第5章 智能仪器通信接口设计

第五章智能仪器通信接口设计并行通信接口5.1串行通信接口5.2现场总线5.3工业以太网5.4首页本章内容蓝牙技术5.51.通用总线3.现场总线重点：2.串行接口总线返回4.以太网主要有并行通信接口、串行通信接口、现场总线接口和以太网接口等。为方便各种仪器之间的通信，一般采用标准通信接口。下页上页主要接口方式返回在实际的测量和控制过程中，智能仪器和智能仪器之间、智能仪器与计算机之间需要进行各种信息的交换和传输，这种信息的交换和传输通过仪器的通信接口按照一定的协议实现。是各仪器之间或仪器与计算机之间进行信息交换和传输的联络装置通信接口概述下页上页返回注意：本章介绍智能仪器较常用的标准总线，主要有GP-IB通用接口总线、RS－232C串行总线、RS422/485串行总线、USB通用串行总线、CAN总线等。下页上页返回智能仪器中的公共数字传输通道称为总线（Bus）总线按连接范围划分片间总线（局部总线）内部总线（系统总线）外部总线（通信总线）主要用于芯片级的互连用以实现系统与各种扩展插件板之间的相互连接主要用于仪器间的互连下页上页返回内总线（SystemBus）是系统内部各模块的公共信息通道。１．各模块的设计可通用化；２．具有互换性，损坏一部分只须更换该部分即可；３．只要留有足够的插口，随时可扩展系统的功能；４．改变其中一些模块可以改变仪器的功能采用内总线的优点：目前常用的内总线S-100STD是美国ＭＩＴＳ公司1976年提出适应于Intel8080CPU系列的总线，共100条，其中16条数据线；24条地址线；11条控制线；8条DMA线；8条状态线；8条矢量中断线；9条电源线地线；16条其他用途信号线；主要缺陷是布线不太合理、时钟信号位于控制信号中间，容易产生干扰、地线少、引脚多、几何尺寸大、易变形，目前已极少用。是美国Pro-log公司1979年提出用于工业控制微型计算机的标准系统总线。按工业现场标准设计，具有较好的兼容性，电路板采用小板结构，高度模块化，结构简单，品种齐全，价格低廉，性能良好。支持多微处理器系统。共56条线，其中6条逻辑电源线；8条数据线；16条地址线；22条控制线；4条辅助电源线。适合于8位机，80年代开始在我国流行，现在应用较少.Philips公司于80年代推出的二线串行通信总线广泛应用于系统内部模块或芯片之间的内总线，在单片机系统中应用广泛CI2下页上页返回下页上页返回片内总线一般由芯片制造厂商定义，对外提供的连线均通过芯片的管脚实现，对智能仪器设计的影响不大。内部总线的种类相对较为统一，总线是其中的典型代表。CI2CI2外部总线的种类则比较广泛，由于涉及智能仪器与智能仪器之间，智能仪器和通用计算机之间通信的问题，根据通信性质、通信技术和通信距离的不同，有多种多样的总线可供选择。GP-IB通用并行总线、RS-232C、RS-485和USB(UniversalSerialBus)等串行总线、CAN现场总线。总线在多个领域应用广泛。举例：下页上页返回总线按数据传输特点划分并行总线串行总线指多个数据位同时传输或接收，可分为不同位数（宽度）的并行总线（如8位、16位等），当距离较近而且要求传输速率较高时通常采用此总线传输方式数据逐位传输，发送或接收数据最多只需两根导线，其一用于发送，另一用于接收；串行通信采用不同的工作方式，还可将发送和接收二线合一，具有经济实用的特点，当设备距离较远时通常采用串行总线方式。下页上页返回相同条件下：串行传输速度＜并行传输速度注意：下页上页返回上述的各种外部总线都有很多厂商推出了相应的通信接口，有些接口已经直接在芯片级予以实现，使用非常方便。随着新技术、新的通信手段的发展，新的通信接口还会不断涌现。综述：通用接口总线GP-IB（GeneralPurposeInterfaceBus）目前大多数智能检测仪器带有通用接口总线GP-IB下页上页返回5.1并行总线它最早由美国HP公司研制，称:HP-IB标准。