第四章数字化医疗仪器通信接口.

第四章数字化医疗仪器通信接口数字化医疗仪器本章内容GB-IB通用总线接口串行通信总线接口串行通信接口电路的设计RS-422总线与RS-485总线USB通用串行总线4.1GP-IB通用接口总线4.4.1GP-IB标准接口系统概述GP-IB(GeneralPurposeInterfaceBus)---是国际通用的仪器接口标准。一、GP-IB标准接口系统的基本特性接口部分：由各种逻辑电路组成，与各仪器装置安装在一起，用于对传送的信息进行发送、接受、编码和译码。总线部分：是一条无源的多芯电缆,用作传输各种消息。该标准包括接口和总线两部分图4-1系统中，要进行联络至少有讲者、听者、控者三类装置。讲者听者控者是数据传输过程中的组织者和控制者。如计算机。是通过总线发送仪器消息的仪器装置。如测量仪器、数据采集器、计算机等。是通过总线接受由讲者发出消息的装置。如打印机、信号源等。对于系统中的某一台装置可以具有三要素(讲者、听者、控者)中的一个，二个或全部。GP-IB系统中的计算机一般同时具有讲者、听者、控者的功能。GP-IB标准接口系统的基本特性主要如下:系统装置有限、双向异步传送、及负逻辑信息等。GP-IB标准接口系统GP-IB标准接口系统基本特性总线连接装置有限：15台；总线长度不超过20米采用并行或串行双向异步传送方式，最大传输速率不超过1兆字节/秒。采用负逻辑消息：低电平为逻辑“1”，高电平为逻辑“0”。地址容量：单字节地址（31个讲地址、31个听地址）；双字节地址（961个讲地址、961个听地址）。适用电气干扰轻微实验室和生产现场。二.GP-IB标准接口的总线结构24芯电缆：其中16条被用做信号线，其余被用做逻辑地线及屏蔽线。总线上传递的各种信息通称为消息，见下图：接口总线仪器消息仪器功能接口功能接口功能仪器功能总线接口消息和仪器消息接口消息:管理接口部分完成各种接口功能的信息，它由控者发出，只被接口部分所接受和利用。仪器消息:与仪器自身工作密切相关的信息，只被仪器部分接受和利用。GP-IB标准接口总线中的16条线按功能可分为三组：8条双向数据总线（DIO1-DIO8）3条数据挂钩联络线（三线挂钩原理）5条接口管理控制线作用是控制GP-IB总线接口的状态。ATN:注意线（控者发出：=1时讲者发出为接口消息、=0时为仪器消息，听者受命）；IFC:接口清除线（控者使系统恢复初始状态）REN:远程控制线（=1为远程，=0为本地方式）SRQ:服务请求线（=1为设备提出服务请求）；EOI:结束或识别线（EOI=1、ATN=0讲者已传完一组数据，EOI=1、ATN=1控者识别操作，要求设备把状态放在数据线上）。控制数据总线的时序，保证数据总线正确、有节奏地传输数据，称为三线挂钩技术：DAV:数据有效线（讲者将有效发送数据）；NRFD:数据未就绪线（听者未准备好接收数据）；NDAC:数据未收到线（听者未收完数据，讲者不能撤消总线上的数据）。（注意：负逻辑）321465DAVNRFDNDAC三线挂钩简单时序三、三线挂钩原理见下图4.1.2接口功能和接口消息一、仪器功能与接口功能接口总线仪器消息仪器功能接口功能总线仪器功能接口功能仪器功能：把收到的控制信息变成仪器设备的实际动作。接口功能：是指完成系统中各仪器设备之间正确通信,确保系统正常工作的能力。基本功能：控者功能（C）；讲者功能（T）；听者功能（L）；源挂钩功能（SH）；受者挂钩功能（AH）；管理功能：服务请求功能（SR）；并行点名功能（PP）；远控本控功能（R/L）；装置触发功能（DT）；装置清除功能（DC）。二、接口功能的配置（十种接口功能）按用途分：总线上传递的消息可分为①接口消息、②仪器消息按传递的途径分:①本地消息②远地消息按信号线的数目分:①单线消息:无需编码。②多线消息:需统一编码，表4-1仪器消息也有明确的编码与格式。