是配有標準通信接口的儀器和計算機 不分國家 廠家 都可以借助于一條無源電纜總線按積木式互連 靈活地組成各種不同用途的自動測試系統(tǒng) 以完成復雜的測試任務 自動測試系統(tǒng) 引言 規(guī)范包括機械結(jié)構 尺寸 規(guī)格等 電氣 邏輯電平 負載能力 信息編碼格式等 功能結(jié)構 引腳定義及功能 中斷機制 總線主控仲裁 應用邏輯等 總線 為方便計算機內(nèi)外各部件的兼容 聯(lián)接通道采用統(tǒng)一的標準化結(jié)構 它是不同模塊組成系統(tǒng)時必須遵守的規(guī)范 典型外總線 通信總線 RS 232 RS423 RS422 RS485I2C SPI USB CAN GPIBVXI Centronics 分類 按位置 片內(nèi)總線 片外總線 內(nèi)總線 外總線按功能 地址總線 數(shù)據(jù)總線 控制總線 電源和地線按傳輸方式 串行 并行按范圍 全局總線 局部總線 典型內(nèi)總線 系統(tǒng)總線 ISA EISA PCI STD 引言 1 數(shù)據(jù)率 波特率 BaudRate 2 單工 半雙工與全雙工 回顧51單片機的串行接口知識 一 串行通信技術的基礎知識 比特率為單位時間內(nèi)傳輸二進制代碼的位數(shù) 單位為b s 波特率即調(diào)制速率 可以理解為單位時間內(nèi)傳輸碼元符號的個數(shù) 其單位為波特 Baud 比特率 波特率 單個調(diào)制狀態(tài)對應的二進制位數(shù) 3 串行傳送 通信 方式及規(guī)程 1 異步傳送規(guī)程 在異步通信中 CPU與外設之間在傳送數(shù)據(jù)前必須有兩項約定 即字符幀格式和波特率 注意 異步通信中 接收設備和發(fā)送設備保持相同的傳送波特率 并以字符數(shù)據(jù)的起始位與發(fā)送設備保持同步 2 同步傳送規(guī)程 對數(shù)字信號不加調(diào)制 以其基本形式進行的傳輸稱之為 基帶傳輸 基帶傳輸中數(shù)字信息的形式是與其通信速率有關的開關信號 覆蓋相當寬廣的頻譜 4 基帶傳輸 5 調(diào)制 解調(diào)與調(diào)制解調(diào)器 調(diào)制的本質(zhì)是將頻帶寬度無限的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為頻帶寬度有限的調(diào)制信號 模擬信號或射頻信號 從而增加其可靠傳輸?shù)木嚯x 在接收端通過解調(diào)再將調(diào)制信號恢復為原來的數(shù)字信號 這一過程被稱為調(diào)制解調(diào) 承擔調(diào)制 解調(diào)任務的設備稱之為調(diào)制解調(diào)器 Modem 通過Modem的串行通信示意圖 功能 全雙工串行口 字符幀格式 軟件編程 二 51系列單片機串行口的功能和工作方式 串行接收指令 MOVA SBUF 串行發(fā)送指令 MOVSBUF A 方式0 在方式0下 串行口作同步移位寄存器用 其波特率固定為fosc 12 串行數(shù)據(jù)從RXD P3 0 端輸入或輸出 低位在前高位在后 同步移位脈沖由TXD P3 1 送出 這種方式常用于擴展I O口 方式1是波特率可變10位異步串行通信方式 以TXD為串行數(shù)據(jù)的發(fā)送端 RXD為數(shù)據(jù)的接收端 每幀數(shù)據(jù)包括1個起始位 8個數(shù)據(jù)位和一個停止位 方式1 波特率 方式1波特率由定時 計數(shù)器T1的計數(shù)溢出率來決定 波特率 2SMOD T1溢出率 32 方式2下 串行口為11位UART 傳送波特率與SMOD有關 