智能仪器设计与实现PPT课件

1 第5章智能仪器的标准数据通信接口 5 1串行数据通信5 1 1串行通信的基本概念1 数据传送速率 波特率 Baudrate 2 单工 半双工与全双工 图5 1全双工 半双工 单工示意图 2 1 单工 Simplex 方式 仅允许数据单方向传送 2 半双工 Half Duplex 方式 发送和接收数据分时使用同一条传输线路 即在某一时刻只能进行一个方向的数据传送 3 全双工 Full Duplex 方式 采用两根传送线连接两端设备 可同时进行数据的发送和接收 3 串行传送 通信 方式及规程 1 异步传送规程 3 2 同步传送规程4 基带传输5 调制 解调与调制 解调器5 1 2RS 232标准串行接口总线 图5 2异步传送数据格式 图5 3同步传送数据格式 4 1 总线描述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 1 数据信号线 2 控制信号线2 RS 232C接口的常用系统连接 5 图5 4带RS 232C接口的通信设备连接 图5 5全双工标准系统连接 6 3 电平转换4 计算机接口5 1 3RS 422A与RS 423A标准串行接口总线 图5 6全双工最简系统连接 图5 7调制解调器通讯系统连接图 7 虽然 RS 232C使用很广泛 但它存在着一些固有的不足 主要有 数据传输速率慢 一般低于20kbps 传送距离短 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 有25芯D型插针和9芯D型插针等多种连接方式 图5 8 8 信号传输电路为单端电路 共模抑制性能较差 抗干扰能力弱 5 1 4RS 485标准串行接口总线它与RS 422A的不同之处在于 在两个设备相连时 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 9 速率 bps 距离 m 100M1 传输线的选择和阻抗匹配2 隔离 图5 9RS 485总线多站互连原理图 10 3 抗静电放电冲击4 传输线的铺设及屏蔽 11 图5 11光电隔离的RS 485总线 图5 10传输距离与传输速率关系 12 5 2并行数据通信5 2 1Centronics标准并行接口 13 5 2 2GP IB IEEE 488 总线 图5 12GP IB自动测试系统 14 1 控制器的操作2 三线挂钩操作5 2 3VXI总线 VMEbusExtensionsforInstrumentation 图5 13GP IB连接器及信号 15 图5 158291A引脚及内部结构图 图5 14GP IB总线的三线挂钩操作 16 17 a VXI系统模板尺寸 b VXI系统连接器及总线分布 图5 16 18 5 3USB总线技术USB总线具有以下主要特征 1 用户易用性 电缆连接和连接头采用单一模型 电气特性与用户无关 并提供了动态连接 动态识别等特性 图5 17VXI总线通信规程示意图 19 2 应用的广泛性 传输率从几kbps到几Mbps 乃至上百Mbps 并在同一根电缆上支持同步 异步两种传输模式 可以对多个USB总线设备 最多127个 同时进行操作 利用底层协议提高了总线利用率 使主机和设备之间可传输多个数据流和报文 3 使用的灵活性 允许对设备缓冲区大小进行选择 并通过设定缓冲区的大小和执行时间 支持各种数据传输率 支持不同大小的数据包 4 容错性强 在协议中规定了出错处理和 20 差错校正的机制 可以对有缺陷的设备进行认定 对错误的数据进行校正或报告 5 即插即用 的体系结构 具有简单而完善的协议 并与现有的操作系统相适应 不会产生任何冲突 6 性价比较高 USB虽然拥有诸多优秀的特性 但其价格较低 USB总线技术将外设和主机硬件进行最优化集成 并提供了低价的电缆和连接头等 5 3 