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数字化电台自动化播出系统中时间一致性问题的研究 摘要 随着计算机技术，网络技术等相关技术的不断发展，各个行业都在进 行数字化改造。广播电台更是这个浪潮中的先行者。 本文选题来自于广播电台在数字化进程中的实际需求。广播电台要实 现自动化播音系统，就迫切需要解决系统内的时间协调问题，以此保证系 统的协调运行。 基于此，本文将就广播电台的时钟一致性问题，给出一个比较完整的 解决方案。 通过对国内市场上，主流使用的两种类型的信号时钟的信号的研究， 又先后查阅了国内外的相关资料，利用掌握的相关知识：主要涉及计算机 接口技术，电路板的相关理论，网络通讯传输协议等等。我分别针对两种 时钟设计了校时器方案。实现了数字化电台自动化播出系统中的时间一致 性。 在论文的前几章，主要对相关理论：比如接口技术，串口协议等，作 出必要的说明。后几章分别叙述校时器硬件解决方案：单片机及相关电路 的设计。软件方案：应用软件的设计。包括服务器端校时软件，网络校时 软件的设计。妊对设计的思想和具体软硬件实现进行讨论的过程中，涉及 到计算机接口硬件开发、网络数据传输技术，硬件驱动程序设计和计算机 软件设计等多种技术。体现了软硬结合的一体化设计思想( 单片机技术结 合软件技术实现校时功能) 。、 关键词：串口单片机 v 网络校时 第1 页 塑兰些皇鱼宴塑垡量些墨篓主堕囹= 鍪丝旦望塑堡塞 f o l l o w i n g t h e d e v e l o p m e n t o f c o m p u t e r - s c i e n c e a n d n e t w o r k t e c h n o l o g y , a l lt h ec a l l i n g s a l er e c o n s t r u c t i n gt h e m s e l v e sw i t h n e w t e c h n o l o g y t h e s u b j e c t o ft h i s p a p e r c a m ef r o mt h en e e do ft v & b ( b r o a d c a s t i n g ) s t a t i o nw h i l e t h e y w e r e u p d a t i n g t h e i r b r o a d c a s t i n g s y s t e m i ft v & bs t a t i o n sw a n t t or e a l i z e a u t o m a t i c - b r o a d c a s t i n g s y s t e m ，t h e ym u s t h a r m o n i z et h es y s t e m - t i m eo f a l lt h ec o m p u t e ri nt h el a n t h i sp a p e rw i l ld i s c u s st h ep r o b l e mo fh o wt ok e e pau n i q u e & s a m e n e s st i m ei nt h eb r o a d c a s t i n g s y s t e m a c c o r d i n gt ot h es t u d yo f t h e t w om a i nk i n d so ft h ec l o c k su s e db yt h et v & b s t a t i o n s ，r e f e r r i n gt o c o r e l a t i o ni n f o r m a t i o n m a k i n gu s eo fa l lt h er e s o u r c ew ek n o w ：i n c l u d e c o m p u t e r - i n t e r f a c e - t e c h n o l o g y , b a s e t h e o r y o f c i r c u i t ， n e t w o r k - c o m m u n i c a t i o n - p r o t o c o la n ds oo n t w ok i n d so fs o l u t i o n f o r t h o s et w om a i n l yu s e dc l o c k sw e r ep r o p o s e da n da d o p t e d t h o s et w o k i n d so fs o l u t i o nr e a l i z e dt h ei d e ao fu s i n gt h ed a t ao ft h ec l o c kt oc o r r e c t t h ec o m p u t e r - - s y s t e m - - t i m eb yt h et i m e - a m e n d m e n t - - c