發(fā)送或接收一幀數(shù)據(jù)包括1位起始位0 8位數(shù)據(jù)位 1位可編程位 用于奇偶校驗或多機通信中的控制位 和1位停止位1 當SMOD 0時 波特率 20 fosc 64 fosc 64當SMOD 1時 波特率 21 fosc 64 fosc 32 方式2 方式3同樣是一幀11位的串行通信方式 其通信過程與方式2完全相同 所不同的僅在于波特率 方式2的波特率只有固定的兩種 而方式3的波特率則與方式1相同 即通過設置T1的初值來設定波特率 方式3 華中科技大學文華學院 三 串行口的編程 串行口需初始化后 才能完成數(shù)據(jù)的輸入 輸出 其初始化過程如下 1 按選定串行口的操作模式設定SCON的SM0 SM1兩位二進制編碼 2 對于操作模式2或3 應根據(jù)需要在TB8中寫入待發(fā)送的第9位數(shù)據(jù) 3 若選定的操作模式不是模式0 還需設定接收 發(fā)送的波特率 設定SMOD的狀態(tài) 以控制波特率是否加倍 若選定操作模式1或3 則應對定時器T1進行初始化以設定其溢出率 串行口初始化編程格式 MOVSCON 控制狀態(tài)字 寫方式字且TI RI 0 MOVPCON 80H 波特率加倍 MOVTMOD 20H T1作波特率發(fā)生器 MOVTH1 X 選定波特率 MOVTL1 X SETBTR1 SETBEA 開串行口中斷 SETBES 華中科技大學文華學院 發(fā)送查詢方式 初始化部分略TRAM MOVSBUF R0 發(fā)送一個字符WAIT JBCTI NEXT 等待發(fā)送結(jié)束SJMPWAITNEXT INCR0 準備下一次發(fā)送SJMPTRAM 接收查詢方式 初始化部分略WAIT JBCRI NEXT 查詢等待SJMPWAITNEXT MOV R0 SBUF 保存接收數(shù)據(jù)INCR0 準備下一次接收SJMPWAIT 華中科技大學文華學院 發(fā)送中斷方式 ORG0023H 串行口中斷入口AJMPSINTMAIN 初始化編程TRAM MOVSBUF R0 發(fā)送第一個字符SJMP 等待中斷SINT CLRTI 中斷服務程序MOVSBUF R0 發(fā)送下一個字符DJNZR7 NEXT 數(shù)據(jù)塊未發(fā)送完繼續(xù)CLREASJMPTENDNEXT INCR0TEND RETI 華中科技大學文華學院 接收中斷方式 ORG0023H 串行口中斷入口AJMPRINTMAIN 初始化編程SJMP 等待中斷RINT CLRRI 中斷服務程序MOV R0 SBUF 保存接收數(shù)據(jù)DJNZR7 NEXT 數(shù)據(jù)塊未接收完繼續(xù)CLREASJMPTENDNEXT INCR0TEND RETI RS 232C標準定義了數(shù)據(jù)通信設備 DCE 與數(shù)據(jù)終端設備 DTE 之間進行串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌谛畔?規(guī)定了接口的電氣信號和接插件的機械要求 RS 232C對信號開關電平規(guī)定如下 一 RS 232C標準串行接口總線 1 總線描述 驅(qū)動器的輸出電平為 邏輯 0 5 15V 邏輯 1 5 15V 接收器的輸入檢測電平 邏輯 0 3V 邏輯 1 3V RS 232C采用負邏輯 噪聲容限可達2V 表2RS 232C標準串行接口總線的常用信號 計算機與智能設備通過RS 232C標準總線直接互連傳輸數(shù)據(jù)是很有實用價值的 一般使用者需要熟悉互連接線的方法 2 RS 232C接口的常用系統(tǒng)連接 圖1帶RS 232C接口的通信設備連接 