第5章系统与通信

1、第第5 5章章 系统与通信系统与通信 第第5 5章章 多微处理器系统与通信总线多微处理器系统与通信总线5.1 5.1 概概 述述5.2 5.2 多单片机系统的结构与通信多单片机系统的结构与通信5.3 5.3 智能仪表的对外通信与标准总线智能仪表的对外通信与标准总线5.4 5.4 现场总线与智能仪表现场总线与智能仪表5.5 TCP/IP5.5 TCP/IP协议与智能仪表上网协议与智能仪表上网5.6 5.6 无线数据传输仪表无线数据传输仪表 第第5 5章章 系统与通信系统与通信 5.l5.l 概概 述述 随着计算机和通信技术的发展，微处理器功能不断增强，价随着计算机和通信技术的发展，微处理器功能不

2、断增强，价格大幅下降，产生多微处理器结构及现场总线智能仪表。格大幅下降，产生多微处理器结构及现场总线智能仪表。 集散测控系统集散测控系统-多个微机按多个微机按分级结构组成分级结构组成，最下级是进行测，最下级是进行测量、转换和控制的仪表，它只与控制站联系彼此不通信。控制站量、转换和控制的仪表，它只与控制站联系彼此不通信。控制站控制若干回路，与其他控制站通信联络。系统将控制功能分散，控制若干回路，与其他控制站通信联络。系统将控制功能分散，将操作、监视功能相对集中的系统。将操作、监视功能相对集中的系统。 计算机网络计算机网络-在在计算机网络环境计算机网络环境下，计算机互联起来互相传下，计算机互联起来

3、互相传递信息，在一个区域乃至全球实现资源共享；同时各计算机相互递信息，在一个区域乃至全球实现资源共享；同时各计算机相互独立自主地进行工作。独立自主地进行工作。 现场总线现场总线(Field bus)-构成现场仪表、控制室、控制系统之构成现场仪表、控制室、控制系统之间的全分散、全数字化、智能双向、多变量、多点、互联的通信间的全分散、全数字化、智能双向、多变量、多点、互联的通信系统。节点是现场具有综合功能的系统。节点是现场具有综合功能的智能仪表智能仪表。通信网络与控制系。通信网络与控制系统的集成，不同于集散系统和计算机网络。统的集成，不同于集散系统和计算机网络。第第5 5章章 系统与通信系统与通信

4、 多微处理器智能仪表多微处理器智能仪表优越性优越性： 较高工作速度较高工作速度-多微处理器系统并行进行数据采集、多微处理器系统并行进行数据采集、加工处理、测量、计算、控制外设等工作。单加工处理、测量、计算、控制外设等工作。单CPU只能分只能分时工作，无法满足快速实时测量、实时处理和有较强并行时工作，无法满足快速实时测量、实时处理和有较强并行性、同行性的任务。性、同行性的任务。 便于设计和扩展便于设计和扩展-任务功能分散，系统采用具有独立任务功能分散，系统采用具有独立功能模块化结构，增减模块很容易重构整个系统。使硬件、功能模块化结构，增减模块很容易重构整个系统。使硬件、软件的设计、调试相对简单、

5、独立，具有良好的适应性和软件的设计、调试相对简单、独立，具有良好的适应性和扩展性。扩展性。 较高的可靠性较高的可靠性-任务分散故障也分散，局部失效造成任务分散故障也分散，局部失效造成的损失减少，维护容易，可靠性高。的损失减少，维护容易，可靠性高。 性价比高性价比高-微处理器价格不断下降。与选用复杂的高微处理器价格不断下降。与选用复杂的高速外围电路芯片比较，系统性能价格比高。速外围电路芯片比较，系统性能价格比高。 第第5 5章章 系统与通信系统与通信 5.2 5.2 多处理器系统的结构与通信多处理器系统的结构与通信 多微处理器系统多微处理器系统-多微处理器互联通信，交换数多微处理器互联通信，交换

