测控网络与数字通信技术之2.ppt

1 7 1数字通信基础 7 2数字信号的传输 7 3总线通信技术 2 7 3总线通信技术7 3 1并行与串行通信 1 并行通信 可以多位数据同时传输 速度快 占用资源多 分 数据总线DB 控制总线CB 地址总线AB2 串行通信 一位一位数据传输 速度慢 占用资源少 是现在的主流通信技术 3 7 3总线通信技术7 3 2串行通信的基本概念 1 同步技术 a 同步通信 b 异步通信 4 7 3总线通信技术7 3 2串行通信的基本概念 1 同步技术 a 同步通信同步通信是一种连续串行传送数据的通信方式 一次通信只传送一帧信息 这里的信息帧通常含有若干个数据字符 采用同步通信时 将许多字符组成一个信息组 这样 字符可以一个接一个地传输 但是 在每组信息 通常称为帧 的开始要加上同步字符 在没有信息要传输时 要填上空字符 因为同步传输不允许有间隙 接收端识别同步字符 当检测到有一串数位和同步字符相匹配时 就认为开始一个信息帧 于是 把此后的数位作为实际传输信息来处理 USRT 同步收发器 5 7 3总线通信技术7 3 2串行通信的基本概念 1 同步技术 b 异步通信每个字符都是以起始位开始 停止位结束的一桢数据 如下图数据格式 UART 异步收发器 发送数据由低位到高位 无数据发送时 电平始终保持停止位状态 即 高电平状态 6 7 3总线通信技术7 3 2串行通信的基本概念 1 同步技术 b 异步通信如图 在无数据状态 即 停止位状态 接收端时刻检查是否有保持8或9个连续的时钟脉冲 TC 以此确定是否为起始位 这样 既可以克服时钟误差 又可以噪声干扰 确定的时刻基本就是起始位的中点 再以此为时间基准 每隔16个TC进行一次采样 并作为判断数据的依据 直至下一个停止位 7 7 3总线通信技术7 3 2串行通信的基本概念 2 数据传输速率 误码率 1 数据传输数率1 比特率 每秒传输的二进制数据位数叫做比特率 单位 bit S2 波特率 每秒传输数据位和控制位 泛指二进制信号 的总数叫做波特率 例如 每秒传输120字节数据 每个字节8位数据 1位起始位 1为停止位 数据总数为 960位 数据位 控制位总数为 1200位 则 比特率为960bit S 波特率为 1200bit S 2 数据传输误码率反应信号传输的正确性 包括误比特率 误码元率 bps 8 7 3总线通信技术7 3 3几种常用的通信总线 GP IB标准接口 并行接口 1 IEEE 488标准 GP IB标准 该标准是为可程控仪器仪表设计的 便于构成自动测控系统 GPIB标准包括接口与总线两部分 接口部分由各种逻辑电路组成 与各仪器装置安装在一起 用于对传送的信息进行发送 接收 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 9 7 3总线通信技术7 3 3几种常用的通信总线 GP IB标准接口 并行接口 2 基本特性1 可挂接仪器容量 15台设备 2 总线长度 20m 3 最大传输速率 1MBYT S 4 总线上传输的消息采用负逻辑 低电平 0 8V 为逻辑 1 高电平 2 0V 为逻辑 0 5 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 6 一般适用于电气干扰轻微的实验室和生产现场 10 7 3总线通信技术7 3 3几种常用的通信总线 GP IB标准接口 并行接口 3 系统构成将具有GPIB接口的仪器用GPIB总线连接起来的标准接口总线系统如图所示 11 7 3总线通信技术7 3 3几种常用的通信总线 GP IB标准接口 并行接口 4 总线构成8条数据线3条挂钩线5条管理线 12 7 3总线通信技术7 3 3几种常用的通信总线 GP IB标准接口 