圖3全雙工最簡系統(tǒng)連接 圖2全雙工標準系統(tǒng)連接 圖4調(diào)制解調(diào)器通信系統(tǒng)連接圖 3 電平轉(zhuǎn)換 RS 232C不能和TTL電平直接相連 使用時必須進行電平轉(zhuǎn)換 常用的電平轉(zhuǎn)換芯片有 MAX232和MAX233 MAX232典型接線圖 MAX233典型接線圖 雖然RS 232C使用很廣泛 但它存在著一些不足 主要有 1 數(shù)據(jù)傳輸速率低 一般低于20kb s 2 傳輸距離短 一般局限于15m 即使采用較好的器件及優(yōu)質(zhì)同軸電纜 最大傳輸距離也不能超過60m 3 有25芯D型插針和9芯D型插針等多種連接方式 不利于標準化設計 4 信號傳輸電路為單端電路 共模抑制性能較差 抗干擾能力弱 二 RS 422A與RS 423A標準串行接口總線 RS 423A與RS 232C兼容 單端輸出驅(qū)動 雙端差分接收 正信號邏輯電平為 200mV 6V 負信號邏輯電平為 200mV 6V 在傳輸速率和傳輸距離上都優(yōu)于RS 232C RS 422A與RS 232C不兼容 雙端平衡輸出驅(qū)動 雙端差分接收 從而使其抑制共模干擾的能力更強 傳輸速率和傳輸距離比RS 423A更好 圖6 a RS 423A電路連接 b RS 422A電路連接 兩個設備相連時 RS 422A為全雙工 RS 485為半雙工 對于RS 422A 數(shù)據(jù)信號線上只能連接一個發(fā)送驅(qū)動器 而RS 485卻可以連接多個 但在某一時刻只能有一個發(fā)送驅(qū)動器發(fā)送數(shù)據(jù) 因此 RS 485的發(fā)送電路必須由使能端E加以控制 四 RS 485標準串行接口總線 RS 485標準串行接口總線實際上是RS 422A的變型 它是為了適應用最少的信號線實現(xiàn)多站互連 構建數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)的需要而產(chǎn)生的 它與RS 422A的不同之處在于 RS 485用于多個設備互連 構建數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)十分方便 而且 它可以高速遠距離傳送數(shù)據(jù) 因此 許多智能儀器都配有RS 485總線接口 為網(wǎng)絡互連 構成分布式測控系統(tǒng)提供了方便 通過RS 485總線進行多站互連的原理如圖14所示 在同一對信號線上 RS 485總線可以連接多達32個發(fā)送器和32個接收器 最近幾年問世的一些RS 485接口芯片 可以連接更多的發(fā)送器和接收器 128或256個 圖14RS 485總線多站互連原理圖 RS 485接口常用通信芯片 SN75176 MAX485 左圖 MAX485引腳圖下圖 典型連接電路 RS 485方式構成的多機通信原理 RS 485 RS 232接口電路 實現(xiàn)RS 485電平和RS 232電平之間的切換 表4幾種串行標準的比較 圖傳輸距離與傳輸速率的關系 RS 422A與RS 485的傳輸距離與傳輸速率之間的關系如圖所示 速率 b s 距離 m 100M 隔離 將各站的串行通信接口電路與其他站進行電氣隔離 如圖所示 圖光電隔離的RS 485總線 抗靜電放電沖擊 靜電放電會影響電路的正常工作或?qū)е缕骷p壞 解決的辦法是選用帶靜電放電保護的RS 485接口器件 例如MAX1487E MAX483E 491E SN75LBC184等 另一個辦法是在傳輸信號線上加箝位電路 傳輸線的鋪設及屏蔽 1 傳輸線單獨鋪設 不與交流動力線一起鋪設在同一條電纜溝中 2 