1USB的系统描述5 3 2USB总线协议 21 图5 18USB总线拓扑结构 图5 19USB电缆及信号 22 5 3 3USB数据流5 3 4USB的容错性能5 3 5USB设备5 3 6USB系统设置5 3 7USB系统中的主机 图5 20USB集线器示意图 23 5 4现场总线技术5 4 1CAN总线概述 图5 21ISO参考模型的7层体系结构 24 LLC子层提供的功能有 1 帧接收过滤 数据帧内容由标识符命名 标识符并不能指明帧的目的地 每个接收器通过帧接收过滤确定此帧与己是否有关 2 超载通告 如果接收器内部条件要求延迟下一个LLC数据帧 图5 22CAN的分层结构 25 或LLC远程帧 则通过LLC子层开始发送超载帧 最多可产生两个超载帧 以延迟下一个数据帧或远程帧 3 恢复管理 发送期间 对于丢失仲裁或被错误干扰的帧 LLC子层具有自动重发送功能 在发送成功完成前 帧发送服务不被用户认可 MAC子层按IEEE802 3规定 具有发送部分功能和接收部分功能 发送部分功能包括 1 发送数据封装 接收LLC帧和接口控制 26 信息 构造MAC帧 2 发送媒体访问管理 检查总线状态 串行化MAC帧 插入填充位 开始发送 丢失仲裁时转入接收方式 应答校验 错误超载检测 发送超载帧或数据帧等 接收部分功能包括 1 接收媒体访问管理 由物理层接收串行位流 重新构筑帧结构 解除填充位 错误检测 发送应答 构造发送错误帧或超载帧 2 接受数据卸装 由接收帧去除MAC特定 27 信息 输出LLC帧和接口控制信息至LLC子层 总之 CAN具有如下主要特性 图5 23CAN总线上的电平表示 1 多主站依据优先权进行总线访问 2 无破坏性的基于优先权的仲裁 3 借助接收过滤的多地址帧传送 28 4 远程数据请求 5 配置灵活性 6 全系统数据相容性 7 错误检测和出错信令 8 发送期间若丢失仲裁或由于出错而遭破坏的帧可自动重发送 9 暂时错误和永久性故障节点的判别以及故障节点的自动脱离 5 4 2CAN总线有关器件介绍1 Intel82527CAN通信控制器 29 30 其主要特性可概括如下 支持CAN2 0B规范 包括标准和扩展数据帧和远程帧 可程控全局屏蔽 包括标准和扩展标识符 图5 2482527功能框图 31 具有15个信息缓冲区 每个信息长度为8字节 包括14个TX RX缓冲区 1个带可程控屏蔽的RX缓冲区 可变CPU接口 包括多路8位总线 Intel或Motorola方式 多路16位总线 8位非多路总线 同步 异步 串行接口 如SPI 可程控速率并有可程控时钟输出 可变中断结构 可设置输出驱动器和输入比较器结构 两个8位双向I O口 32 2 带有CAN总线接口的微控制器及I O器件 1 8位微控制器P8XC592 2 CAN总线I O器件82C1501 CAN接口功能符合具有严格的位定时的CAN技术规范2 0A和2 0B 全集成内部时钟振荡器 不需要晶振 位速率为20 125kbps 具有位速率自动检测和校正功能 有4个可编程标识符位 在一个CAN总线系 33 统上最多可连接16个82C150 支持总线故障自动恢复 具有通过CAN总线唤醒功能的睡眠方式 带有CAN总线差分输入比较器和输出驱动器 2 I O功能16条可配置的数字及模拟I O口线 每条I O口线均可通过CAN总线单独配置 包括I O方向 口工作模式和输入跳变的检测功能 34 在用做数字输入时 可设置为由输入端变化而引起CAN报文自动发送 两个分辨率为10位的准模拟量 分配脉冲调制PDM 输出 具有6路模拟输入通道的10位A D转换器 两个通用比较器 3 工作特性电源电压为5V 4 典型电耗20mA 工作温度范围为 40 125 采用28脚小型表面封装 35 3 CAN总线收发接口电路82C25082C250是CAN控制器与物理总线之间的接口 该器件可以提供对总线的差动发送和