并行接口 5 系统功能的三要素GPIB标准接口总线系统中 要进行有效的通信联络 至少有讲者 听者 控者三类仪器装置 讲者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 在一个GPIB系统中 可以设置多个讲者 但在某一时刻 只能有一个讲者在起作用 听者是通过总线接收由讲者发出消息的装置 如打印机 信号源等 在一个GPIB系统中 可以设置多个听者 并且允许多个听者同时工作 控者是数据传输过程中的组织者和控制者 例如对其他设备进行寻址或允许 讲者 使用总线等 控者通常由计算机担任 13 7 3总线通信技术7 3 3几种常用的通信总线 GP IB标准接口 并行接口 5 系统功能的三要素GPIB系统不允许有两个或两个以上的控者同时起作用 控者 讲者 听者被称为系统功能的三要素 对于系统中的某一台装置可以具有三要素中的1个 2个或全部 GPIB系统中的计算机一般同时兼有讲者 听者与控者的功能 14 7 3总线通信技术7 3 3几种常用的通信总线 GP IB标准接口 并行接口 6 三线连锁挂钩原理为了保证GPIB总线能够正确地 有节奏地传输数据 必须对数据总线的时序加以控制 其主要方式是利用DAV NRFD NDAC三条挂钩联络线进行联络 这种方式称为三线连锁挂钩原理 在这种方式中 源为 讲者 向受方 听者 传输消息的每一个过程都要受到DAV NRFD NDAC三条线上消息的制约 每传递一个数据字节信息 不论是仪器消息还是接口消息 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 握手 15 7 3总线通信技术7 3 3几种常用的通信总线 GP IB标准接口 并行接口 6 三线连锁挂钩原理假定地址已发送 听者和讲者均己受命 三线挂钩过程如下 1 听者使NRFD呈高电平 表示己做好接收数据的准备 总线上所有的听者是 线或 连接至NRFD线上 只要有一个听者未做好准备 NRFD就呈低电平 16 7 3总线通信技术7 3 3几种常用的通信总线 GP IB标准接口 并行接口 6 三线连锁挂钩原理2 讲者发现NRFD呈高电平 后 就把数据放在DIO线上 并令DAV为低电平 表示DIO线上的数据已经稳定且有效 17 7 3总线通信技术7 3 3几种常用的通信总线 GP IB标准接口 并行接口 6 三线连锁挂钩原理3 听者发现DAV线呈低电平 后 就令NRFD也呈低电平 表示准备接收数据 在接收数据的过程中 NDAC线一直保持低电平 直至每个听者都接收完数据 方上升为高电平 所有听者也是 线或 接到NDAC线上 18 7 3总线通信技术7 3 3几种常用的通信总线 GP IB标准接口 并行接口 6 三线连锁挂钩原理4 当讲者检测出NDAC为高电平 后 就令DAV为高电平 表示总线上的数据不再有效 听者检测出DAV为高电平 就令NDAC再次变为低电平 以准备进行下一个循环过程 三线挂钩技术可以协调快慢不同的设备可靠地在总线上进行信息传递 19 7 3总线通信技术7 3 3几种常用的通信总线 GP IB标准接口 并行接口 7 GP IB总线系统的功能GPIB标准把实现自动测量和控制所必须具有的全部逻辑功能概括为10种接口功能 如前所述的控者功能 C 讲者功能 T 和听者功能 L 是一个自动测试系统中必不可少的主种最基本的功能 除此之外 为了使系统传递的每一个数据字节都能做到准确 可靠 无误 除了需要进行前述的三线挂钩 又设置了 源挂钩功能 SA 为讲者功能和控者功能服务 受者挂钩功能 AH 主要为听者功能服务 20 7 3总线通信技术7 3 3几种常用的通信总线 GP IB标准接口 并行接口 7 GP IB总线系统的功能源挂钩功能利用DAV控制线向受者挂钩功能表示发送的数据是否有效 