a r d i nt h eb e g i n i n go ft h i sp a p e r , s o m eb a s i ct h e o r i e sw e r ed i s c u s s e d s u c ha s ：i n t e r f a c e - t e c h n o l o g y , c o m - t e c h n o l o g y c o n t i n u ew i h tt h e 第1 i 页 墼圭些皇鱼皇垫些堡垒墨竺堕婴= 鍪垡旦望塑堡窒一 h a 】日w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g na b o u tt h et i m e - a m e n d m e m c a r d ：i n c l u d e i n t e lm i c r o c o n t r o l l e rc i r c u i t ；t i m e a m e n d m e ms o f f w a r e su s e db ys e r v e r a n dc l i e n t s d u r i n gt h ep o r c e s sd i s c u s s i n gt h ed e s i g n 。t h o u g h t & s o f t w a r e a n dh a r d w a r e r e a l i z a t i o n ，t e c h n o l o g i e s i n c l u d e ： c o m p u t e r i n t e r f a c e d e s i g n ；d a t a - t r a n s l a t i n g i nn e t w o r k ； h a r d w a r e d r i v e r d e s i g na n ds o f t w a r e d e s i g nw e r e i n v o l v e da n du t i l i z e d t h ew h o l e p r o c e s s i n c a r n a t e dt h e t h i n k i n g o f i n t e g r a t i n g h a r d w a r e d e s i g na n ds o f t w a r e - d e s i g n ( c o a l e s c i n gm c u t e c h n o l o g ya n d s o f t w a r et e c h n o l o g yt og e tt h et i m e d a t aa n dc o r r e c tt h es y s t e m - t i m e ) t h et i m e a m e n d m e n tc a r d sh a v eb e e nu s e db ys o m e t v & b - s t a t i o na n d w o r kw e l l k e y w o r d ：c o mm i c r o c o n t r o l l e r t i m e - a m e n d m e n t 第1 i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。具我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：兰堡笙日期：晰弓月 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解秘后应遵守此规定) 揣；号办眇铷始骂师湃 日期：z 泡年；f 月7 日 数字化电台自动化播出系统中时间一致性问题的研究 第一章绪论 1 1 应用背景 随着科学技术，尤其是信息科学技术的飞速发展，人类已经进入信息 时代。数字化高速流动的各种信息就是新时代知识经济的载体。数字化生 存已经和正在变为现实。以数字技术为支撑的多元化信息时代正在深刻地 改变着人们的思想观念、生活方式，触及到社会的每一个角落。 作为传统的信息载体，广播电台( 包括电视台) 事业在信息时代面临 着机遇和挑战。所谓机遇因为广播电台是重要的信息载体，在信息化时代 应该有其更加广泛的生存和发展空间。所谓挑战因为这种传统的信息载体 正面临着现代化通讯、互联网等新兴信息载体的挑战。不管是机遇还是挑 战，都要求广播电台要突破传统的模式，采用先进的多媒体技术、数据库 技术和计算机网络技术来增加信息的存储量、提高信息的传输速度。要使 广播电台在信息时代不断发展就要求广播电台实现数字化、网络化、自动 化、智能化。 在数字化、智能化和网络化的新型广播电台模式中，系统的各部分不 再是相互独立的，而是通过搭建融合数字音频技术、计算机多媒体、计算 机网络技术的信息平台，构建有机的统一体，从而达到信息的共享和互动。 同时使用先进的技术对整个播出系统提供更安全可靠的保障，引进智能检 测技术对播出做到自动检测、自动备份。