6、数据，分工协作完成总体任务的系统。据，分工协作完成总体任务的系统。一、单片机串行口直接连接式一、单片机串行口直接连接式 两个单片机按图示连接，可实现两个单片机按图示连接，可实现TTL电平的单极电平的单极性不归零码的串行通信。通信协议可参考仪表之间的性不归零码的串行通信。通信协议可参考仪表之间的通信协议编制，或按设计者的意图自行编制。通信协议编制，或按设计者的意图自行编制。 实现两个单片机间实现两个单片机间 一对一的通信。用种方法一对一的通信。用种方法 构成多单片机系统则要给构成多单片机系统则要给 每个单片机扩展串口。每个单片机扩展串口。第第5 5章章 系统与通信系统与通信 三、三、 I2CI2

7、C总线连接与通信式总线连接与通信式 I2CI2C （Inter Integrate Circuit BUS）是）是芯片间总芯片间总线线和软件协议，是和软件协议，是两线制两线制采用采用主从方式主从方式实现实现全双工同全双工同步步数据传送，所有从器件必须具有数据传送，所有从器件必须具有I2CI2C接口接口 。 SCL时钟线、时钟线、SDA数据线，主器件寻址从器件。数据线，主器件寻址从器件。第第5 5章章 系统与通信系统与通信 第第5 5章章 系统与通信系统与通信 三、三、 SPISPI总线连接与通信式总线连接与通信式 SPI（Serial Peripheral Interface）是一种）是一种串

8、行外设串行外设接口总线接口总线和软件协议。这种通信中，所有从设备都必须和软件协议。这种通信中，所有从设备都必须有有SPI总线接口，一个总线接口，一个CPU扮演主机的角色，其它扮演外扮演主机的角色，其它扮演外设的角色。最高传输速率达设的角色。最高传输速率达1.05Mb/s。 SPl使用使用4条线：串行时钟条线：串行时钟SCK，主机输入，主机输入/从机输出从机输出线线MISO，主机输出，主机输出/从机输入线从机输入线MOSI，从机选择线，从机选择线CS。第第5 5章章 系统与通信系统与通信 如下图所示，以如下图所示，以SPl口线的恰当连接，并通过口线的恰当连接，并通过SPI协议进行一对一的通信。在

9、这种通信中，一个单片机协议进行一对一的通信。在这种通信中，一个单片机扮演主机的角色，一个扮演外设的角色。扮演主机的角色，一个扮演外设的角色。第第5 5章章 系统与通信系统与通信 三、多端口存储器连接式三、多端口存储器连接式 多端口存储器连接式多端口存储器连接式-各单片机通过多端口存各单片机通过多端口存储器连接进行通信。解决多端口访问冲突是采用周期安储器连接进行通信。解决多端口访问冲突是采用周期安排方式访问。排方式访问。 优点：优点：访问快、吞吐量大、可靠性高。访问快、吞吐量大、可靠性高。 注意：注意：单片机达单片机达3个个以上时存储器端口有困难。以上时存储器端口有困难。多端口共享存储器与共享多

10、端口共享存储器与共享总线式的共享存储器是有总线式的共享存储器是有区别的。区别的。第第5 5章章 系统与通信系统与通信 例：例：两个单片机通过双端口两个单片机通过双端口RAM 互联通信。互联通信。7132是是8KB8、速度、速度100ns的静态的静态RAM。图中一个为采集。图中一个为采集单片机；另一个单片机为数据单片机。单片机；另一个单片机为数据单片机。第第5 5章章 系统与通信系统与通信 四、共享总线式四、共享总线式 共享总线式结构共享总线式结构：并行式结构，各单片机完全没：并行式结构，各单片机完全没有固定的主从关系，各单片机在定义之前是完全平等有固定的主从关系，各单片机在定义之前是完全平等的