受者挂钩功能则利用NRFD和NDAC控制线向源挂钩功能表示是否已经接收到数据 以上5种基本接口功能为系统提供了在正常工作期间使数据准确可靠传送的能力 但仅此还是不够的 为了处理测试过程中可能遇到的各种问题 GPIB又增加了5种具有相应管理能力的接口功能 21 7 3总线通信技术7 3 3几种常用的通信总线 GP IB标准接口 并行接口 7 GP IB总线系统的功能1 控者功能 C 2 讲者功能 T 3 听者功能 L 4 源挂钩功能 SA 5 受者挂钩功能 AH 5种基本接口功能为系统提供了在正常工作期间使数据准确可靠传送的能力 GPIB还有5种具有相应管理能力的接口功能 6 服务请求功能 SR 7 并行点名功能 PP 8 远控本控功能 R L 9 装置触发功能 DT 10 装置消除功能 DC 22 7 3总线通信技术7 3 3几种常用的通信总线 GP IB标准接口 并行接口 7 GP IB总线系统的功能1 控者功能 C 2 讲者功能 T 3 听者功能 L 4 源挂钩功能 SA 5 受者挂钩功能 AH 6 服务请求功能 SR 指当系统中某一装置在运行时遇到某些情况时 例如测量己完毕 出现故障等 能向系统控者提出服务请求的能力 7 并行点名功能 PP 是系统控者为快速查询请求服务装置而设置的并行点名功能 配备PP功能的装置才能对控者的并行点名作出响应 23 7 3总线通信技术7 3 3几种常用的通信总线 GP IB标准接口 并行接口 7 GP IB总线系统的功能1 控者功能 C 2 讲者功能 T 3 听者功能 L 4 源挂钩功能 SA 5 受者挂钩功能 AH 6 服务请求功能 SR 7 并行点名功能 PP 8 远控本控功能 R L 用来选择远地和本地2个工作状态之一 9 装置触发功能 DT 使装置能从总线接收到触发信息 以便进行触发操作或同步操作 装置的接口中必须设置DT功能 10 装置消除功能 DC 能使仪器装置接收清除信息并返回到初始状态 系统控者通过总线命令使那些配置有此功能的装置同时或有选择地被清除而回到初始状态 24 7 3总线通信技术7 3 3几种常用的通信总线 GP IB标准接口 并行接口 7 GP IB总线系统的功能实际上并非每台装置都必须具有这10种接口功能 例如一台数字电压表一方面要接收程控命令 另一方面又要发送测量数据 因而一般应配置除控者之外的其他9种功能 一台打印机只需 听 所以通常只需配置受者挂钩功能 AH 听者功能 L 远控本控功能 R L 和装置触发功能 DT 等接口功能 很显然 除了作为控者的其他所有装置都无须配置控着功能功能 C 功能 25 7 3总线通信技术7 3 3几种常用的通信总线 GP IB标准接口 并行接口 8 GP IB总线接口消息与编码按用途来分 可分为接口消息和仪器消息两大类 按传递的途径来分 可分为本地消息和远地消息两种 远地消息是经总线传递的消息 它可以是仪器消息也可以是接口消息 用3个大写英文字母表示 如MLA 我的听地址 本地消息是由仪器本身产生并在仪器内部传递的消息 用3个小写英文字母表示 如pon 电源开 按使用信号线的数目来分 可分为单线消息和多线消息两种 用两条或两条以上信号线传递的消息称为多线消息 例如各种通令 指令 地址数据等 通过一条信号线传送的消息称为单线消息 例如ATN IFC等 26 7 3总线通信技术7 3 3几种常用的通信总线 GP IB标准接口 并行接口 10 GP IB总线接口系统的运行下面以一个简单的自动测试系统来说明GPIB标准接口系统运行的大致过程 系统的测试目标是测试设备各部分的压力 数百个压力传感器安置在被测设备的各测试点上 在计算机的控制下 扫描器将顺序采集到的传感器输出信号送往A D转换器 A D转换器将输出的信号送给数字电压表去显示 数字电压表又将数据送给计算机处理 