在设计完善的播出系统中，信息 路由上不应该有单一故障点( 所谓单一故障点是指某一设备出现故障后就 会阻断整个广播信息的通路) ，从而破坏播出系统稳定运行。 当前国内外许多广播电台已经初步实现了播出的数字化。国内也已经 独立研制出数字化广播电台自动化播出系统，并在多家广播电台成功使 用。数字化广播电台自动化播出系统是以数字化音频技术为基础，以大型 数据库为支撑，以高速计算机网络为纽带，以音频矩阵为中心环节而组成 的一个大系统。图1 1 是这样的系统的基本组成。 可以看到，广播电台自动化播出系统是一个整体，各个局部之间相互 联系，相互沟通，协调一致，来完成整个系统的正常工作。可以看出，在 这个过程中，一致性是非常重要的，任何一部分的错误，都会导致其它部 第1 页 分甚至是整个系统的错误。例如：主控系统的时间和文稿系统的时间不一 致。于是，就可能出现本来该调出9 点钟的文稿，调出的却是2 1 点的文 稿。如果是实时播出的节目的话，就会产生无法弥补的错误。 通过这个小小的例子，我们就可以看出，系统一致性的重要性。系统 的一致性，主要体现在以下一些方面： 一方面是构建安全可靠的主控系统( 从软硬件两方面着手) 。首先主控 系统必须有更高的稳定性和可靠性，要求不能有任何差错。因为主控故障 意味着广播的中断，是重大的事故，会产生不良的社会影响。其次主控系 统要有很强的 图1 1 数字化广播电台自动化播出系统结构图 容错冗余性，尤其对于将要送到传输机房，进行播出的节目信号，不能因 为输入音频信号产生故障而影响输出并最终影响播出。第三主控系统的控 制要具有自动化。第四主控系统的操作要快捷并具有灵活性。 另外一方面，系统的一致性，对于广播电台来说，一个重要的方面就 是时间上的一致性。系统必须有一个可以参照的标准时钟，它是独立于系 统自运行的。不会因为系统本身的因素而发生错误，只有这样才能保证操 第2 页 数字化电台自动化播出系统中时间一致性问题的研究 作人员可以正确的判断系统是否工作在正常的，标准的时间下。如果系统 时间不是独立的取自外部标准时间，而是以内部某一个子系统( 比如取自 主控系统) 的时间作标准的话，虽然系统本身可以协调工作，但却跟标准 时间相差很远，这是不行的。广播电台通常都是要负责报时的，虽然系统 内部运行正常，但会给广大的听众提供错误的时间，肯定也是不行的。本 文主要就是针对电台自动播出系统中时间一致性提出一个完整的解决方 案一包括硬件和软件的解决办法，并对设计流程和思想作出说明。 1 2 本文内容安排 本文在第二章讨论接口技术相关知识在第三章讨论串口通讯协议。第 四章阐述校时器的设计。第五章阐述服务器端校时软件系统的设计思想和 结构。第六章阐述网络校时软件( 包括服务器端和客户端) 的设计。第七 章对系统性能进行分析。第八章讨论简单信号发生器的设计，它是用来验 证校时器软硬件是否能正常工作的。第九章谈一谈校时器软硬件可能的改 进方向。 第3 页 数字化电台自动化播出系统中时间一致性问题的研究 第二章接口技术综述 由于使用校时器来连接时钟信号源与计算机串口，所以，涉及到接口 的转换功能，有必要对接口技术进行必要的了解。众所周知，c p u 与外部 设备、存储器的连接和数据交换都需要通过接口设备来实现，前者被称为 i 0 接口，而后者则被称为存储器接口。存储器通常在c p u 的同步控制下 工作，而i o 设备品种繁多，其相应的接口电路也各不相同。 2 1 接口的分类 i o 接口的功能是负责实现c p u 通过系统总线把i o 电路和外围设备联 系在一起，按照电路和设备的复杂程度，i o 接口的硬件主要分为两大类： 1 ) i o 接口芯片 这些芯片大都是集成电路，通过c p u 输入不同的命令和参数，并控制 相关的i 0 电路和简单的外设作相应的操作，常见的接口芯片如定时计 数器、中断控制器、d m a 控制器、并行接口等。 2 ) i 0 接口控制卡 有若干个集成电路按一定的逻辑组成为一个部件，或者直接与c p u 同 在主板上，或是一个插件插在系统总线插槽上。 按照接口的连接对象来分，又可以将他们分为串行接口、并行接口等。 2 2 接口的功能 由于计算机的外围设备品种繁多，几乎都采用了机电传动设备，因此， c p u 在与i 0 设备进行数据交换时存在以下问题： 速度不匹配：i 0 设备的工作速度要比c p u 慢许多，而且由于种类的不 同，他们之间的速度差异也很大，例如硬盘的传输速度就要比打印机快出 很多。 时序不匹配：各个i 0 设备都有自己的定时控制电路，以自己的速度传 输数据，无法与c p u 的时序取得统一。 信息格式不匹配：不同的i 0 设备存储和处理信息的格式不同，例如可 以分为串行和并行两种；也可以分为二进制格式、a c s i i 编码和b c d 编码 等等。 信息类型不匹配：不同i 0 设备采用的信号类型不同，有些是数字信 第4 页 数字化电台自动化播出系统中时间一致佳塑堕! ! ! 堕 号，而有些是模拟信号，因此所采用的处理方式也不同。 