智能仪器通信接口技术last课件

第5章智能仪器的通信接口技术 5 1 1异步通信和同步通信 串行通信按同步方式可分为异步通信和同步通信两种基本通信方式 2 异步通信 AsynchronousCommunication 在异步通信中 数据通常是以字符或字节为单位组成数据帧进行传送的 收 发端各有一套彼此独立 互不同步的通信机构 由于收发数据的帧格式相同 因此可以相互识别接收到的数据信息 异步通信协议规定每个数据以相同的位串形式传送 每个串行数据由起始位 数据位 奇偶校验位和停止位组成 异步通信信息帧格式如图7 2所示 它用一个起始位表示字符开始 用停止位表示字符结束构成一帧 图中起始位占用一位 8位数据位 1位奇偶校验位 加上这一使字符串为 1 的位为奇数 或偶数 停止位可以是1位 1位半或2位 传送时数据的低位在前 高位在后 另外字符之间允许有不定长度的空闲位 空闲位为高电平 1 起始位 在没有数据传送时 通信线上处于逻辑 1 状态 当发送端要发送1个字符数据时 首先发送1个逻辑 0 信号 这个低电平便是帧格式的起始位 其作用是向接收端表示发送端开始发送一帧数据 接收端检测到这个低电平后 就准备接收数据信号 2 数据位 在起始位之后 发送端发出 或接收端接收 的是数据位 数据的位数没有严格的限制 5 8位均可 由低位到高位逐位传送 3 奇偶校验位 数据位发送完 接收完 之后 可发送一位用来检验数据在传送过程中是否出错的奇偶校验位 奇偶校验是收发双方预先约定好的有限差错检验方式之一 有时也可不用奇偶校验 4 停止位 字符帧格式的最后部分是停止位 逻辑 1 电平有效 它可占1位 1 5位或2位 停止位表示传送一帧信息的结束 也为发送下一帧信息作好准备 5 1 2串行通信的波特率 波特率 BaudRate 是串行通信中一个重要概念 它是指传输数据的速率 亦称比特率 波特率的定义是每秒传输二进制数码的位数 它的单位是位 秒 b s 如 波特率为1200bps是指每秒钟能传输1200位二进制数码 波特率的倒数即为每位数据传输时间 例如 波特率为1200bps 每位的传输时间为 规定的标准波特率 50 75 110 300 600 12002400 4800 9600 19200b s举例 在某异步串行通信中 传送一个字符 包括一个起始位 8个数据位 1个偶校验位 二个停止位 设波特率为1200b s 则每秒所能传送的字符数是 1200 1 8 1 2 100个 5 2串行通信标准 5 2 1RS 232C标准 RS 232C是在异步串行通信中应用最广的总线标准 它适用于短距离或带调制解调器的通信场合 RS 232C标准是美国EIA与BELL等公司一起开发的1969年公布的数据通信标准 它适合于数据传输速率在0 20000b s范围内的通信 该标准定义了数据终端设备DTE DataTerminalEquipment 和数据通信设备DCE DataCommunicationEquipment 之间的接口信号特性 其中DTE也可以是计算机 DCE一般是指调制解调器 MODEM 它作为一种标准 目前已在微机通信接口中广泛采用 在IBMPC机上的COM1 COM2接口 就是RS 232C接口 其逻辑电平定义为负逻辑 对数据信息而言 逻辑 1 的电平低于 3V 逻辑 0 的电平高于 3V 也就是当传输电平的绝对值大于3V时 电路可有效地检查出来 介于 3V和 3V之间的电压无意义 低于 15V或高于 15V也认为无意义 因此 实际工作时应保证电平在 5 15V 之间 显然 EIA RS 232C是用正负电压来表示逻辑状态的 与TTL以高低电平表示逻辑状态的规定不同 因此 为了能够同终端的TTL器件连接 必须在EIA RS 232C与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换 1 电气特性 图7 4微机9针D形串口连接器 2 端子定义 TXD Transmitteddata 为发送数据信号 串行数据传送信号由该脚发出送上通信线路到MODEM DTE DCE 在不传送数据时该脚为逻辑1 RXD Receiveddata 接收数据信号 来自通信线路的串行数据信号由该脚进入系统 DCE DTE GND 地信号 是其它引脚的参考电位信号 一类为基本数据传送信号有TXD RXD GND 零调制解调器连接 这种方法只适于15m以内的串行通信 3 电平转换 由于RS 232C信号电平与TTL电平不兼容 因此 为了与TTL器件连接必须进行信号电平转换 实现这种电平转换的电路称为RS 232C接口电路 一般有两种形式 