最后由打印机将处理后的结果打印出来 压力传感器 A D 数字电压表 计算机 打印机 27 7 3总线通信技术7 3 3几种常用的通信总线 GP IB标准接口 并行接口 10 GP IB总线接口系统的运行 压力传感器 A D 数字电压表 计算机 打印机 A D 28 GP IB标准接口 并行接口 10 GP IB总线接口系统的运行 A D 系统的工作流程如下 1 控制器通过C功能发出远控 REN 消息 使系统中所有装置都处于控者的控制之下 2 控制器通过C功能发出接口清除 IFC 消息 使系统中所有装置都处于初始状态 29 GP IB标准接口 并行接口 10 GP IB总线接口系统的运行 A D 系统的工作流程如下 3 控制器发出扫描器的听地址 扫描器接收寻址后成为听者 4 控制器通过讲 T 功能向扫描器发出一个程控命令 使扫描器选择一个指定的传感器 5 控制器发出通令UNL 不听 取消扫描器的听受命状态 30 GP IB标准接口 并行接口 10 GP IB总线接口系统的运行 A D 系统的工作流程如下 6 控制器发出A D转换器的听地址 A D转换器接收寻址成为听者后就接收由选定传感器送来的数据 7 控制器发出通令UNL 取消A D转换器的听受命状态控制器发出扫描器的听地址 扫描器接收寻址后成为听者 31 GP IB标准接口 并行接口 10 GP IB总线接口系统的运行 A D 系统的工作流程如下 8 控制器发出A D转换器的讲地址 使A D转换器成为讲者 又发出数字电压表听地址 使数字电压表成为听者 于是数字电压表便听取电桥送来的测量数据 9 控制器又发出通令UNL 取消听受命状态 32 GP IB标准接口 并行接口 10 GP IB总线接口系统的运行 A D 系统的工作流程如下 10 控制器又发出数字电压表的讲地址 A D转换器讲者资格自动取消 数字电压表成为讲者 11 控制器使自己成为听者 于是数字电压表的测量结果就送至计算机 33 GP IB标准接口 并行接口 10 GP IB总线接口系统的运行 A D 系统的工作流程如下 12 计算机处理完测量数据后 它又作为控者清除接口 并发出打印机的听地址 13 打印机打印计算机送来的数据 14 打印机打印完数据后 控制器又选择下个压力传感器 开始新的循环 34 GP IB标准接口 并行接口 11 GP IB总线接口设计 为了简化接口设计 目前已有些厂家将GPIB标准规定的全部接口功能制作在一块集成电路上 比较常见的如Intel公司的8291听 讲者芯片等 这些芯片使用时必须置于微处理器总线上 用面向标准接口功能的驱动软件来管理它们的操作 另外还需要些支持电路 如总线收发器等 芯片已经封装了组建GPIB系统所需的绝大部分功能 所以只需要单独使用某芯片如8291就可以为智能仪器组成功能相当齐全的GPIB接口 35 GP IB标准接口 并行接口 11 GP IB总线接口设计 4 4 3示出了国产AV2781智能LCR测试仪GPIB接口原理图 仪器控制采用8031单片机 接口电路选用8291接口芯片与4片母线收 发器MC3448相连构成 36 2 GP IB标准接口 并行接口 11 GP IB总线接口设计 为了简化接口设计 目前已有些厂家将GPIB标准规定的全部接口功能制作在一块集成电路上 比较常见的如Intel公司的8291听 讲者芯片等 这些芯片使用时必须置于微处理器总线上 用面向标准接口功能的驱动软件来管理它们的操作 另外还需要些支持电路 如总线收发器等 芯片已经封装了组建GPIB系统所需的绝大部分功能 所以只需要单独使用某芯片如8291就可以为智能仪器组成功能相当齐全的GPIB接口 37 2 串行外设接口 SPI 是一种三线同步串行总线 时钟线SCK 由主机控制 主机输入 从机输出线MISO 