基于以上原因，c p u 与外设之间的数据交换必须通过接口来完成，通常 接口有以下一些功能： 1 ) 设置数据的寄存、缓冲逻辑，以适应c p u 与外设之间的速度差异， 接口通常由一些寄存器或r a m 芯片组成，如果芯片足够大还可以实现批量 数据的传输： 2 ) 能够进行信息格式的转换，例如串行和并行的转换： 3 ) 能够协调c p u 和外设两者在信息的类型和电平的差异，如电平转换 驱动器、数模或模数转换器等； 4 ) 协调时序差异； 5 ) 地址译码和设备选择功能； 6 ) 设置中断和d m a 控制逻辑，以保证在中断和d m a 允许的情况下产生 中断和d m a 请求信号，并在接受到中断和d m a 应答之后完成中断处理和d m a 传输。 2 3 接口的控制方式 c p u 通过接口对外设进行控制的方式有以下几种： 1 ) 程序查询方式 这种方式下，c p u 通过i 0 指令询问指定外设当前的状态，如果外设准 备就绪，则进行数据的输入或输出，否则c p u 等待，循环查询。 这种方式的优点是结构简单，只需要少量的硬件电路即可，缺点是由 于c p u 的速度远远高于外设，因此通常处于等待状态，工作效率很低。 2 ) 中断处理方式 在这种方式下，c p u 不再被动等待，而是可以执行其他程序，一旦外设 为数据交换准备就绪，可以向c p u 提出服务请求，c p u 如果响应该请求， 便暂时停止当前程序的执行，转去执行与该请求对应的服务程序，完成后， 再继续执行原来被中断的程序。 中断处理方式的优点是显而易见的，它不但为c p u 省去了查询外设状 态和等待外设就绪所花费的时间，提高了c p u 的工作效率，还满足了外设 的实时要求。但需要为每个i 0 设备分配一个中断请求号和相应的中断 服务程序，此外还需要一个中断控制器( i 0 接口芯片) 管理i 0 设备 第5 页 数字化电台自动化播出系统中时间一致性问题的研究 提出的中断请求，例如设置中断屏蔽、中断请求优先级等。 此外，中断处理方式的缺点是每传送一个字符都要进行中断，启动中 断控制器，还要保留和恢复现场以便能继续原程序的执行，花费的工作量 很大，这样如果需要大量数据交换，系统的性能会很低。 3 ) d m a ( 直接存储器存取) 传送方式 d m a 最明显的一个特点是它不是用软件而是采用一个专门的控制器来 控制内存与外设之间的数据交流，无须c p u 介入，大大提高c p u 的工作效 率。 在进行d m a 数据传送之前，d m a 控制器会向c p u 申请总线控制权，c p u 如果允许，则将控制权交出，因此，在数据交换时，总线控制权由d m a 控 制器掌握，在传输结束后，d m a 控制器将总线控制权交还给c p u 。 2 4 常见接口 下面将就主要的常见接口进行必要的说明。 2 4 1 并行接口 目前，计算机中的并行接口主要是2 5 针d 形接头。所谓“并行”，是 指8 位数据同时通过并行线进行传送，这样数据传送速度大大提高，但并 行传送的线路长度受到限制，因为长度增加，干扰就会增加，容易出错。 现在有五种常见的并口：4 位、8 位、半8 位、e p p 和e c p ，大多数p c 机配有4 位或8 位的并口，许多利用i n t e l 38 6 芯片组的便携机配有e p p 口，支持全部i e e e l 2 8 4 并口规格的计算机配有e c p 并口。 标准并行口4 位、8 位、半8 位： 4 位口一次只能输入4 位数据，但可以输出8 位数据；8 位口可以一次 输入和输出8 位数据：半8 位也可以。 e p p 口( 增强并行口) ：由i n t e l 等公司开发，允许8 位双向数据传送， 可以连接各种非打印机设备，如扫描仪、l a n 适配器、磁盘驱动器和c d r o m 驱动器等。 e c p 口( 扩展并行口) ：由m i c r o s o f t 、h p 公司开发，能支持命令周期、 数据周期和多个逻辑设备寻址，在多任务环境下可以使用d m a ( 直接存储 器访问) 。 目前几乎所有的微机的主板都集成了并行口插座，标注为p a r a l l e 第6 页 数字化电台自动化播出系统中时间一致性问题的研究 或l p t i ，是一个26 针的双排针插座。 2 4 2 串行接口 计算机的另一种标准接口是串行口，现在的p c 机一般都有两个串行口 c o m i 和c o m 2 ( 但有些集成显卡的计算机会只有一个串口的情况) 。串行口 不同于并行口之处在于它的数据和控制信息是一位接一位串行地传送下 去。这样，虽然速度会慢一些，但传送距离较并行口更长，因此长距离的 通信应使用串行口。通常c o m i 使用的是9 针d 形连接器。 2 4 3 磁盘接口 1 ) i d e 接口 老的i d e 接口也叫做a t a 端口，大多数i d e 接口不支持d m a 数据传送， 只能使用标准的p c i o 端口指令来传送所有的命令、状态、数据。 2 ) e i d e 接口 它所支持的外设是4 个，所支持的设备除了硬盘，还包括c d r o m 驱 动器磁盘备份设备等。 第二，e i d e 有更高的数据传送速率，支持p i o 模式3 和模式4 标准。 4 s c s i 接口 s c s i ( s m a l l c 。