第2章智能仪器的标准数据通信接口

文华学院机电学部第2章智能仪器的标准数据通信接口引言2.1RS-232标准串行接口总线2.2SPI总线标准2.3I2C标准总线2.4USB总线标准2.5CAN总线2.6GP-IB接口总线2.7PTR2000无线数据传输文华学院机电学部凡是配有标准通信接口的仪器和计算机，不分国家、厂家，都可以借助于一条无源电缆总线按积木式互连，灵活地组成各种不同用途的自动测试系统，以完成复杂的测试任务自动测试系统引言规范包括机械结构：尺寸、规格等。电气：逻辑电平、负载能力、信息编码格式等。功能结构：引脚定义及功能、中断机制、总线主控仲裁、应用逻辑等。总线为方便计算机内外各部件的兼容，联接通道采用统一的标准化结构。它是不同模块组成系统时必须遵守的规范。文华学院机电学部典型外总线（通信总线）：RS-232、RS423、RS422、RS485I2C、SPI、USB、CAN、GPIBVXI、Centronics分类：按位置：片内总线、片外总线、内总线、外总线按功能：地址总线、数据总线、控制总线、电源和地线按传输方式：串行、并行按范围：全局总线、局部总线典型内总线（系统总线）：ISA、EISA、PCI、STD引言文华学院机电学部1.数据率——波特率（BaudRate2.单工、半双工与全双工甲发乙收(a)甲发乙收(b)发收甲发乙收(c)发收回顾51单片机的串行接口知识一、串行通信技术的基础知识比特率为单位时间内传输二进制代码的位数，单位为b/s。波特率即调制速率，可以理解为单位时间内传输码元符号的个数，其单位为波特（Baud）。比特率=波特率×单个调制状态对应的二进制位数文华学院机电学部3.1）D00/1DnD1D010数据位奇偶位起始位一字符帧空闲位下一字符帧停止位起始位0在异步通信中，CPU与外设之间在传送数据前必须有两项约定，即字符帧格式和波特率。注意：异步通信中，接收设备和发送设备保持相同的传送波特率，并以字符数据的起始位与发送设备保持同步。文华学院机电学部2）同步字符1数据字符1数据字符2数据字符3数据字符nCRC1CRC2(a)同步字符1数据字符1数据字符nCRC1CRC2同步字符2数据字符2(b)(a)单同步字符帧格式(b)双同步字符帧格式对数字信号不加调制，以其基本形式进行的传输称之为“基带传输”。基带传输中数字信息的形式是与其通信速率有关的开关信号，覆盖相当宽广的频谱。4.基带传输文华学院机电学部5.调制/解调与调制解调器调制的本质是将频带宽度无限的数字信号转换为频带宽度有限的调制信号（模拟信号或射频信号），从而增加其可靠传输的距离。在接收端通过解调再将调制信号恢复为原来的数字信号，这一过程被称为调制解调。承担调制/解调任务的设备称之为调制解调器（Modem）。通过Modem的串行通信示意图智能设备Modem数字信号数字信号Modem智能设备100011100011101010模拟信号文华学院机电学部功能：全双工串行口、字符帧格式、软件编程二、51系列单片机串行口的功能和工作方式串行接收指令：MOVA，SBUF串行发送指令：MOVSBUF，A方式0在方式0下，串行口作同步移位寄存器用，其波特率固定为fosc/12。串行数据从RXD(P3.0)端输入或输出--低位在前高位在后，同步移位脉冲由TXD(P3.1)送出。这种方式常用于扩展I/O口。方式1是波特率可变10位异步串行通信方式，以TXD为串行数据的发送端，RXD为数据的接收端。每帧数据包括1个起始位，8个数据位和一个停止位。方式1文华学院机电学部波特率方式1波特率由定时/计数器T1的计数溢出率来决定。波特率=2SMOD×（T1溢出率）/32）－（波特率＝初值T125612322SMODoscf波特率）＝初值12322256T1SMODoscf文华学院机电学部方式2下，串行口为11位UART，传送波特率与SMOD有关。发送或接收一帧数据包括1位起始位0，8位数据位，1位可编程位(用于奇偶校验或多机通信中的控制位)和1位停止位1。