主机输出 从机输入线MOSI 38 2 串行外设接口 SPI 39 3 串行单总线接口 I2C 是一种两线同步串行总线 时钟线SCL 由主机控制 双向数据线SDA 40 3 串行总线接口技术 I2C 是一种两线同步串行总线 时钟线SCL 由主机控制 双向数据线SDA 41 4 串行总线接口技术 1 Wire 1 1 Wire概述1 Wire单总线是Maxim全资子公司Dallas的一项专利技术 采用的单总线既传输时钟 且传输双向数据 42 4 串行总线接口技术 1 Wire 2 1 Wire的操作1 写操作单总线通信协议中存在两种写时隙 写 0 写 1 主机采用写 1 时隙向从机写入 1 而写 0 时隙向从机写入 0 所有写时隙至少要60us 且在两次独立的写时隙之间至少要1us的恢复时间 两种写时隙均起始于主机拉低数据总线 写 0 时隙的方式 在主机拉低后 只需要在整个时隙间保持低电平即可 至少60us 写 1 时隙的方式 主机拉低总线后 接着必须在15us之内释放总线 由上拉电阻将总线拉至高电平 在写时隙开始后15 60us期间 单总线器件采样总电平状态 如果在此期间采样值为高电平 则逻辑 1 被写入器件 如果为 0 写入逻辑 0 43 4 串行总线接口技术 1 Wire 2 1 Wire的操作1 写操作 写时隙 60uS 120uS 两次 写 恢复时间 1us 两种写时隙均起始于主机拉低数据总线 写 0 时隙的方式 拉低后 整个时隙间保持低电平 写 1 时隙的方式 拉低后 必须在15us之内释放总线 由上拉电阻将总线拉至高电平 写开始后15 60us期间 如果在此期间采样值为 1 则逻辑 1 被写入器件 如果为 0 写入逻辑 0 44 4 串行总线接口技术 1 Wire 2 1 Wire的操作2 读操作单总线器件仅在主机发出读时隙时 才向主机传输数据 所有主机发出读数据命令后 必须马上产生读时隙 以便从机能够传输数据 所有读时隙至少需要60us 且在两次独立的读时隙之间至少需要1us恢复时间 每个读时隙都由主机发起至少拉低总线1us 在主机发出读时隙后 单总线器件才开始在总线上发送1或0 若从机发送1 则保持总线为高电平 若发出0 则拉低总线 当发送0时 从机在读时隙结束后释放总线 由上拉电阻将总线拉回至空闲高电平状态 从机发出的数据在起始时隙之后 保持有效时间15us 因此主机在读时隙期间必须释放总线 并且在时隙起始后的15us之内采样总线状态 45 4 串行总线接口技术 1 Wire 2 1 Wire的操作2 读操作 主机发出读数据命令后 马上产生读时隙 读时隙至少需要60us 两次独立的读时隙之间至少需要1us恢复时间 每个读时隙都由主机发起至少拉低总线1us 若从机发送1 则保持总线为高电平 若发出0 则拉低总线 从机发出的数据在起始时隙之后 保持有效时间15us 主机在读时隙期间必须释放总线 并且在时隙起始后的15us之内采样总线状态 46 4 串行总线接口技术 1 Wire 2 1 Wire的操作3 单总线通信的初始化单总线上所有的通信都是以初始化序列开始的 初始化序列包括主机发出的复位脉冲及从机的应答脉冲 这一过程如图所示 黑色实线代表系统主机拉低总线 灰色实线代表从机拉低总线 而黑色的虚线则代表上拉电阻将总线拉高 47 4 串行总线接口技术 1 Wire 2 1 Wire的操作3 单总线通信的初始化主设备发出复位脉冲是一个480 960us的低电平 然后释放总线进入接收状态 时间约为15 60us 接受端设备开始检测IO引脚上的下降沿以及监视脉冲的到来 主设备处于这种状态下的时间至少480us 从设备接收到主设备发出的复位脉冲后 向总线发出一个应答脉冲 表示从设备已准备好 可根据各种命令发送或接收数据 通常情况下 器件等待15 60us即可发送应答脉冲 