m p u t e r s y s t e m i n t e r f a c e ) 小计算机系统接口，它具有 以下特点： ：可同时连接7 个外设； ：总线配置为并行8 位、l6 位或3 2 位； ：更高的数据传输速率 ：s c s i 接口硬盘必须和s c s i 接口卡配合使用 ：s c s i 接口是智能化的，可以彼此通信而不增加c p u 的负担。s c $ i 设 备在数据传输过程中起主动作用，并能在s c s i 总线内部具体执行，直至 完成再通知c p u 。 5 u s b 接口 最新的u s b 串行接口标准是由m i c r o s o f t 、i n t e l 、c o m p a q 、i b m 等大 公司共同推出，它提供机箱外的热拔插一一即插即用( p l u g & p l a y ) 连接， 用户在连接外设时不用再打开机箱、关闭电源，而是采用“级联”方式， 每个u s b 设备用一个u s b 插头连接到一个外设的u s b 插座上，而其本身又 第7 页 数字化电台自动化播出系统中时间一致性问题的研究 提供一个u s b 插座给下一个u s b 设备使用，通过这种方式的连接，一个u s b 控制器可以连接多达1 2 7 个外设，而每个外设间的距离可达5 米。u s b 统 一的4 针圆形插头将取代机箱后的众多的串并口( 鼠标、m o d e m ) 键盘等 插头。u s b 能智能识别u s b 链上外围设备的插入或拆卸。除了能够连接键 盘、鼠标等，u s b 还可以连接i s d n 、电话系统、数字音响、打印机以及扫 描仪等低速外设。总体来说，u s b 具有很多优点，比如传输速度快，热拔 插等，是发展的方向，也是校时器使用接口以后可能的改进方向。 2 5 i o 扩展槽 i 0 扩展槽即i 0 信号传输的路径，是系统总线的延伸，可以插入任意 的标准选件，如显示卡、解压卡、m o d e m 卡和声卡等。通过i o 扩展槽， c p u 可对连接到该通道的所有i o 接口芯片和控制卡寻址访问，进行读写。 根据总线的类型不同，主板上的扩展槽可分为i s a 、e i s a 、m a c 、v e s a 和p c i 几种。 1 ) i s a 插槽 黑色，分为8 位、1 6 位两种。1 6 位的扩展槽可以插8 位和1 6 位的控 制卡，但8 位的扩展槽只能插8 位卡。 2 ) e i s a 插槽 棕色，外型、长度与16 位的i s a 卡一样，但深度较大，可插入i s a 与 e i s a 控制卡。 3 ) v e s a 插槽 棕色，位于1 6 位i s a 扩展插槽的下方，与i s a 插槽配合使用。 4 ) p c i 插槽 白色，与v e s a 插槽一样长，与i s a 插槽平行，不需要与i s a 插槽配合 使用，而且只能插入p c i 控制卡。由于主板的空间有限，p c i 插槽要占用 i s a 插槽的位置 计算机的接口类型和标准都比较繁多，以上只是就比较广泛使用以及 与本文有关的类型和标准作一简单介绍。 第8 页 数字化电台自动化播出系统中时间一致性问题的研究 第三章串口协议 校时器是利用串口来实现时钟信号和计算机之间的通信，下面将就串 口协议进行必要的介绍。 3 1 串口相关硬件协议 所谓通信协议是指通信双方的一种约定。约定包括对数据格式、同步 方式、传送速度、传送步骤、检纠错方式以及控制字符定义等问题做出统 一规定，通信双方必须共同遵守。因此，也叫做通信控制规程，或称传输 控制规程，它属于i s o so s i 七层参考模型中的数据链路层。 目前，采用的通信协议有两类：异步协议和同步协议。同步协议又有 面向字符和面向比特以及面向字节计数三种。 在计算机通信领域，串口通信扮演着非常重要的角色。 3 1 1 串行通信接口的相关标准 ( 1 ) 实现数据格式化：因为来自c p u 的数据是普通的并行数据，所以， 接口电路应具有实现不同串行通信方式下的数据格式化的任务。在异步通 信方式下，接口自动生成起止式的帧数据格式。在面向字符的同步方式下， 接口要在待传送的数据块前加上同步字符。 ( 2 ) 进行串一并转换：串行传送，数据是一位一位串行传送的，而计 算机处理的数据是并行数据。所以当数据由计算机送至数据发送器时，首 先把串行数据转换为并行数才能送人计算机处理。因此串并转换是串行接 口电路的重要任务。 ( 3 ) 控制数据传输速率：串行通信接口电路应具有对数据传输速率一 一波特率进行选择和控制的能力。 ( 4 ) 进行错误检测：在发送时接口电路对传送的字符数据自动生成奇 偶校验位或其他校验码。在接收时，接口电路检查字符的奇偶校验或其他 校验码，确定是否发生传送错误。 ( 5 ) 进行t t l 与e i a 电平转换：c p u 和终端均采用t t l 电平及正逻辑， 它们与e i a 采用的电平及负逻辑不兼容，需在接口电路中进行转换。 ( 6 ) 提供e i a - r s - 2 3 2 c 接口标准所要求的信号线：远距离通信采用 m o d e m 时，需要9 根信号线；近距离零m o d e m 方式，只需要3 根信号线。 第8 页 数字化电台自动化播出系统中时间一致性问题的研究 这些信号线由接口电路提供，以便与m o d e m 或终端进行联络与控制。 