三、接口消息及编码…计算机（控制）扫描器（听着）电桥（听／讲着）数字电压表（听／讲着）打印机（听着）多路开关GP－IB总线压力传感器自动测试系统框图4.1.3GP-IB标准接口系统的运行(图4-4)4.2串行通信总线串行通信分为:同步通信和异步通信。同步通信:传输速度快,实用性差,容易出错。异步通信:传输速度较慢,出错率低。（见下页图）4.2.2串行通信协议串行数据由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位组成：构成字符的每个二进制数据位,依照一定的顺序逐位进行传送的通信方式。4.2.1串行通信基本方式发送器接收器时钟发生器发送器时钟发生接收器时钟发生时钟同步（b)异步通信（b)同步通信数据数据在异步通信中,接受和发送双方必须保持相同的传送速率即波特率。波特率:每秒传送的二进制数(比特/秒)。典型:1200,2400,4800,9600,19200bit/s等。CRT调制解调器调制解调器远程主机公共电话交换网DTEDCEDCEDTERS-232接口RS-232接口4.2.3RS-232C标准(图4-16)25针的连接器,最常用的是9个通信信号①基本数据传送信号；②调制解调器控制信号。一、基本数据传送信号TXD:发送数据信号；RXD:接受数据信号；GND:地信号。二、Modem控制信号从计算机到Modem信号:DTS:数据终端就绪信号；RTS:请求发送信号；从Modem到计算机信号DSR:数据装置就绪信号；CTS:允许发送信号；DCD:数据载波检测信号；RI:振铃指令信号。在实际的微机及微机化设备的通信中,不需要Modem.下图中“零调制解调器”只使用了TXD、RXD和GND三根线：DTEDTE零调制解调器TxDTxDGNDGNDRxDRxD“零调制解调器”联结图TTL+5V+12VTTL输入输出输出RS-232CRS-232C-12VRS-232C标准使用负逻辑“1”在-5V~-15V;“0”在+5V~+15V。不与TTL兼容，必须进行电平转换。传输线驱动器MC1488；接受器MC1489。见下图RS232C与TTL电平变换器&1输入RS－232C总线标准1．机械特性标准RS-232C的机械特性主要表现在接口连接器上。规定采用25脚D型插头／插座，如图12．9所示。阳性插头(DB-25-P)与DTE相连，阴性插座(DB-25-S)与DCE相连。然而RS-232C标准在连接器方面没有严格规定，以致后来出现了9脚D型插头／插座(如图12．10所示)以及其他连接形式。2．引脚信号定义RS-232C是从DTE的角度来定义引脚信号的。尽管近距离通信不使用Modem，但是在说明引脚功能时还需要以使用电话线传输的最初设计来描述。Rs-232C规定了两个信道(即通信通道)：主信道和辅助信道，另有4个引脚未定义。辅助信道的传输速率比主信道慢，一般不使用。用于主信道的有15个引脚，掌握其中10个即10个信号的功能及连接方法基本就可以了。这10个信号的名称及功能见表12．1。Attention图12．11表明了DTE已准备好一个字节数据、希望通过DCE传输的过程。从中可以看出，DSR和DTR、RTS和CTS是两对握手联络信号，在规定的时间内这两对信号联络成功才能进行传输。3．电气特性标准RS-232C采用负逻辑，用-15～-3V(通常取-12V)表示1，用+3～+15v(通常取+12V)表示O。这种电平称为EIA电平，而计算机和终端一般采用TTL电平，所以通过RS-232C进行数据传输需要进行电平转换。MCl488和SN75150是典型的由TTL电平变EIA电平的器件，而MCl489和SN75154是典型的由EIA电平变TTL电平的器件。图12．12所示是通过MCl488和MCl489进行信号连接的示意图。RS-232C的电气特性还有其他规定，如驱动器要能经得起任意两脚的开路或短路，最大传输速率为20000bps，接口的负载电阻在3kΩ至7kΩ之间，接口的负载电容应小于等于2500pF等。