当SMOD=0时，波特率=20╳fosc/64=fosc/64当SMOD=1时，波特率=21╳fosc/64=fosc/32方式2方式3同样是一帧11位的串行通信方式，其通信过程与方式2完全相同，所不同的仅在于波特率。方式2的波特率只有固定的两种，而方式3的波特率则与方式1相同，即通过设置T1的初值来设定波特率。方式3文华学院机电学部华中科技大学文华学院三、串行口的编程串行口需初始化后,才能完成数据的输入、输出。其初始化过程如下:(1)按选定串行口的操作模式设定SCON的SM0、SM1两位二进制编码。(2)对于操作模式2或3,应根据需要在TB8中写入待发送的第9位数据。(3)若选定的操作模式不是模式0,还需设定接收/发送的波特率。设定SMOD的状态,以控制波特率是否加倍。若选定操作模式1或3,则应对定时器T1进行初始化以设定其溢出率。串行口初始化编程格式：MOVSCON，#控制状态字；写方式字且TI=RI=0(MOVPCON，#80H)；波特率加倍(MOVTMOD，#20H)；T1作波特率发生器(MOVTH1，#X)；选定波特率(MOVTL1，#X)(SETBTR1)(SETBEA)；开串行口中断(SETBES)文华学院机电学部华中科技大学文华学院发送查询方式：…；初始化部分略TRAM：MOVSBUF，@R0；发送一个字符WAIT：JBCTI，NEXT；等待发送结束SJMPWAITNEXT：INCR0；准备下一次发送SJMPTRAM接收查询方式：…；初始化部分略WAIT：JBCRI，NEXT；查询等待SJMPWAITNEXT：MOV@R0，SBUF；保存接收数据INCR0；准备下一次接收SJMPWAIT文华学院机电学部华中科技大学文华学院发送中断方式：ORG0023H；串行口中断入口AJMPSINTMAIN：…；初始化编程TRAM：MOVSBUF，@R0；发送第一个字符SJMP$；等待中断SINT：CLRTI；中断服务程序MOVSBUF，@R0；发送下一个字符DJNZR7，NEXT；数据块未发送完继续CLREASJMPTENDNEXT：INCR0TEND：RETI文华学院机电学部华中科技大学文华学院接收中断方式：ORG0023H；串行口中断入口AJMPRINTMAIN：…；初始化编程SJMP$；等待中断RINT：CLRRI；中断服务程序MOV@R0，SBUF；保存接收数据DJNZR7，NEXT；数据块未接收完继续CLREASJMPTENDNEXT：INCR0TEND：RETI文华学院机电学部RS-232C标准定义了数据通信设备（DCE）与数据终端设备（DTE）之间进行串行数据传输的接口信息，规定了接口的电气信号和接插件的机械要求。RS-232C对信号开关电平规定如下：一、RS-232C标准串行接口总线1.总线描述逻辑“0”：+5~+15V；逻辑“1”：-5~-15V。逻辑“0”：+3V逻辑“1”：-3VRS-232C采用负逻辑，噪声容限可达2V。文华学院机电学部表2RS-232C标准串行接口总线的常用信号文华学院机电学部计算机与智能设备通过RS-232C标准总线直接互连传输数据是很有实用价值的，一般使用者需要熟悉互连接线的方法。2.RS-232C接口的常用系统连接图1带RS-232C接口的通信设备连接DTE(计算机或终端)22RIDCE(Modem或其他远程通信设备)20DTR8DCD7GND6DSR5DTS4321222087654321RTSRxDTxD保护地文华学院机电学部图3全双工最简系统连接7GND智能设备1RxDTxD7GND智能设备2RxDTxD3322图2全双工标准系统连接20DTR计算机或智能设备8DCD7GND6DSR5CTS4RTS321RxDTxD保护地20DTR计算机或智能设备8DCD7GND6DSR5CTS4RTS321RxDTxD文华学院机电学部图4调制解调器通信系统连接图智能设备17有线(无线)ModemGND6DSR4RTS3RxD2TxD电台智能设备27有线(无线)ModemGND6DSR4RTS3RxD2TxD电台(无线)(有线)文华学院机电学部3.