第2章 智能仪器的标准数据通信接口(精选PPT)

第2章智能仪器的标准数据通信接口 引言2 1RS 232标准串行接口总线2 2SPI总线标准2 3I2C标准总线2 4USB总线标准2 5CAN总线2 6GP IB接口总线2 7PTR2000无线数据传输 1 RS 485接口常用通信芯片 SN75176 MAX485 左图 MAX485引脚图下图 典型连接电路 2 RS 485方式构成的多机通信原理 3 RS 485 RS 232接口电路 实现RS 485电平和RS 232电平之间的切换 4 表4几种串行标准的比较 5 图传输距离与传输速率的关系 RS 422A与RS 485的传输距离与传输速率之间的关系如图所示 速率 b s 距离 m 100M 6 隔离 将各站的串行通信接口电路与其他站进行电气隔离 如图所示 图光电隔离的RS 485总线 7 抗静电放电冲击 静电放电会影响电路的正常工作或导致器件损坏 解决的办法是选用带静电放电保护的RS 485接口器件 例如MAX1487E MAX483E 491E SN75LBC184等 另一个办法是在传输信号线上加箝位电路 传输线的铺设及屏蔽 1 传输线单独铺设 不与交流动力线一起铺设在同一条电缆沟中 2 强信号线与弱信号线避免平行走向 尽量使两者正交 3 尽量使信号线离干扰线远一些 一般为干扰导线内径的40倍以上 4 尽量采用带有屏蔽层的双绞线 将屏蔽层良好地接地 8 完整的SPI系统的特性 一 SPI总线标准介绍 全双工 三线同步传送 主 从机工作方式 可程控的主机位传送频率 时钟极性和相位 发送完成中断标志 写冲突保护标志 SPI总线标准 SPI外围扩展示意图 SPI系统时钟的极性和相位关系 9 二 利用模拟SPI扩展串行E2PROM SPI总线标准 93C46引脚排列 10 SPI总线标准 93C46指令表 8位结构 11 SPI总线标准 读指令 READ 读指令的时序 12 SPI总线标准 写指令 READ 写指令的时序 13 SPI总线标准 90C46与80C51单片机的接口与编程 1 利用80C51单片机的串行口实现的接口 14 SPI总线标准 2 利用软件仿真SPI实现的接口 15 三 利用模拟SPI扩展其它的串行接口芯片 SPI总线标准 1 串行时钟芯片 HT1380与单片机接口电路 16 SPI总线标准 2 串行LED显示接口MAX7219 MAX7219与单片机接口电路 17 SPI总线标准 3 串行模拟量输入芯片MAX1458 串行A D芯片MAX1458与单片机接口电路 18 一 I2C标准总线介绍 I2C总线标准 I2C串行总线只有二根信号线 一根是双向的数据线SDA 另一根是时钟线SCL I2C总线系统示意图 I2C总线外围扩展示意图 19 I2C总线标准 I2C数据传输协议 1 总线不忙 SCL和SDA保持高电平 2 数据传送开始 SCL保持高电平 SDA发生一个由高电平到低电平的变化决定起始条件 3 数据传送停止 SCL保持高电平 SDA发生一个由低电平到高电平的过程 称为停止条件 4 数据有效 启动和停止信号 在SCL为1时SDA1 0代表start SDA0 1代表stop I2C总线上一位数据的传送时序 SDA变化时SCL一定为0 20 I2C总线标准 主发送到从接收 21 I2C总线的数据传送字节格式 I2C总线标准 22 I2C总线标准 二 80C51单片机模拟I2C总线应用实例 PCF8574引脚说明 23 I2C总线标准 PCF8574及PCF8574A控制字节的配置 24 I2C总线标准 读操作 25 I2C总线标准 写操作 26 I2C总线标准 PCF8574应用和编程 27 START ACALLSTA 开始条件MOVA 41H PCF8574为读方式ACALLWRBYT 发送地址信号ACALLCACK 检查ACK信号JBF0 ACALLRDBYT 读数据SWAPACPLAMOV30H A I2C总线标准 程序如下 28 ACALLSTOPACALLSTA 开始条件MOVA 40H PCF8574为写方式ACALLWRBYTACALLCACK 检查ACK信号JBF0 MOVA 