強信號線與弱信號線避免平行走向 盡量使兩者正交 3 盡量使信號線離干擾線遠一些 一般為干擾導線內(nèi)徑的40倍以上 4 盡量采用帶有屏蔽層的雙絞線 將屏蔽層良好地接地 完整的SPI系統(tǒng)的特性 一 SPI總線標準介紹 全雙工 三線同步傳送 主 從機工作方式 可程控的主機位傳送頻率 時鐘極性和相位 發(fā)送完成中斷標志 寫沖突保護標志 SPI總線標準 SPI外圍擴展示意圖 SPI系統(tǒng)時鐘的極性和相位關系 二 利用模擬SPI擴展串行E2PROM SPI總線標準 93C46引腳排列 SPI總線標準 93C46指令表 8位結(jié)構 SPI總線標準 讀指令 READ 讀指令的時序 SPI總線標準 寫指令 READ 寫指令的時序 SPI總線標準 90C46與80C51單片機的接口與編程 1 利用80C51單片機的串行口實現(xiàn)的接口 SPI總線標準 2 利用軟件仿真SPI實現(xiàn)的接口 三 利用模擬SPI擴展其它的串行接口芯片 SPI總線標準 1 串行時鐘芯片 HT1380與單片機接口電路 SPI總線標準 2 串行LED顯示接口MAX7219 MAX7219與單片機接口電路 SPI總線標準 3 串行模擬量輸入芯片MAX1458 串行A D芯片MAX1458與單片機接口電路 一 I2C標準總線介紹 I2C總線標準 I2C串行總線只有二根信號線 一根是雙向的數(shù)據(jù)線SDA 另一根是時鐘線SCL I2C總線系統(tǒng)示意圖 I2C總線外圍擴展示意圖 I2C總線標準 I2C數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議 1 總線不忙 SCL和SDA保持高電平 2 數(shù)據(jù)傳送開始 SCL保持高電平 SDA發(fā)生一個由高電平到低電平的變化決定起始條件 3 數(shù)據(jù)傳送停止 SCL保持高電平 SDA發(fā)生一個由低電平到高電平的過程 稱為停止條件 4 數(shù)據(jù)有效 啟動和停止信號 在SCL為1時SDA1 0代表start SDA0 1代表stop I2C總線上一位數(shù)據(jù)的傳送時序 SDA變化時SCL一定為0 I2C總線標準 主發(fā)送到從接收 I2C總線的數(shù)據(jù)傳送字節(jié)格式 I2C總線標準 I2C總線標準 二 80C51單片機模擬I2C總線應用實例 PCF8574引腳說明 I2C總線標準 PCF8574及PCF8574A控制字節(jié)的配置 I2C總線標準 讀操作 I2C總線標準 寫操作 I2C總線標準 PCF8574應用和編程 START ACALLSTA 開始條件MOVA 41H PCF8574為讀方式ACALLWRBYT 發(fā)送地址信號ACALLCACK 檢查ACK信號JBF0 ACALLRDBYT 讀數(shù)據(jù)SWAPACPLAMOV30H A I2C總線標準 程序如下 ACALLSTOPACALLSTA 開始條件MOVA 40H PCF8574為寫方式ACALLWRBYTACALLCACK 檢查ACK信號JBF0 MOVA 30HACALLWRBYTACALLDELAY 延時子程序ACALLSTOP 停止條件LJMPSTA I2C總線標準 I2C總線標準 USB概況 主機與外設的通用接口 可用于不同的設備串行 打包傳送2根數(shù)據(jù)線 電源 地線兩個版本 1 1 12Mb s 2 0 480Mb s 設備連線最長5米即插即用必須要有USB主機存在 設備不能獨立工作 USB總線標準 USB總線的優(yōu)點 易于使用 即插即用 可熱插拔 具級聯(lián)方式 并可智能識別鏈上外圍設備的插拔 提供電源 節(jié)省硬件資源 