一种是采用运算放大器 晶体管 光电隔离器等器件组成的电路来实现 另一种是采用专门集成芯片 如MC1488 MC1489 MAX232等 来实现 MAX232接口电路 MAX232芯片是MAXIM公司生产的具有两路接收器和驱动器的IC芯片 其内部有一个电源电压变换器 可以将输入 5V的电压变换成RS 232C输出电平所需的 12V电压 所以采用这种芯片来实现接口电路特别方便 只需单一的 5V电源即可 图MAX232引脚图 PC机与89C51单片机串行通信电路 图用MAX232实现串行通信接口电路图 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非对称接口电路 即一根信号线和一根地线 共模抑制性能较差 抗干扰能力弱 5 2 2RS 422标准 RS 232C虽然应用广泛 但其存在以下不足 为了弥补这些不足 EIA公布了适应于远距离传输的RS 422 平衡传输线 和RS 423 不平衡传输线 标准 为改进RS 232 RS 422定义了一种平衡通信接口 将传输速率提高到10Mb s 传输距离延长到4000英尺 速率低于100kb s时 并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器 1 特点 1 采用平衡发送器和差动接收器 由于是双线传输 大大提高了抗共模干扰的能力 两条传输线的电位差决定逻辑电平 AA BB 2V 表示 0 2 传输速率10Mbps 15m时 90Kbps 1200m时 RS422A与TTL电平转换最常用的是传输线驱动器SN75174 MC3487和传输线接收器SN75175 MC3486 2 电平转换 5 2 3RS 485标准 RS 485实际是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 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 抗干扰能力强 传送距离远 传输速率高 数传率 100Kbps 1 2Km9 6Kbps 15Km10Mbps 15mRS 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 图5 11RS 485总线多站互连原理图 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 RS 485串行总线接口标准以差分平衡方式传输信号 具有很强的抗共模干扰的能力 逻辑 0 以两线间的电压差为 2V 6V表示 逻辑 1 以两线间的电压差为 2V 6V表示 接口信号电平比RS 232降低了 不容易损坏接口电路芯片 RS 485总线标准可采用MAX485芯片实现电平转换 MAX 485芯片引脚排列如图7 19所示 MAX485输入 输出信号不能同时进行 半双工 其发送和接收功能的转换是由芯片的RE和DE端控制的 RE 0时 允许接收 RE 1时 接收端R高阻 DE 1时 允许发送 DE 0时 发送端A和B高阻 在单片机系统中常把RE和DE接在一起用单片机的一个I O线控制收发 例A B两台单片机 均采用11 0592MHz晶振 A机以2400bps波特率将p1口数据读入并发送给B机 B机正确接收后输出到p1口 A B两机的RXD TXD交叉相连并共地 两机串行口均设置为方式1 定时器T1定时初值为F4H 两机采用查询控 制方式程序如下 A机发送 程序 ORG0000HLJMPMAINORG0100HMAIN MOVTMOD 20H T1定时方式2MOVTL1 0F4H 波特率为2400bpsMOVTH1 0F4HSETBTR1 启动T1MOVSCON 40H 串口方式1MOVP1 0FFHMAIN1 MOVA P1CJNEA 0FFH NEXTLJMPMAIN1NEXT SETBP2 0MOVSBUF A 启动串口发送JNBTI 等待发送完毕CLRTI 清发送中断标志LJMPMAIN1END B机接收程序ORG0000HLJMPMAINORG0100HMAIN MOVP1 00HMOVTMOD 20H T1定时方式2MOVTL1 0F4H 波特率为2400bpsMOVTH1 0F4HSETBTR1 启动T1MOVSCON 50H 串口方式1CLRP2 0MAIN1 JNBRI 等待接收MOVA SBUF 读取接收数据MOVP1 ACLRRI 清发送中断标志LJMPMAIN1END GP IB即通用接口总线 GeneralPurposeInterfaceBus 是国际通用的仪器接口标准 