30HACALLWRBYTACALLDELAY 延时子程序ACALLSTOP 停止条件LJMPSTA I2C总线标准 29 I2C总线标准 30 USB概况 主机与外设的通用接口 可用于不同的设备串行 打包传送2根数据线 电源 地线两个版本 1 1 12Mb s 2 0 480Mb s 设备连线最长5米即插即用必须要有USB主机存在 设备不能独立工作 USB总线标准 31 USB总线的优点 易于使用 即插即用 可热插拔 具级联方式 并可智能识别链上外围设备的插拔 提供电源 节省硬件资源 易于连接 主板上提供2 6个USB接口 通过集线器最多可支持127个外设 传送速率可满足大多数外设要求可靠性高 能进行错误校验和控制 且由硬件实现 低成本 主板已集成USB接口 设备端的USB接口控制芯片很便宜 低功耗 不工作时能够自动进入休眠状态 并能自动恢复 USB总线标准 32 USB采用四线电缆 其中两根是用来传送数据的串行通道 另两根为下游设备提供电源 1 USB基本特性 图1USB电缆 USB电源包括电源分配和电源管理两方面内容 电源分配是指USB如何分配主机所提供的能源 总线供电设备 自供电设备 USB系统的主机有与USB相互独立的电源管理系统 系统软件可以与主机的能源管理系统结合 共同处理各种电源事件 如挂起 唤醒等 USB总线标准 33 USB系统的基本构架可以分为三个主要的部分 USB主机控制器 根集线器 USB集线器 USB设备 USB总线标准 34 图2USB集线器示意图 USB总线标准 35 USB总线标准 USB通信模型 客户 USB主机 USB接口 功能模块 USB设备 USB接口 主机 设备 消息 数据包 位流 36 USB总线标准 USB主机的软件和硬件 客户软件 USB驱动程序 USBD USB接口 主控制器驱动程序 HCD USB主机软件 USB主机 主机 37 USB数据包格式 主要的 PID USB地址 7位 端点号 CRC PID 数据 1 1023字节 CRC 标识包 数据包 PID 包的类型编号 PID 应答 USB总线标准 38 2 USB的数据传输方式 控制传输中断传输批量传输同步传输 3 USB总线协议 USB是一种轮询方式的总线 主机控制器初始化所有的数据传送 USB协议反映了USB主机与USB设备进行交互时的语言结构和规则 发送端和接收端之间的USB传输有两种类型的信道 流通道和消息信道 USB总线标准 39 在可靠性传输方面 USB提供了多种数据传输机制 如使用差分驱动 接收和防护 以保证信号的完整性 使用循环冗余码 以进行外设装卸的检测和系统资源的设置 对丢失和损坏的数据包暂停传输 利用协议自我恢复 以建立数据控制信道 从而使功能部件避免了相互影响 在错误检测方面 协议中对每个包的控制位都提供了循环冗余码 并提供了一系列的硬件和软件设施来保证数据的正确性 在错误处理方面 协议在硬件和软件上均有措施 硬件 汇报错误和重新进行一次传输 传输中若再次遇到错误 由USB的主机控制器按照协议重新进行传输 最多可进行三次 若错误依然存在 则对客户端软件报告错误 使之按特定方式处理 4 USB的容错性能 USB总线标准 40 一 GP IB IEEE488 总线 GP IB接口总线 发展 HP IB IEEE 488 IEC 625 ZBY207 GP IB标准接口总线系统要进行有效的通信联络 至少有三类仪器装置 讲者 Talker 听者 Listener 控者 Controller 下图中的自动测试系统由数字电压表 信号发生器 打印机和计算机 安装GP IB卡 组成 41 图1GP IB自动测试系统 42 图224线连接器的引脚信号 基本特性 24芯 负逻辑 最大传输速度1Mbps 系统中装置数不超过15 总线长度不超过20米 16根信号线 位并行 字串行31个讲地址 31个听地址 3线握手联络原理保证不同速度设备间的传输 43 3 DAV DataValid 数据有效 指示数据线上的信号是稳定 有效 的 并可由仪器安全接收 控制器在发送命令时发送此信号 而讲者则在发送数据消息时发送此信号 1 3根挂钩线的信号 1 NRFD NotReadyforData 接收数据未就绪 