电平转换RS-232C不能和TTL电平直接相连，使用时必须进行电平转换。常用的电平转换芯片有：MAX232和MAX233文华学院机电学部MAX232典型接线图MAX233典型接线图文华学院机电学部虽然RS-232C使用很广泛，但它存在着一些不足，主要有：（1）数据传输速率低，一般低于20kb/s。（2）传输距离短，一般局限于15m。即使采用较好的器件及优质同轴电缆，最大传输距离也不能超过60m。（3）有25芯D型插针和9芯D型插针等多种连接方式，不利于标准化设计。（4）信号传输电路为单端电路，共模抑制性能较差，抗干扰能力弱。二、RS-422A与RS-423A标准串行接口总线文华学院机电学部MCBT13MC3486(a)MC3487MC3486(b)RS-423A与RS-232C兼容，单端输出驱动，双端差分接收。正信号逻辑电平为+200mV～+6V，负信号逻辑电平为-200mV～-6V。在传输速率和传输距离上都优于RS-232C。RS-422A与RS-232C不兼容，双端平衡输出驱动，双端差分接收，从而使其抑制共模干扰的能力更强，传输速率和传输距离比RS-423A更好。图6(a)RS-423A电路连接；(b)RS-422A电路连接文华学院机电学部两个设备相连时，RS-422A为全双工，RS-485为半双工；对于RS-422A，数据信号线上只能连接一个发送驱动器，而RS-485却可以连接多个，但在某一时刻只能有一个发送驱动器发送数据。因此，RS-485的发送电路必须由使能端E加以控制。四、RS-485标准串行接口总线RS-485标准串行接口总线实际上是RS-422A的变型，它是为了适应用最少的信号线实现多站互连，构建数据传输网的需要而产生的。它与RS-422A的不同之处在于：文华学院机电学部RS-485用于多个设备互连，构建数据传输网十分方便，而且，它可以高速远距离传送数据。因此，许多智能仪器都配有RS-485总线接口，为网络互连，构成分布式测控系统提供了方便。通过RS-485总线进行多站互连的原理如图14所示。在同一对信号线上，RS-485总线可以连接多达32个发送器和32个接收器。最近几年问世的一些RS-485接口芯片，可以连接更多的发送器和接收器（128或256个）。文华学院机电学部图14RS-485总线多站互连原理图RtEDDEEDDEEDDERt文华学院机电学部RS-485接口常用通信芯片：SN75176、MAX485左图：MAX485引脚图下图：典型连接电路文华学院机电学部RS-485方式构成的多机通信原理：文华学院机电学部RS-485/RS-232接口电路：实现RS-485电平和RS-232电平之间的切换文华学院机电学部表4几种串行标准的比较特性参数RS-232CRS-423RS-422RS-485工作模式单端发单端收单端发双端收双端发双端收双端发双端收在传输线上允许的驱动器和接收器的数目一个驱动器一个接收器一个驱动器10个接收器一个驱动器10个接收器32个驱动器32个接收器最大电缆长度15m1200m(1kbit/s)1200m(90kbit/s)1200m(100kbit/s)最大数据率20kbit/s100kbit/s(12m)10Mbit/s(12m)10Mbit/s(12m)驱动器输出（最大电压值）±25v±6v±6v-7v~+12v驱动器输出（信号电平）±5v（带负载）±15V（未带负载）±3.6v（带负载）±6v（未带负载）±2v（带负载）±6v（未带负载）±1.5v（带负载）±5v（未带负载）驱动器负载阻抗3k~7kΩ450Ω100Ω54Ω驱动器电源开路电流（高阻状态）Vmax/300ΩΩ（开路）±100μA（开路）±100μA（开路）±100μA（开路）接收器输入电压范围±15v±10v±12v-7v~+12v接收器输入灵敏