4.3串行通信接口电路的设计4.3.1智能仪器串行通信接口的结构一、串行通信接口的扩展串行接口完成串并转换，它与CPU的数据接口是并行的，而与外界的数据接口应是串行的，图4-10。二、MCS-51串行通信接口结构及通信方式图4-20MCS-51内部有一个全双工的串行口。内部有两个独立的接受，发送缓冲器SBUF。公用一个地址99H，使用同一标号SBUF由SCON，PCON控制串行口的工作方式及波特率。定时器T1作为波特率发生器。MCS-518250INT0P2.774LS373调制解调器1P0RDWRTXDRXDRSTDTRCTSDSRDUSTRDISTRADSGNDD0~7RDWRXTAL1INTRPTCS2A2A1A0采用8250的串行接口扩展电路RXDTXD串行中断SUBF发射控制接收控制SUBF波特率控制发送接口接受接口写SUBF写SUBFDBDBMCS-51串行口原理图SCON:包含串行口的方式选择位，接受发送控制位和串行口的状态标志,地址为98H，可位寻址。格式如下SM0、SM1：为串行口的方式选择位，见下表：位功能SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI位地址9F9E9D9C9B9A9998SM2:为允许方式2,3的多机通信控制位。REN:允许串行接受位。TB8:方式2,3为发送第9位数据，由软件置/复位。RB8:方式2,3为接收第9位数据；方式1，SM2置0为收到停止位；方式0不使用。TI:为发送中断标志.RI:为接受中断标志.PCON:波特率系数控制寄存器,地址为87H，格式如下SMOD=1,使波特率加倍.SMODMCS-51共有四种工作方式方式0:移位寄存器输入输出方式。方式1:8位异步通信接口。方式2:波特率固定的9位异步通信接口。方式3:波特率可变的9位异步通信接口。方式2,3利用SCON中的SM2位,可方便地实现双机通信。TXDRXDRXDTXD4.3.2MCS-51系统串行通信设计举例一、双机通信(图4-21)设甲机发送,乙机接受.对于单片机之间的通信,只要设定发送机和接受机处于相同的工作方式，即可保证数据传送格式相同。8031甲机8031乙机双机通信举例分析设甲机为发送，其任务是把78H，77H内容为首地址；76H，75H内容为末地址的一段数据块通过串行口向乙机发送。乙机为接收，其任务是接收甲机发送的数据，并把接收到的数据存入由甲机规定的一段存储器单元中。两机通信必须规定相同的数据传送格式和波特率。对于单片机之间的通信，只要设定发送机和接收机处于相同的工作方式，即可保证数据传送格式相同，本例采用方式1，即一位起始位，8位数据位和一位停止位。采用定时器T1作为波特率发生器，初始化T1为方式2，时间常数为F3H，若时钟为f0＝6MHz串行口SMOD位置位，则波特率＝2400b／s。由于乙机存放数据的地址是由甲机规定的，所以甲机在发送正式数据之前必须先发送存放数据的首地址和末地址。两机通信的程序框图见图4-13和图4-14所示。二.多机通信主从机之间可相互通信，但从机之间不能直接通信。主从式多机分布式系统TXDRXD8031主机RXDTXD8031从机RXDTXD8031从机RXDTXD8031从机MCS-51机串行口的方式2和方式3是为多机通信而设计的。其中串行口控制寄存器SCON中的SM2和TB8(即第9位数据)起着重要的作用。在传送数据时，置TB8为0，在传送地址时，置TB8为1。当一台MCS-51机在接收时：若SM2为1，它只能接收地址信号，即接收到的第9位数据为1(TB8为1)时，数据装入SBUF，并置RI为1向CPU发出中断请求；如果接收到的第9位数据为0(TB8为0)，则不产生中断标志，信息将抛弃。而当SM2为0时，则可以接收所有信息。根据这个功能，可以组成多机通信系统并能保证主机与所选从机交换信息，其他从机则不受影响。4.3.3PC机系统与MCS-51系统的通信PC机MCS-51系统MCS-51系统MCS-51系统1488148914881