第五章 智能仪器的通信与总线技术(1)

智能仪器的数据通信技术（1）串行数据通信通信技术并行数据通信通信技术现场总线以太网接口ABS控制示例RS-232标准串行接口总线RS-422/RS-423标准串行接口总线RS-485标准串行接口总线I2C总线SPI总线1-Wire总线USB总线第一节串行数据通信技术一、串行通信的基本概念串行通信是将数据一位一位地传送。它只需要一根数据线,硬件成本低,而且可以使用现有的通信通道（如电话、电报等）,故在智能化测控仪器仪表中,通常采用串行通信方式来实现与其他仪器或计算机系统之间的数据传送。下面介绍串行通信的一些基本概念。（一）数据率——波特率（BaudRate）所谓波特率,是指每秒串行发送或接收的二进制位（bit）数目,其单位为b/s（每秒比特数）。它是衡量数据传输速度的指标,也是衡量传送通道频带宽度的指标。（二）单工、半双工与全双工按照智能设备发送和接收数据的方向,以及能否同时进行数据传输,可将数据传输分为单工、半双工与全双工三种,如图所示。图：单工、半双工和全双工示意图(a)单工；(b)半双工；(c)全双工甲发乙收(a)甲发乙收(b)发收甲发乙收(c)发收1、单工（Simplex）方式：相互通信的任何一方仅允许数据单方向传送。2、半双工（HalfDuplex）方式：通信的双方既可以发送又可以接收数据,但是发送和接收数据只能分时使用同一传输线路,即在某一时刻只允许进行一个方向的数据传送。3、全双工（FullDuplex）方式：通信的双方采用两根传输线连接两端设备,可同时进行数据的发送和接收。在串行传送中,没有专门的信号线可用来指示接收、发送的时刻并辨别字符的起始和结束,为了使接收方能够正确地解释接收到的信号,收发双方需要制定并严格遵守通信规程（协议）。串行传送有异步和同步两种基本方式。（三）串行传送（通信）方式及规程串行通信的控制方式同步通信：SYNChronousdatacommunication以帧（Frame）为独立的传送单位收/发双方使用同一时钟每帧数据有同步字符、校验字符，效率较高异步通信：ASYNChronousdatacommunication以单个字符为传送单位字符之内同步传送，字符之间不同步收/发双方可以没有共同的时钟每个字符有起始位、停止位等附加信息，数据传输效率不高异步传送是以字符为单位传送的。异步传送的每个字符必须由起始位（1位“0”）开始,之后是7位或8位数据和一位奇偶校验位。数据的低位在先,高位在后,字符以停止位（1位、1位半或2位逻辑“1”）表示字符的结束,从起始位开始到停止位结束组成一帧信息。1、异步传送规程1个异步串行通信字符包含：起始位——1bit，“0”数据位——5～8bit，由低到高依次发送校验位——0～1bit，奇/偶校验停止位——1、1.5或2bit，“1”字符之间：空闲位，“1”共7~12bit1001000111111空闲位起始位偶校验停止位空闲位数据位（62H）异步串行通信字符例：7位数据‘b’、偶校验、2位停止位，则异步串行通信字符为：因此,异步串行传送的一帧字符信息由四部分组成：起始位、数据位、奇偶校验位和停止位（如图所示）。停止位后面可能不会立刻紧接下一字符的起始位,这时停止位后面一直维持“1”状态,这些位称为“空闲位”。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图：异步串行传送数据格式异步传送对每个字符都附加了同步信息，降低了对时钟的要求,硬件较为简单，但冗余信息（起始位、停止位和奇偶校验位）所占比例较大，数据的传输速度一般低于同步传送方式。异步传送的标准波特率有很多种，目前常用的是300、600、1200、2400、4800、9600和19200b/s。图：同步传送的数据格式同步1同步2…同步m数据1数据2…数据nCRC1CRC22、同步传送规程在同步传送过程中,必须规定数据的长度（每个字符有效数据为几位），并以数据块形式传送,用同步字符指示数据块的开始。同步字符可用单字符、双字符或多字符。数据块之后为CRC（CyclicRedundancyCheck,循环冗余校验码）字符，用于检验同步传送的数据是否出错。同步传送的数据格式如图所示。由于同步传送中的冗余信息（同步字符、CRC字符）所占比例小,因此数据的传输速度一般高于异步传送方式。由于要求发送方与接收方的时钟精确同步,因此同步传送方式的硬件较为复杂。时钟信息可以通过一根独立的信号线进行传送,也可以通过将信息中的时钟代码化来实现（如采用曼彻斯特编码）。3、基带传输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。受传输介质（电缆）分布参数和外界噪声等的影响,信号将会产生一定程度的畸变。为了在接收端能正确地还原数据信息,必须将信号在传输过程中的畸变限制在一定的范围内。由于分布参数和外界噪声的影响与传输距离成正比，因而导致了对传输速率和传输距离的限制。4、调制/解调与调制解调器“仪器内部总线”、“片间总线”和“底板总线”采用基带传输一般没有什么问题,对于“仪器外部总线”上进行的远距离数据传输,基带传输不能保证其可靠性,必须对基带信号加以调制再进行传输。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。图：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（ModulationandDemodulation）。承担调制/解调任务的设备称之为调制解调器（Modem），如图所示。