11、关系，把的关系，把各单片机、公共存储器和外部设备通过公各单片机、公共存储器和外部设备通过公用总线连接起来。用总线连接起来。 又分为单共享总线式和多共享总线式。又分为单共享总线式和多共享总线式。 每一总线都有控制线、数据线和地址线，单片每一总线都有控制线、数据线和地址线，单片机和设备都挂在共享总线上，并按一定的规则对总机和设备都挂在共享总线上，并按一定的规则对总线进行访问从而达到各单片机和设备间变换信息。线进行访问从而达到各单片机和设备间变换信息。第第5 5章章 系统与通信系统与通信 共享总线式系共享总线式系统进行通信的中间统进行通信的中间环节是环节是共享存储器共享存储器，系统的性能主要取系统的

12、性能主要取决于总线的决于总线的“带带宽宽”、系统设备的、系统设备的数目和访问控制规数目和访问控制规则等因索。则等因索。 优点优点：结构简：结构简单，设备的挂接或单，设备的挂接或摘除方便，成本较摘除方便，成本较低。低。第第5 5章章 系统与通信系统与通信 共享总线多单片机系统实例共享总线多单片机系统实例-三单片机流量计三单片机流量计第第5 5章章 系统与通信系统与通信 五、并口连接式五、并口连接式 多单片机并口连接通信如图示。单片机通过多单片机并口连接通信如图示。单片机通过8255A(I)进行并行通信。进行并行通信。8255A()PC口的五条控制线完成双向并口的五条控制线完成双向并行通信的控制逻

13、辑。行通信的控制逻辑。 接口用接口用8255A构成，与两单片构成，与两单片机直接连接，用机直接连接，用编程方法选择逻编程方法选择逻辑功能；单片机辑功能；单片机1用中断方式控制用中断方式控制通信，单片机通信，单片机2用用查询状态方式控查询状态方式控制通信，软件设制通信，软件设计相互独立，互计相互独立，互不干扰。不干扰。 第第5 5章章 系统与通信系统与通信 六、六、 多单片机系统的通信多单片机系统的通信 通信方式取决于连接结构，不同结构选不同通信方式。通信方式取决于连接结构，不同结构选不同通信方式。 共享总线的系统利用公共总线将各单片机连接起来，通共享总线的系统利用公共总线将各单片机连接起来，通

14、信是通过公共总线的控制管理实现。信是通过公共总线的控制管理实现。 1 1、共享总线式管理总线使用权的主要方法、共享总线式管理总线使用权的主要方法 同步式同步式-用总线控制器管理总线的使用和交换的方式。用总线控制器管理总线的使用和交换的方式。 异步式异步式-用总线控制器管理由各单片机送到总线上的信用总线控制器管理由各单片机送到总线上的信息，并按优先的原则处理冲突。息，并按优先的原则处理冲突。 自控式自控式-各单片机器都能检测总线是否可用，如总线空各单片机器都能检测总线是否可用，如总线空闲便可使用，即各单片机都有总线控制装置。闲便可使用，即各单片机都有总线控制装置。第第5 5章章 系统与通信系统与

15、通信 解决问题：解决问题：a任一单片机提出通信要求时，总线控任一单片机提出通信要求时，总线控制器尽可能为该单片机提供通信线路。制器尽可能为该单片机提供通信线路。b几个单片机同时几个单片机同时提出通信要求，则总线控制器应将总线使用权交给优先级提出通信要求，则总线控制器应将总线使用权交给优先级最高的单片机。最高的单片机。c两个单片机正在进行通信时，总线控制两个单片机正在进行通信时，总线控制器应禁止其他单片机使用总线，并让通信请求的单片机排器应禁止其他单片机使用总线，并让通信请求的单片机排队，直到通信完成再去处理。队，直到通信完成再去处理。 2 2、利用公共存储器进行通信、利用公共存储器进行通信 多