3 1 2 串行通信接口电路的组成 为了完成上述串行接口的任务，串行通信接口电路一般由可编程的串 行接口芯片、波特率发生器、e i a 与t t l 电平转换器以及地址译码电路组 成。其中，串行接口芯片，随着大规模继承电路技术的发展，通用的同步 ( u s r t ) 和异步( u a r t ) 接口芯片种类越来越多，如下表所示。它们的基本 功能是类似的，都能实现上面提出的串行通信接口基本任务的大部分工 作，且都是可编程的。才用这些芯片作为串行通信接口电路的核心芯片， 会使电路结构比较简单。 同步 u s 盯) 传输遁翠b , 芯片异步c u 盯) ( 起止式) 血向罕符m l c 同步异步 i n s 8 2 5 0 5 b x c 6 8 5 0 1 m m c b b 5 2 ， 15 s c b b 5 4 ，15 m i n t b 2 5 1 ， ， 6 4 k1 92 k i n t 8 2 t 3 ， b 4 k z - 8 0s 1 0 8 0 0 k 3 1 3 有关串行通信的物理标准 为使计算机以及其他通信设备互相沟通，现在，已经对串行通信建立 了几个一致的概念和标准，这些概念和标准属于三个方面：传输率，电特 性，信号名称和接口标准。 l 、传输率：所谓传输率就是指每秒传输多少位，传输率也常叫波特率。 国际上规定了一个标准波特率系列，标准波特率也是最常用的波特率，标 准波特率系列为1 1 0 、3 00 、6 0 0 、1 2 0 0 、48 0 0 、9 6 00 和1 9 2 0 0 。大多数c r t 终端都能够按i i 0 到9 6 0 0 范围中的任何一种波特率工作。大多数接口的 接收波特率和发送波特率可以分别设置，而且，可以通过编程来指定。 2 、r s - 2 3 2 - c 标准：r s - 2 3 2 一c 标准对两个方面作了规定，即信号电平 标准和控制信号线的定义。r s 一2 3 2 一c 采用负逻辑规定逻辑电平，信号电 第lo 页 数字化电台自动化播出系统中时间一致性问题的研究 平与通常的t t l 电平也不兼容，r s 一2 3 2 一c 将一5 v 一1 5 v 规定为“1 ”，十5 v + 15 v 规定为“0 ”。图l 是t t l 标准和r s 一2 3 2 一c 标准之间的电平转换。 蚶c 1 8 口 掣司f 2 1 饲： i 。i 恤c t 4 e 8 t 啊靖! i ! ： 一一 i r s 一9 3 9 一r 葡出 7 t l 埔山! 一l “1 “弋 i l 厂i 7 i 一l 工 = 图3 i t t l 与r s 一2 3 2 电平转换示意图 3 2 串口相关的软件协议 3 2 1o s i 协议和t c p i p 协议 ( 1 ) o s i 协议 o s i 七层参考模型不是通讯标准，它只给出一个不会由于技术发展而必 须修改的稳定模型，使有关标准和协议能在模型定义的范围内开发和相互 配合。一般的通讯协议只符合o s i 七层模型的某几层，如：e i a r s 一2 3 2 一c ： 实现了物理层。i b m 的s d l c ( 同步数据链路控制规程) ：数据链路层。a n s i 的a d c c p ( 先进数据通讯规程) ：数据链路层i b m 的b s c ( 二进制同步通讯 协议) ：数据链路层。应用层的电子邮件协议s m t p 只负责寄信、p o p 3 只负 责收信。 ( 2 ) t c p i p 五层协议 ( 1 ) 物理层：对应o s i 的物理层。( 2 ) 网络接口层：类似于0 s i 的数 据链路层。( 3 ) i n t e r n e t 层：o s i 模型在i n t e r n e t 网使用前提出，未考 虑网间连接。( 4 ) 传输层：对应o s i 的传输层。( 5 ) 应用层：对应0 s i 的 表示层和应用层。 第11 页 塑圭垡皇鱼旦垫垡量当墨竺主! ! 塑= 鍪丝塑望塑塑壅一 3 2 2 串口通信协议 图3 2网络七层模型示意图 图3 3 串口异步通讯示意图 第12 页 数字化电台自动化播出系统中时间一致性问题的研究 串行通信协议分同步协议和异步协议。 起止式异步协议的特点是一个字符一个字符传输，并且传送一个字符 总是以起始位开始，以停止位结束，字符之间没有固定的时间间隔要求。 其格式如图3 4 所示。每一个字符的前面都有一位起始位( 低电平，逻辑 值0 ) ，字符本身有5 7 位数据位组成，接着字符后面是一位校验位( 也 可以没有校验位) ，最后是一位，或一位半，或二位停止位，停止位后面 是不定长度的空闲位。停止位和空闲位都规定为高电平( 逻辑值) ，这样 就保证起始位开始处一定有一个下跳沿。 从3 3 图中可以看出，这种格式是靠起始位和停止位来实现字符的界 定或同步的，故称为起始式协议。传送时，数据的低位在前，高位在后， 图3 4 表示了传送一个字符e 的a s c a i i 码的波形i 0 1 0 0 0 1 。当把它的最低 有效位写到右边时，就是e 的a s c i i 码1 0 0 0 1 0 1 = 4 5 h 。 j 竺凸口。笸凿 口口。口二口 o1 o z! o1 图3 4 起止位的作用：起始位实际上是作为联络信号附加进来的，当它变为低 电平时，告诉收方传送开始。