1975年IEEE将其改进，规范化为IEEE-488标准，1977年IEC又将其命名为IEC-625国际标准，目前多称其为:GP-IB。5.1.1通用接口总线1、可通过一条总线将多台仪器互联，组成自动测试系统。系统中可以连接的仪器不超过15台，互连总线的长度不超过20米。下页上页返回适应于轻微干扰的试验室或现场，可用于智能检测、计算机、导航、通信等领域。基本特性下页上页返回2、数据传送采用位并行、字节串行的双向异步传输方式，最大传输速率不超过1兆字节/每秒。3、总线上传输的消息采用负逻辑，即低电平（≤0.8V）为逻辑“1”，高电平（≥2.0V）为逻辑“0”。4、采用单字节地址时可有31个讲地址和31个听地址；采用双字节地址时可有961个讲地址和961个听地址。协议中用到的术语是对系统控制的设备，能发出各种命令、地址，也能接收其他仪器发来的信息。下页上页返回1、控者、讲者、听者控者控者能对总线进行接口管理，规定每台仪器的具体操作。下页上页返回一个系统可有多个控者，但每一时刻只能有一个控者起作用。是产生和向总线发送仪器消息（即测量数据和状态信息）的设备。讲者一个系统中可有两个以上的讲者，但每一时刻只能有一个讲者起作用，若有多个讲者同时将数据放于总线上，会引起数据传输的混乱。下页上页返回是接收总线上传来的数据的设备，听者一个系统内可同时有多个听者工作，同时接收总线上的数据。控者、讲者、听者是所有传输过程中必不可少的三个设备，在一个系统中控者、讲者、听者的身份可根据系统的功能和所要完成的任务而改变。下页上页返回2、消息是各台仪器之间通过接口总线传输的各种信息。仪器之间的通信即为发送和接收消息的过程。下页上页返回消息按使用信号线的条数可分为单线消息和多线消息。单线消息：指用一条信号线传送消息多线消息：指用两条以上的信号线传送消息多线仪器消息多线接口消息下页上页返回•多线仪器消息与仪器特性密切相关，由设计者选择•多线接口消息分为通用命令、寻址命令和地址三大类通用命令由控者发出，所有设备必须听并且执行。寻址命令由控者发出，只有被寻址的设备才能听。地址分为听地址、讲地址和副地址。下页上页返回消息按来源可分为远地消息和本地消息。远地消息：指经总线传送的消息，规定用三个大写字母表示本地消息：指由设备本身产生的只能在设备内部传递、不能传送到总线的消息，用小写字母表示。下页上页返回消息按用途可分为接口消息和仪器消息。接口消息：用于管理系统接口的消息，只能在相关设备的接口部分和总线之间传递，被接口功能利用和处理，通过各种命令、地址使接口功能的状态发生变化，不允许传到仪器功能部分。仪器消息：与仪器功能有关的消息，在仪器功能之间传送，由仪器功能利用和处理，不改变接口功能和状态，如测量数据等。下页上页返回其关系如图8.7所示图5.1接口消息和仪器消息下页上页返回仪器功能与接口功能仪器功能是把收到的控制信息变成仪器的实际动作，如调节频率、调节信号的电平等，与常规仪器设备的功能相同。不同的测量仪器其仪器功能相差很多。自动测试系统的任一仪器设备分仪器和接口两部分接口功能是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。GP－IB标准接口的总线结构GP-IB标准接口系统包括接口和总线两部分接口部分由各种逻辑电路组成，与各仪器装置安装在一起，用于对传输的信息发送、接收、编码和译码总线部分是一条无源的24芯电缆，用于传输各种消息，接口系统结构如图5.2所示下页上页返回图5.2GP-IB标准接口系统结构下页上页返回24条线又包含8条数据线、3条挂钩联络线及5条接口管理线共16条信号线，其余为地线及屏蔽线。各信号线定义如下：⑴8条双向数据线：DIO1～DIO8，传递数据、命令及地址。⑵3条数据挂钩联络线：控制数据总线的时序，保证数据总线能正确传输信息。下页上页返回•DAV（DataValid）数据有效线,低电平表示有效，当数据线上出现有效数据时，讲者置其为低电平，示意听者从数据线上接收数据。