16、端口存储器结构系统依靠多端口存储器进行通信联多端口存储器结构系统依靠多端口存储器进行通信联系，各单片机可同时访问，冲突由多端口存储器逻辑电路系，各单片机可同时访问，冲突由多端口存储器逻辑电路解决。在解决。在公共存储器中开辟一部分公共内存区域作为各单公共存储器中开辟一部分公共内存区域作为各单片机间信息交换的集散处片机间信息交换的集散处(中转区中转区)，存放各单片机向其他，存放各单片机向其他单片机发送的信息，以实现各单片机之间的通信。这一部单片机发送的信息，以实现各单片机之间的通信。这一部分内存区称共享存储器。分内存区称共享存储器。第第5 5章章 系统与通信系统与通信 6.3 6.3 智能仪表的对

17、外通信与标准总线智能仪表的对外通信与标准总线 对外通信：对外通信：智能仪表与控制站、操作站、外设之间智能仪表与控制站、操作站、外设之间的通信。属于设备与设备之间的通信，必须使用标准接口的通信。属于设备与设备之间的通信，必须使用标准接口总线，并尽可能开放通信协议。总线，并尽可能开放通信协议。 一、数据通信与接口总线一、数据通信与接口总线 1 1、数据通信、数据通信 数据通信须具备传输的媒介、接收、发送和控制手数据通信须具备传输的媒介、接收、发送和控制手段。段。信号层信号层-如文字、手势、旗语等是交流的信号；如文字、手势、旗语等是交流的信号；知识知识层层-共有的语言和知识；共有的语言和知识；物理层

18、物理层-统一传输方式、传输特统一传输方式、传输特性、接口的机电特性。性、接口的机电特性。通信过程通信过程-信号发送、接收、代码信号发送、接收、代码转换、校验、同步、查询、中断控制等操作，数据通信采转换、校验、同步、查询、中断控制等操作，数据通信采用软硬件结合的方式实现。用软硬件结合的方式实现。 第第5 5章章 系统与通信系统与通信 单工、半双工、全双工传输方式单工、半双工、全双工传输方式-仅从信息传输方向考仅从信息传输方向考虑，通信信道按单工、半双工、全双工方式工作。虑，通信信道按单工、半双工、全双工方式工作。基带传输和宽带传输基带传输和宽带传输-基带传输是直接将电脉冲信号基带传输是直接将电脉

19、冲信号(或或略加处理略加处理)进行传输，不适合远距离数据传输。宽带传输进行传输，不适合远距离数据传输。宽带传输是用基带信号对载波进行调制，在适当的线路上进行远是用基带信号对载波进行调制，在适当的线路上进行远距离传送。常用调制方式有调幅、调频及调相。距离传送。常用调制方式有调幅、调频及调相。异步与同步传输异步与同步传输-异步传输时，接收器先接收起始位后异步传输时，接收器先接收起始位后依次同步于发送器，同步接收一帧信号。同步传输要求依次同步于发送器，同步接收一帧信号。同步传输要求整个信息以固定速度进行，硬件复杂。整个信息以固定速度进行，硬件复杂。传输速度传输速度-指信道在单位时间传输的信息量。指信

20、道在单位时间传输的信息量。信道容量信道容量-单位时间内最大能传送的信息量的比特数。单位时间内最大能传送的信息量的比特数。调制与解调调制与解调-当进行远距离的数据通信时，应采用调制当进行远距离的数据通信时，应采用调制与解调技术，它们的复合体称调制解调器。与解调技术，它们的复合体称调制解调器。第第5 5章章 系统与通信系统与通信 2、接口总线、接口总线 接口总线是接口和总线的总称，简称总线。其接口包接口总线是接口和总线的总称，简称总线。其接口包括各种逻辑电路和连接器。按数据传输方式，智能仪表的括各种逻辑电路和连接器。按数据传输方式，智能仪表的通信总线分为并行和串行。可归纳为：通信总线分为并行和串行