易于連接 主板上提供2 6個USB接口 通過集線器最多可支持127個外設 傳送速率可滿足大多數(shù)外設要求可靠性高 能進行錯誤校驗和控制 且由硬件實現(xiàn) 低成本 主板已集成USB接口 設備端的USB接口控制芯片很便宜 低功耗 不工作時能夠自動進入休眠狀態(tài) 并能自動恢復 USB總線標準 USB采用四線電纜 其中兩根是用來傳送數(shù)據(jù)的串行通道 另兩根為下游設備提供電源 1 USB基本特性 圖1USB電纜 USB電源包括電源分配和電源管理兩方面內(nèi)容 電源分配是指USB如何分配主機所提供的能源 總線供電設備 自供電設備 USB系統(tǒng)的主機有與USB相互獨立的電源管理系統(tǒng) 系統(tǒng)軟件可以與主機的能源管理系統(tǒng)結(jié)合 共同處理各種電源事件 如掛起 喚醒等 USB總線標準 USB系統(tǒng)的基本構架可以分為三個主要的部分 USB主機控制器 根集線器 USB集線器 USB設備 USB總線標準 圖2USB集線器示意圖 USB總線標準 USB總線標準 USB通信模型 客戶 USB主機 USB接口 功能模塊 USB設備 USB接口 主機 設備 消息 數(shù)據(jù)包 位流 USB總線標準 USB主機的軟件和硬件 客戶軟件 USB驅(qū)動程序 USBD USB接口 主控制器驅(qū)動程序 HCD USB主機軟件 USB主機 主機 USB數(shù)據(jù)包格式 主要的 PID USB地址 7位 端點號 CRC PID 數(shù)據(jù) 1 1023字節(jié) CRC 標識包 數(shù)據(jù)包 PID 包的類型編號 PID 應答 USB總線標準 2 USB的數(shù)據(jù)傳輸方式 控制傳輸中斷傳輸批量傳輸同步傳輸 3 USB總線協(xié)議 USB是一種輪詢方式的總線 主機控制器初始化所有的數(shù)據(jù)傳送 USB協(xié)議反映了USB主機與USB設備進行交互時的語言結(jié)構和規(guī)則 發(fā)送端和接收端之間的USB傳輸有兩種類型的信道 流通道和消息信道 USB總線標準 在可靠性傳輸方面 USB提供了多種數(shù)據(jù)傳輸機制 如使用差分驅(qū)動 接收和防護 以保證信號的完整性 使用循環(huán)冗余碼 以進行外設裝卸的檢測和系統(tǒng)資源的設置 對丟失和損壞的數(shù)據(jù)包暫停傳輸 利用協(xié)議自我恢復 以建立數(shù)據(jù)控制信道 從而使功能部件避免了相互影響 在錯誤檢測方面 協(xié)議中對每個包的控制位都提供了循環(huán)冗余碼 并提供了一系列的硬件和軟件設施來保證數(shù)據(jù)的正確性 在錯誤處理方面 協(xié)議在硬件和軟件上均有措施 硬件 匯報錯誤和重新進行一次傳輸 傳輸中若再次遇到錯誤 由USB的主機控制器按照協(xié)議重新進行傳輸 最多可進行三次 若錯誤依然存在 則對客戶端軟件報告錯誤 使之按特定方式處理 4 USB的容錯性能 USB總線標準 一 GP IB IEEE488 總線 GP IB接口總線 發(fā)展 HP IB IEEE 488 IEC 625 ZBY207 GP IB標準接口總線系統(tǒng)要進行有效的通信聯(lián)絡 至少有三類儀器裝置 講者 Talker 聽者 Listener 控者 Controller 下圖中的自動測試系統(tǒng)由數(shù)字電壓表 信號發(fā)生器 打印機和計算機 安裝GP IB卡 組成 圖1GP IB自動測試系統(tǒng) 圖224線連接器的引腳信號 基本特性 24芯 負邏輯 最大傳輸速度1Mbps 系統(tǒng)中裝置數(shù)不超過15 總線長度不超過20米 16根信號線 