•NRFD（NotReadyForData）数据未就绪线，被指定的听者中只要有一个未准备好接收数据，NRFD就为低，示意讲者暂不要发出信息。•NDAC（NotDataAccepted）数据未收到线，被指定的听者中只要有一个听者未从数据总线上收到数据时为低，示意讲者保持数据线上的信息。三线挂钩原理在GP－IB系统中，每传递一个字节的数据信息，源方（讲者与控者）与受方（听者）之间都要进行一次三线挂钩过程。假定地址已发送，听者和讲者均已受命。三线挂钩过程如下：三线联络的基本过程如图5-3所示，图中带圈的数字表示联络的时间顺序。下面说明三线联络的过程。原始状态：讲者置DAV线为高①，听者置NRFD和NDAC线为低②，然后讲者检测NRFD和NDAC，如均为低（不允许均为高）;准备状态：讲者要把发送的数据字节送到DIO1～DIO8上③。当确认各听者都已做好接收数据的准备，即NRFD线为高④，且数据总线DIO上的数据稳定之后，讲者使DAV线变低⑤，告知听者在DIO线上有有效数据。三线联络的基本过程接受数据：作为对DAV变低的回答，最快的听者把NRFD线拉低⑥，表示它因当前的字节而变忙，即开始接收数据。最早接收完数据的听者欲使NDAC线变高(如图中虚线所示)，但因其他听者尚未接收完，故NDAC线仍保持为低，只有当所有的听者接收到此字节后，NDAC线变高⑦。在讲者确认NDAC线为高后，升高DAV线⑧，并撤掉总线上的数据⑨。听者确认DAV线为高之后，置NDAC为低⑩，至此完成了传送一个字节数据的三线联络过程。三线联络的基本原则对于讲者：只有当接收者即受者都做好了接收消息的准备，才能宣布送到数据线上的消息是有效的；只有所有受者都接收完以后，才能撤销数据线上的消息。对于听者：只有确知数据线上的消息是自己应该接收的，并且在源者宣布数据有效时才能接收。三线联络实际上就是利用DAV、NRFD、NDAC三根线的互锁联络操作来保证信息在总线上的准确、可靠、无误的传递。下页上页返回⑶5条接口管理线：控制总线接口的状态。•ATN（Attention）注意线，由控者使用，指明数据线上的数据类型，ATN为低电平，表示数据线D1～D8上的信息是控者发出的接口消息，ATN为高电平，表示D1～D8为讲者发出的仪器消息。•IFC（InterfaceClear）接口清除线，由控者使用，IFC为低电平时，接口系统复位。下页上页返回•REN（RemoteEnable）远程控制线，由控者使用，REN为低电平，表示仪器处于远程工作状态，面板手工操作停用；REN为高电平表示仪器处于本地工作方式。•SRQ（ServiceRequest）服务请求线，所有设备均可发出，SRQ为低电平时表示向控者申请服务。•EOI（EndOrIdentify）结束或识别线，EOI与ATN配合使用，在EOI为高、ATN为低时表示讲者已传完一组数据；在EOI为高、ATN为高时，表示控者要进行识别操作，要求设备将其状态放在数据线上。下页上页返回GP-IB标准规定了十种功能：1）控者功能（ControllerFunction）简称控（C）功能，产生对系统的管理消息，发布各种通用命令，指定数据传输过程中的讲者和听者，进行串行或并行点名，接受其他仪器的服务请求和状态数据。2）讲者功能（TalkerFunction）简称讲（T）功能，由控者指定某仪器为讲者时，它才具有讲功能，将测量数据或状态信息等通过接口发送给其他仪器。下页上页返回3）听者功能（ListenerFunction）简称听（L）功能，所有仪器都必须设置听功能。当仪器被指定为听者时具有听功能，此时从总线接收控者的程控命令和讲者的测量数据、显示数据。在自动测控系统中，为了进行有效的信息传递，一般“控者”、“讲者”和“听者”三种基本功能是系统中必不可少的。此外，为了使系统传送的信息准确、可靠，协议中采用三线技术，设置了源挂钩功能和受者挂钩功能。下页上页返回4）源挂钩功能（SourceHandshakeFunction）简称SH功能。讲者和控者必须配置源挂