21、。可归纳为： 数据线和地址线数据线和地址线-决定数据通道宽度和可寻址范围；决定数据通道宽度和可寻址范围； 控制控制/联络联络/时序时序/中断信号线中断信号线-决定总线功能的强弱和决定总线功能的强弱和适应能力；适应能力； 电源线和地线电源线和地线-决定电源的种类和地线分布及用法；决定电源的种类和地线分布及用法； 备用线备用线-厂家将来使用，有些用户可自定义。厂家将来使用，有些用户可自定义。 应用较多应用较多：并行总线并行总线CAMAC(IEEE-583)、GP-IB(IEEE-488) ，串行总线串行总线RS-232C、RS-422、RS-423、RS-485、USB。机械、电器、功能都必须具有

22、兼容性。机械、电器、功能都必须具有兼容性。第第5 5章章 系统与通信系统与通信 二、二、 RS-232RS-232总线标准及应用总线标准及应用 1 1RS-232RS-232总线标准接口：总线标准接口：RS-232C是美国电子工业协是美国电子工业协会会EIA（Electronic Industry Association）制定的串行物理）制定的串行物理接口标准。接口标准。 RS-推荐标推荐标准，准，232-标识标识号，号，C-修改次修改次数。完整数。完整RS-232C接口接口25根根线。线。RS-232C常用常用9芯线，芯线，引脚功能为：引脚功能为：第第5 5章章 系统与通信系统与通信 2 2

23、RS-232RS-232的电器特性的电器特性第第5 5章章 系统与通信系统与通信 3 3电平转换芯片：电平转换芯片：RS-232C用的是负逻辑，其逻辑电用的是负逻辑，其逻辑电平与平与TTL不匹配，必须进行电平转换。常用转换接口芯片不匹配，必须进行电平转换。常用转换接口芯片MAX232。管脚说明如下：。管脚说明如下： C0+、C0-、C1+、C1-是外接电容端；是外接电容端；R1IN、R2IN是是2路路RS-232C电平信号接收输入端；电平信号接收输入端；RlOUT、R2OUT是是2路转换路转换后的后的TTL电平接收信号输出端，送电平接收信号输出端，送8051的的RXD接收端；接收端；TlIN、

24、T2IN是是2路路TTL 电平发送输入端，接电平发送输入端，接8051的的TXD； TlOUT、T2OUT是是2路转换后的路转换后的 发送发送RS-232C电平信号输出端，电平信号输出端， 接传输线；接传输线；V+经电容接电源经电容接电源 +5V；V-经电容接地。经电容接地。第第5 5章章 系统与通信系统与通信 4 4、RS-232CRS-232C与与5151接口接口 RS232C的的负逻辑：负逻辑：(1)驱动器的输出电平驱动器的输出电平 逻辑逻辑0：+5V+15V； 逻辑逻辑1：-5V -15V (2)接收器的输入检测电平接收器的输入检测电平 逻辑逻辑0：+3V ； 逻辑逻辑1：-3V 传输

25、介质传输介质一般用双绞线，距离不超过一般用双绞线，距离不超过15m，传输率小，传输率小于于20kB/s。TXDRXDRXDTXDT1INR1OUTT1OUTR2OUTR2INT2OUTR2OUTT2IN11611610610610610696967676868680318031MAX232AMAX232A第第5 5章章 系统与通信系统与通信 三、三、RS-422/485标准总线及应用标准总线及应用 RS-449RS-449与与RS-232CRS-232C的关键不同点是把单端输入改为双的关键不同点是把单端输入改为双端差分输入，信号地不再公用。端差分输入，信号地不再公用。由于由于RS-449RS-

26、449系统用平衡系统用平衡信号差电路传输高速信号，所以噪声低，又可以多点或信号差电路传输高速信号，所以噪声低，又可以多点或使用公用线通信，使用公用线通信，RS-422RS-422是是449449标准的子集。标准的子集。 1RS-422串行总线：串行总线：传输率最大为传输率最大为10Mb/s10Mb/s，在此速，在此速率下，电缆允许长度为率下，电缆允许长度为120m120m。如果采用较低传输速率，。如果采用较低传输速率，如如90kb/s90kb/s，最大距离可达，最大距离可达1200m1200m。 2RS-485串行总线：是串行总线：是RS-422A的变形，的变形，RS-422A为为全双工，全双