指示某仪器是否准备好接收一个消息字节 该信号线在接收命令时由所有的仪器驱动 在接收数据消息时由听者驱动 2 NDAC NotDataAccepted 未接收数据 指示某仪器是否接收到消息字节 该信号线在接受命令时由所有的仪器驱动 而在接收数据消息时由听者驱动 44 3 REN RemoteEnable 远程允许 系统控制器驱动REN 用于将各仪器设置为远程 Remote 编程或本地 Local 编程方式 2 5根管理信号线 1 ATN Attention 注意 控制器在使用数据线发送命令时将这根信号线设置为真 而在某一讲者可以发送数据消息时将其设置为假 2 IFC InterfaceClear 接口清除 系统控制器驱动该信号线对总线初始化 并成功地执行控制器 45 4 SRQ ServiceRequest 服务请求 任何仪器均可以驱动该信号线 实现异步请求控制器服务 5 EOI EndorIdentify 结束或识别 讲者使用该信号线标记信息字符串的结束 而控制器则使用该信号线要求各仪器在并行查询操作中识别各自的响应 46 3 控制器的操作 控制器加电后一般应发出IFC信号 使所有的GP IB设备初始化 设置ATN 低电平有效 表示控制器将向总线上的听者和讲者发送命令 实现对系统的配置和调度 表1GP IB总线命令地址组合码 47 控制器的操作过程 检测SRQ线 为低电平时 通过查询确定请求服务的仪器 设置ATN为有效 低电平 发送X0100001 确定地址为1的仪器为听者 发送X1000010 确定地址为2的仪器为讲者 设置ATN为高电平 讲者与听者交换数据 发送X0111111 关闭听者 发送X1011111 关闭讲者 48 4 三线挂钩操作 49 GP IB总线典型应用系统 50 图38291A引脚及内部结构图 5 8291芯片介绍 51 表28291A内部寄存器一览表 52 VXI总线仪器系统是模板插卡式结构的智能仪器系统 可将各种具有独立功能的模板式智能仪器连接在一起 构成自动测试系统或计算机测控系统 二 VXI总线 VMEbusExtensionsforInstrumentation IAC可在本机 Local 方式下独立工作 也可通过背板总线进入远程 Remote VXI总线仪器系统具有信息吞吐量大 配置灵活 结构紧凑 仪器体积小等特点 卡式仪器 IAC InstrumentAtCard 53 a VXI系统模板尺寸 b VXI系统连接器的总线分布 54 1 VXI总线装置的类型 寄存器基装置存储器装置消息基装置扩展装置 图4VXI总线通信规程示意图 2 VXI总线系统中采用的软件标准 IEEE488 2可编程仪器标准命令SCPI 55 3 VXI总线系统中两个特殊功能 负责机箱背板管理的0号插槽功能 0号插槽处于每个VXI总线机箱中特定的物理位置 从这个槽上发出的信号必须包括时钟源和数据通过背板时的仲裁逻辑等 资源管理器 位于逻辑地址0 是一个消息基命令器 负责对系统的配置 可以将其理解为系统初始化程序 每当系统加电或复位的时候进行的操作为 识别系统中所有的VXI装置 为系统运行配置所有的资源 管理系统自检 配置系统A24和A32的映射 配置命令 服务分级机制 启动正常运行 56 一 PTR2000无线数据传输 调制解调器的功能调制过程是在发送端把数字信号变换成能被模拟信道传输的模拟信号 这是一种数 模变换过程 完成调制功能的设备是调制器 解调过程是在接收端再把接收到的模拟信号转换成数字信号 这是一种模 数变换过程 完成解调功能的设备是解调器 调制解调器的构成调制解调器的分类 1 无线数传基础 57 2 PTR2000无线收发模块的应用 PTR2000的特性接收发射合一 国际通用的数传频段433MHzFSK 频移键控 调制 抗干扰能力强 特别适合工业控制场合采用DDS PLL频率合成技术 频率稳定性极好 灵敏度高 达到 105dBm 发射功率最大 10dBm低工作电压 2 7V 功耗小 接收状态250uA 待机状态仅为8uA 具有两个频道 特别满足需要多信道工作的特殊场合工作速率最高可达20Kbit s 也可在较低速率下工作如9600bps 可直接接CPU串口使用如8031 也可以接计算机RS2