它的到来，表示下面接着是数据位来了，要 准备接收。而停止位标志一个字符的结束，它的出现，表示一个字符传送 完毕。这样就为通信双方提供了何时开始收发，何时结束的标志。传送开 始前，发收双方把所采用的起止式格式( 包括字符的数据位长度，停止位 位数，有无校验位以及是奇校验还是偶校验等) 和数据传输速率作统一规 定。传送开始后，接收设备不断地检测传输线，看是否有起始位到来。当 收到一系列的“1 ”( 停止位或空闲位) 之后，检测到一个下跳沿，说明起 始位出现，起始位经确认后，就开始接收所规定的数据位和奇偶校验位以 及停止位。经过处理将停止位去掉，把数据位拼装成一个并行字节，并且 经校验后，无奇偶校验错才算正确的接收一个字符。一个字符接收完毕， 接收设备要继续测试传输线，监视“o ”电平的到来和下一个字符的开始， 直到全部数据传送完毕。 第13 页 数字化电台自动化播出系统中时间一致性问题的研究 由上述工作过程可看到，异步通信是按字符传输的，每传输一个字符， 就用起始位来通知收方，以此来重新核对收发双方同步。若接收设备和发 送设备两者的时钟频率略有偏差，这也不会因偏差的累积而导致错位，加 之字符之间的空闲位也为这种偏差提供一种缓冲，所以异步串行通信的可 靠性高。但由于要在每个字符的前后加上起始位和停止位这样一些附加 位，使得传输效率变低了，只有约8 0 。因此，起止协议一般用在数据速 率较慢的场合( 小于1 9 2 k b i t s ) 。在高速传送时，一般要采用同步协议。 ( 2 ) 面向字符的同步协议 特点与格式：这种协议的典型代表是i b m 公司的二进制同步通信协议 ( b s c ) 。它的特点是一次传送由若干个字符组成的数据块，而不是只传送 一个字符，并规定了l o 个字符作为这个数据块的开头与结束标志以及整 个传输过程的控制信息，它们也叫做通信控制字。由于被传送的数据块是 由字符组成，故被称作面向字符的协议。 特定字符( 控制字符) 的定义：由上面的格式可以看出，数据块的前 后都加了几个特定字符。s y n 是同步字符( s y n c h r o n o u sc h a r a c t e r ) ，每一帧 开始处都有s y n ，加一个s y n 的称单同步，加两个s y n 的称双同步设置 同步字符是起联络作用，传送数据时，接收端不断检测，一旦出现同步字符， 就知道是一帧开始了。接着的s o h 是序始字符( s t a r to f h e a d e r ) ，它表示 标题的开始。标题中包括源地址、目的地址和路由指示等信息。s t x 是文 始字符( s t a r to ft e x t ) ，它标志着传送的正文( 数据块) 开始。数据块就是 被传送的正文内容，由多个字符组成。数据块后面是组终字符e t b ( e n do f t r a n s m i s s i o nb l o c k ) 或文终字符e t x ( e n do f t e x t ) ，其中e t b 用在正文很 长、需要分成若干个分数据块、分别在不同帧中发送的场合，这时在每个 分数据块后面用文终字符e t x 。一帧的最后是校验码，它对从s o h 开始 到e t x ( 或e t b ) 字段进行校验，校验方式可以是纵横奇偶校验或c r c 。 另外，在面向字符协议中还采用了一些其他通信控制字，它们的名称如下 表所示： 第14 页 数字化电台自动化播出系统中时间一致性问题的研究 1 名称 9 a s c i i 4 e b c d i c i 黼s o n ，9 0 0 0 0 0 0 1 8 0 0 0 0 0 0 0 1 i 文始x ，4 00 0 0 0 1 0 l 0 0 000 0 1 0 l 啪，4 00 1 0 1 1 1 l 0 0 1 0 0 1 1 0 l i 文终x ，3 0 0 0 0 0 1 1 l 0 00 0 0 0 1 1 l i 鼢删，4 0 0 1 0 1 10 l 0 0 1 1 0 0 1 0 i i 0 0 0 0 1 0 08 0 0 1 1 0 1 1 1 i送毕( e o t ) l f 0 0 0 0 1 0 1 4 0 0 1 0 1 1 0 1 l i询问( e n q ) il 0 0 0 0 1 1 0 9 0 0 1 0 1 1 1 0 i 确认( a c k ) f i 1 i 否认k ，l 00 1 0 1 0 1 4 0 0 1 1 1 10 1 i 籼眦，l 0 0 1 0 0 0 0 4 0 0 0 1 0 0 0 0 数据透明的实现：面向字符的同步协议，不象异步起止协议那样，需 要在每个字符前后附加起始和停止位，因此，传输效率提高了。同时，由 于采用了一些传输控制字，故增强了通信控制能力和校验功能。但也存在 一些问题，例如，如何区别数据字符代码和特定字符代码的问题，因为在 数据块中完全有可能出现与特定字符代码相同的数据字符，这就会发生误 解。比如正文有个与文终字符e t x 的代码相同的数据字符，接收端就不会 把它当作为普通数据处理，而误认为是正文结束，因而产生差错。因此， 协议应具有将特定字符作为普通数据处理的能力，这种能力叫做“数据透 明”。