48 其他总线技术及总线协议简介 1 CAN总线技术CAN是控制器局域网络 ControllerAreaNetwork CAN 的简称 由研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发并最终成为国际标准 它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络 特点 1 多主控制 总线空闲时 所有单元都可以发送消息 最先访问总线的单元可获得发送全 CSMA CA 多个单元同时开始发送时 发送最高级别D消息的单元可获得发送权 49 其他总线技术及总线协议简介 1 CAN总线技术特点 2 系统的柔软性 与总线连接的单元没有类似于地址的消息 所以当总线增加单元时 连接在总线上的其他单元软硬件及应用层不需要改变 3 通信速度与通信距离 一个系统中的所有单元通信速度要一直 CAN通信距离可达到10km 但是要与通信速度匹配 4 总线单元个数 理论上讲 可连接的单元个数没有限制 但是个数受通信速度 电气负载 时间延迟限制 50 其他总线技术及总线协议简介 2 MBUS仪表总线 MeterBus MBus 是一种新型总线结构 MBus主要特点是两条无极性传输线来同时供电和传输串行数据 而各个子站 以不同的ID确认 并联在MBus总线上 将MBus用于各类仪表或相关装置的能耗类智能管理系统中时 可对相关数据或信号进行采集并传递至集中器 然后再通过相应的接口传至主站 利用MBus可大大简化住宅小区 办公场所等能耗智能化管理系统的布线和连接 且具有结构简单 造价低廉 可靠性高的特点 由MBus构成的能耗智能化管理系统由终端数据或信号采集子站及其MBus收发电路 MBus总线 主站及其MBus转换器等组成 51 其他总线技术及总线协议简介 2 MBUS仪表总线中的接收发送机制 对于主从式通信系统 因从机之间不能直接交换信息 只能通过主机来转发 此时采用Mbus解调器实现对从机的相关数据的采集 并传递至集中器 然后再传递至总站 它由主机 从机和两线制总线组成 MBus总线是一种半双工通信总线 可以通过集中器实现给终端仪表远程供电 52 其他总线技术及总线协议简介 2 MBUS1 MBus总线向下传输的数据位定义如下 由集中器向终端仪表终端传输的信号采用电压值的变化来表示 即M Bus主机 集中器 向从机 终端仪表 发送的数据码流是一种电压脉冲序列 用Vmark 如 36V 表示逻辑 1 mark 用Vmark 12V 如 24V 表示逻辑 0 总线电流不变 在稳态时线路将保持 1 状态 如图所示 53 其他总线技术及总线协议简介 2 MBUS1 MBus总线向下传输的数据位定义如下 由于总线电缆阻抗的原因 从机总线上的实际电压将小于36V 这个值的大小决定于从机和主机的距离以及线缆的电阻 它可能是21 42V之间的任意值 为使接收和距离无关 所以从机不能检测绝对电压值来确定数据 从站通过检测总线电压的变化值来确定接收到的数据 这就要求总线接口电路应具有动态电平识别的接收逻辑 54 其他总线技术及总线协议简介 2 MBUS2 MBus总线向上传输的数据位定义如下 从终端仪表向集中器传输的信号采用电流值的变化来表示 即由终端仪表向集中器发送的数据码流是一种电流脉冲序列 通常用1 5mA的电流值表示逻辑 1 当传输 0 时 由终端仪表控制可使电流值增加11 20mA 55 其他总线技术及总线协议简介 2 MBUS2 MBus总线向上传输的数据位定义如下 在稳态时 线路上的值为持续的 1 状态 当终端仪表接收信号时 其电流应处于稳态 1 在接收信号时 其电压值的变化所导致的电流变化不应超过0 2 V 如图所示 由终端仪表向集中器传输数据的码流图 56 其他总线技术