HP IBIEEE 488 1975IEEE IEC 625 1977IEC IEC IB 图5 15GPIB插座端子 5 3并行通信接口 GP IB标准包括接口与总线两部分接口部分是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 连接方式 总线式连接 仪器直接并联在总线上 相互可以直接通信而无需通过中介单元 如计算机等 数传方式 位并行 Bitparallel 字节串行 Byteserial 双向异步传送方式 其最大数据传输速率为1MB s 数传距离 系统总线长度最好不超过2m 设备数 而总长不允许超过20m 如果距离过长 信号可能畸变 传输的可靠性下降 数据的传输速率也就会降低 仪器容量 由于受发送器负载能力的限制 系统内仪器最多不超过15台 消息逻辑 总线上传输的所有消息采用负逻辑 低电平 0 8V 为逻辑 1 高电平 2 0V 为逻辑 0 与标准TTL电平兼容 总线构成 由16条信号线构成 其中8条为数据线 3条为挂钩线 5条管理线一般适用于电气干扰轻微 如实验室 生产测试环境等场合 5 3 1IEEE 488接口系统的基本特性 5 3 2IEEE 488总线结构 GPIB总线是一个24脚 扁型接口插座 并行总线 其中 16根线为TTL电平信号传输线 包括8条双向数据线 3条数据传送控制线 挂钩线 5条接口管理线 另8条为逻辑地线及屏蔽线 1 8条双向数据总线 DIO1 DIO8 由于GPIB没有专门的地址总线和控制总线 所以8条数据总线不仅用来传送数据 还要传送控制命令和地址 即控者发出的各种通令 指令 地址和副令 讲者发送的各种测量数据 2 3条数据挂钩联络线 DAV NRFD和NDAC 用以保证信息的可靠传输 3 接口管理线 作用是控制GP IB总线接口状态 通过三线挂钩的联络应答关系来实现设备输入和设备输出时的信息交换 保证数据总线能正确 有节奏的传输信息 DAV DATAVALID 数据有效线当DAV的逻辑状态为 1 低电平 时 表DIO上的数据有效 听者可以从DIO线上接收数据 当DAV 0 高电平 时 表DIO上数据无效 听者不能接收DIO线上的数据 NRFD NOTRADYFORDATR 未准备好接收数据线NRFD 1 表示系统中至少有一个听者未准备好接收数据 示意讲者暂不要发出信息 即使数据已置于DIO线上 也不能令数据有效 NRFD 0 表全部听者均已做好接收数据的准备 此时讲者或控者可以向DIO线发送数据 NDAC NOTDATAACCEPTED 数据未收到线NDAC 1 表示系统中至少有一个听者尚未从数据总线上接收完数据 示意讲者暂不要撤掉数据总线上的数据 应保持DAV线继续有效 当NDAC 0 时 表听者均已完成接收数据 此时讲者或控者可向总线传送新数据 数据挂钩联络线 1 听者使NRFD呈高电平 表示已做好接收数据的准备 由于总线上所有的听者是线或连接至NRFD线上的 因此只要有一个听者未做好准备 NRFD就呈低电平 2 讲者发现NRFD呈高平后就把数据放在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 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 4 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 才上升为高电平 5 当讲者检出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 6 听者检出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 三线挂钩原理 听者 挂接在GPIB总线上的设备可能是各种各样的 但就其在总线系统上的作用来说一般可分为 控者 听者 讲者 三类仪器装置 也称为系统功能的三要素 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GP IB系统中 可以设置多个讲者 但在某一时刻只能由一个讲者在起作用 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GP IB系统中 可以设置多个听者 并却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 通常由计算机担任 它通过发出的各种命令 地址来控制某一设备为讲者 某些设备为听者 也能接收其他仪器发来的信息 一个系统中可以有多个控者 但每一时刻只能有一