为此，协议中设置了转移字符d l e ( d a t al i n ke s c a p e ) 。当把一个特 定字符看成数据时，在它前面要加一个d l e ，这样接收器收到一个d l e 就 可预知下一个字符是数据字符，而不会把它当作控制字符来处理了。d l e 第15 页 数字化电台自动化播出系统中时间一致性问题的研究 本身也是特定字符，当它出现在数据块中时，也要在它前面加上另一个 d l e 。这种方法叫字符填充。字符填充实现起来相当麻烦，且依赖于字符 的编码。正是由于以上的缺点，故又产生了新的面向比特的同步协议。 ( 3 ) 面向比特的同步协议 特点与格式：面向比特的协议中最具有代表性的是i b m 的同步数据链 路控制规程s d l c ( s y n c h r o n o u s d a t al i n kc o n t r 0 1 ) ，国际标准化组织 i s o ( i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r do r g a n i z a t i o n ) 的高级数据链路控制规程 h d l c ( h i g hl e v e l d a t al i n kc o n t r 0 1 ) ，美国国家标准协会( a m e r i c a l n a t i o n a ls t a n d a r di n s t i t u t e j 的先进数据通信规程a d c c p ( a d v a n c e dd a t a c o m m u n i c a t i o nc o n t r o lp r o c e d u r e ) 。这些协议的特点是所传输的一帧数 据可以是任意位，而且它是靠约定的位组合模式，而不是靠特定字符来标 志帧的开始和结束，故称“面向比特”的协议。这中协议的一般帧格式如 图3 5 所示： 8 位8 位8 位 = 0 位1 6 位8 位 0 1 1 1 1 1 1 0aclf c0 1 1 1 1 1 10 开始标志地址场所控制台信息场校验场结束标志 图3 5 面向比特的帧格式 帧信息的分段：由图3 5 可见，s d l c h d l c 的一帧信息包括以下几个场 ( f i l e d ) ，所有场都是从有效位开始传送。 ( 1 ) s d l c h d l c 标志字符：s d l c h d l c 协议规定，所有信息传输必须 以一个标志字符开始，且以同一个字符结束。这个标志字符是0 1 1 i i l l0 ， 称标志场f ) 。从开始标志到结束标志之间构成一个完整的信息单位，称 为一帧( f r a m e ) 。所有的信息是以帧的形传输的，而标志字符提供了每一 帧的边界。接收端可以通过搜索“0 1 1 1 1 1 1 0 ”来探知帧的开头和结束，以此 建立帧同步。 ( 2 ) 地址场和控制场：在标志场之后，可以有一个地址场a ( a d d r e s s ) 和一个控制场c ( c o n t r 0 1 ) 。地址场用来规定与之通信的次站的地址。控制 场可规定若干个命令。s d l c 规定a 场和c 场的宽度为8 位或1 6 位。接收 方必须检查每个地址字节的第一位，如果为“0 ”，则后面跟着另一个地址 字节；若为“l ”，则该字节就是最后一个地址字节。同理，如果控制场第 第16 页 数字化电台自动化播出系统中时间一致性问题的研究 一个字节的第一位为为“o ”，则还有第二个控制场字节，否则就只有一个 字节。 ( 3 ) 信息场：跟在控制场之后的是信息场i ( i n f o r m a t i o n ) 。i 场包含 有要传送的数据，并不是每一帧都必须有信息场。即数据场可以为0 ，当 它为0 时，则这一帧主要是控制命令。 ( 4 ) 帧校验信息：紧跟在信息场之后的是两字节的帧校验，帧校验场 称为f c ( f r a m ec h e c k ) 场或称为帧校验序列f c s ( f r a m ec h e c ks q u e n c e ) 。 s d l c h d l c 均采用1 6 位循环冗余校验码c r c ( c y c l i cr e d u n d a n c yc o d e ) 。 除了标志场和自动插入的“o ”以外，所有的信息都参加c r c 计算。 实际应用时的两个技术问题： ( 1 ) “o ”位插入删除：如上所述，s d l c h d l c 协议规定以。儿i i i i0 为 标志字节，但在信息场中也完全有可能有同一种模式的字符，为了把它与 标志区分开来，所以采取了“o ”位插入和删除技术。具体作法是发送端在 发送所有信息( 除标志字节外) 时，只要遇到连续5 个“l ”，就自动插入 一个0 ，当接收端在接收数据时( 除标志字节) 如果连续收到5 个“l ”， 就自动将其后的一个“o ”删除是，以恢复信息的原有形式。这种“o ”位的 插入和删除过程是由硬件自动完成的。 ( 2 ) s d l c h d l c 异常结束：若在发送过程中出现错误，则s d l c h d l c 协议常用异常结束( a b o r t