位并行 字串行31個講地址 31個聽地址 3線握手聯(lián)絡原理保證不同速度設備間的傳輸 3 DAV DataValid 數(shù)據(jù)有效 指示數(shù)據(jù)線上的信號是穩(wěn)定 有效 的 并可由儀器安全接收 控制器在發(fā)送命令時發(fā)送此信號 而講者則在發(fā)送數(shù)據(jù)消息時發(fā)送此信號 1 3根掛鉤線的信號 1 NRFD NotReadyforData 接收數(shù)據(jù)未就緒 指示某儀器是否準備好接收一個消息字節(jié) 該信號線在接收命令時由所有的儀器驅(qū)動 在接收數(shù)據(jù)消息時由聽者驅(qū)動 2 NDAC NotDataAccepted 未接收數(shù)據(jù) 指示某儀器是否接收到消息字節(jié) 該信號線在接受命令時由所有的儀器驅(qū)動 而在接收數(shù)據(jù)消息時由聽者驅(qū)動 3 REN RemoteEnable 遠程允許 系統(tǒng)控制器驅(qū)動REN 用于將各儀器設置為遠程 Remote 編程或本地 Local 編程方式 2 5根管理信號線 1 ATN Attention 注意 控制器在使用數(shù)據(jù)線發(fā)送命令時將這根信號線設置為真 而在某一講者可以發(fā)送數(shù)據(jù)消息時將其設置為假 2 IFC InterfaceClear 接口清除 系統(tǒng)控制器驅(qū)動該信號線對總線初始化 并成功地執(zhí)行控制器 4 SRQ ServiceRequest 服務請求 任何儀器均可以驅(qū)動該信號線 實現(xiàn)異步請求控制器服務 5 EOI EndorIdentify 結(jié)束或識別 講者使用該信號線標記信息字符串的結(jié)束 而控制器則使用該信號線要求各儀器在并行查詢操作中識別各自的響應 3 控制器的操作 控制器加電后一般應發(fā)出IFC信號 使所有的GP IB設備初始化 設置ATN 低電平有效 表示控制器將向總線上的聽者和講者發(fā)送命令 實現(xiàn)對系統(tǒng)的配置和調(diào)度 表1GP IB總線命令地址組合碼 控制器的操作過程 檢測SRQ線 為低電平時 通過查詢確定請求服務的儀器 設置ATN為有效 低電平 發(fā)送X0100001 確定地址為1的儀器為聽者 發(fā)送X1000010 確定地址為2的儀器為講者 設置ATN為高電平 講者與聽者交換數(shù)據(jù) 發(fā)送X0111111 關閉聽者 發(fā)送X1011111 關閉講者 4 三線掛鉤操作 GP IB總線典型應用系統(tǒng) 圖38291A引腳及內(nèi)部結(jié)構圖 5 8291芯片介紹 表28291A內(nèi)部寄存器一覽表 VXI總線儀器系統(tǒng)是模板插卡式結(jié)構的智能儀器系統(tǒng) 可將各種具有獨立功能的模板式智能儀器連接在一起 構成自動測試系統(tǒng)或計算機測控系統(tǒng) 二 VXI總線 VMEbusExtensionsforInstrumentation IAC可在本機 Local 方式下獨立工作 也可通過背板總線進入遠程 Remote VXI總線儀器系統(tǒng)具有信息吞吐量大 配置靈活 結(jié)構緊湊 儀器體積小等特點 卡式儀器 IAC InstrumentAtCard a VXI系統(tǒng)模板尺寸 b VXI系統(tǒng)連接器的總線分布 1 VXI總線裝置的類型 寄存器基裝置存儲器裝置消息基裝置擴展裝置 圖4VXI總線通信規(guī)程示意圖 2 VXI總線系統(tǒng)中采用的軟件標準 IEEE488 2可編程儀器標準命令SCPI 3 VXI總線系統(tǒng)中兩