二、RS-232C标准串行接口总线RS-232C是美国电子工业协会EIA（ElectronicIndustriesAssociation）公布的串行通信标准,RS是英文“推荐标准”的字头缩写,232是标识号,C表示该标准修改的次数（3次）。最初发展RS-232C标准是为了促进数据通信在公用电话网上的应用,通常要采用调制解调器（Modem）进行远距离数据传输。20世纪60年代中期,将此标准引入到计算机领域，目前广泛用于计算机与外围设备的串行异步通信接口中，除了真正的远程通信外，不再通过电话网和调制解调器。（一）总线描述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：驱动器的输出电平为：逻辑“0”：+5~+15V；逻辑“1”：-5~-15V。接收器的输入检测电平为：逻辑“0”：+3V逻辑“1”：-3V。RS-232C采用负逻辑,噪声容限可达2V。RS-232C接口定义了20条可以同外界连接的信号线,并对它们的功能做了具体规定。这些信号线并不是在所有的通信过程中都要用到,可以根据通信联络的繁杂程度选用其中的某些信号线。常用的信号线如表所示。表：RS-232C标准串行接口总线的常用信号线（25DB)引脚号信号名称方向信号功能1DCDPC机←仪器PC机收到远程信号（载波检测）2RXDPC机←仪器PC机接收数据3TXDPC机→仪器PC机发送数据4DTRPC机→仪器PC机准备就绪5GND-信号地6DSRPC机←仪器仪器准备就绪7RTSPC机→仪器PC机请求发送数据8CTSPC机←仪器仪器已切换到接收状态（清除发送）9RIPC机←仪器通知PC机，线路正常（振铃指示）RS-232C标准串行接口总线的常用信号线（9DB)RS-232C用作计算机与远程通信设备的数据传输接口,如图所示。图中信号线分为数据信号线和控制信号线,分别说明如下。DTE(计算机或终端)22RIDCE(Modem或其他远程通信设备)20DTR8DCD7GND6DSR5DTS4321222087654321RTSRxDTxD保护地图：带RS-232C接口的通信设备连接1、数据信号线“发送数据”（TxD）与“接收数据”（RxD）是一对数据传输信号线。TxD用于发送数据，当无数据发送时,TxD线上的信号为“1”；RxD用于接收数据,当无数据接收时或接收数据间隔期间,RxD线上的信号也为“1”。2、控制信号线“请求发送”（RTS）与“为发送清零”（CTS）信号线用于半双工通信方式。半双工方式下发送和接收只能分时进行,当DTE有数据待发送时,先发“请求发送”信号通知调制解调器。此时,若调制解调器处于发送方式,回送“为发送清零”信号,发送即开始；若调制解调器处于接收方式,则必须等到接收完毕转为发送方式时,才向DTE回送“为发送清零”信号。在全双工方式下,发送和接收能同时进行,不使用这两条控制信号线。“DCE就绪”（DSR）与“DTE就绪”（DTR）信号线分别表示DCE和DTE是否处于可供使用的状态。“保护地”信号线一般连接设备的屏蔽地。图：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（二）RS-232C接口的常用系统连接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。图为全双工标准系统连接。“发送数据”(TxD)线交叉连接,总线两端的每个设备均既可发送,又可接收。“请求发送”（RTS）线折回与自身的“为发送清零”（CTS）线相连，表明无论何时都可以发送。“DCE就绪”（DSR）线与对方的“DTE就绪”（DTR）线交叉互连,作为总线一端的设备检测另一端的设备是否就绪的握手信号。“载波检测”（DCD）与对方的“请求发送”（RTS）相连,使一端的设备能够检测对方设备是否在发送。这两条连线较少使用。如果由RS-232C连接两端的设备随时都可以进行全双工数据交换,那么就不需要进行握手联络了。此时,图所示的全双工标准系统连接就可以简化为图所示的全双工最简系统连接。7GND智能设备1RxDTxD7GND智能设备2RxDTxD3322图：全双工最简系统连接RS-232C发送器电容负载的最大驱动能力为2500pF,这就限制了信号线的最大长度。图：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)例如,如果采用每米分布电容约为150pF的双绞线通信电缆,则最大传输距离限制在15m。如果使用分布电容较小的同轴电缆,则传输距离可以再增加一些。对于长距离传输或无线传输,则需要用调制解调器通过电话线或无线收发设备连接,如图所示。（三）电平转换在计算机及智能仪器内,通用的信号是正逻辑的TTL电平。而RS-232C的逻辑电平为负逻辑的±12V信号,与TTL电平不兼容,必须进行电平转换。用于电平转换的集成电路芯片种类很多,RS-232C总线输出驱动器有MC1488、SN75188、SN75150等,总线接收器有MC1489、SN75199、SN75152等,其中MC1488和MC1489的应用方法如图所示。图：RS-232C与TTL(a)MC1488；(b)MC1489TTL输入&＋12V输出RS-232C－12V(a)(b)TTL输入1＋5V输出RS-232C为了把+5V的TTL电平转换为-2～+12V的RS-232C电平,输出驱动器需要±12V电源。近年问世的一些RS-232C接口芯片采用单一的+5V电源,其内部已经集成了DC/DC电源转换系统,而且输出驱动器与接收器制作在同一芯片中,使用更为方便。例如MAX232，ICL232等。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这些工作一般采用专用集成电路芯片UART（通用异步接收器/发送器）来