27、工，可同时发送和接收；可同时发送和接收；RS-485RS-485则为半双工，在某则为半双工，在某一时刻，一个发送另一个接收。一时刻，一个发送另一个接收。第第5 5章章 系统与通信系统与通信 3驱动芯片驱动芯片：485接口芯片较多，如接口芯片较多，如MAX488/ 490的管脚的管脚 及典型电路图。该电路适用于全双工通信。及典型电路图。该电路适用于全双工通信。第第5 5章章 系统与通信系统与通信 4、三种总线性能比较、三种总线性能比较 第第5 5章章 系统与通信系统与通信 四、四、USBUSB通用串行总线及应用通用串行总线及应用 1 1USBUSB特点：特点： 相同的相同的USB接口规范接口规范

28、，使通信、打印机、显示器、，使通信、打印机、显示器、存储设备等的存储设备等的接口统一接口统一了。了。 即插即用即插即用（plug-and-play），并能自动检测与配），并能自动检测与配置系统的资源。置系统的资源。 具有具有“热插拨热插拨“（hot attach &detach）特性。开机）特性。开机执行状态随时可以插入或拔离执行状态随时可以插入或拔离USB设备，不需关电源。设备，不需关电源。 USB最多可以连接最多可以连接127个接口设备。个接口设备。 USB 2.0传输速度传输速度最高达最高达480Mbps。USB1.1接口用接口用两种速度：两种速度：12Mbps（全速）和（全速）和1.5

29、Mbps（慢速）。（慢速）。第第5 5章章 系统与通信系统与通信 2 2USBUSB基本构架基本构架： USB采用四线电缆采用四线电缆：两根来传送数据的串行通道，另：两根来传送数据的串行通道，另两根为下游设备提供电源。两根为下游设备提供电源。 第第5 5章章 系统与通信系统与通信 USB系统的构架系统的构架 三个主要部分：三个主要部分：USB主机控制器主机控制器/根集线器根集线器；USB集线器集线器；USB设备设备；（集线器端口集线器端口）第第5 5章章 系统与通信系统与通信 3 3USBUSB电气特性和电源：电气特性和电源： USB接口接口4根线根线：5V的电源线；地线；信号线的电源线；地线

30、；信号线D+和和D-在在PC机的根集线器或集线器端接机的根集线器或集线器端接15k下拉电阻并接下拉电阻并接至地端，设备的至地端，设备的D+和和D-信号线的其中一根接信号线的其中一根接1.5K上上拉电阻。拉电阻。PC机每隔一段时间查询根集线器，检查机每隔一段时间查询根集线器，检查D+、D-的电位变化，以了解设备连接状态。的电位变化，以了解设备连接状态。 USB设备供电方式：设备供电方式：（1）总线供电集线器）总线供电集线器（2）自我供电集线器）自我供电集线器（3）低功耗总线供电设备）低功耗总线供电设备（4）高功率总线供电设备）高功率总线供电设备（5）自我供电设备）自我供电设备 第第5 5章章 系

31、统与通信系统与通信 4 4、USBUSB传输主机和设备传输主机和设备（1）传输基础：）传输基础： 配置通信；应用通信；管理总线上的数据配置通信；应用通信；管理总线上的数据（2）设备端点：）设备端点：在在USB规范定义了端点的概念。每个接口规范定义了端点的概念。每个接口设备都具有设备都具有“端点端点”，可以将，可以将USB设备看成是端点的集设备看成是端点的集合。而主机与端点的通信，是经过合。而主机与端点的通信，是经过“管线管线”来完成的。来完成的。（3）设备列举：）设备列举：USB设备描述符的概念。设备描述符的概念。 设备描述符设备描述符设备描述符是主机向设备请求的第一个描述符。设备描述符是主机

32、向设备请求的第一个描述符。 配置描述符配置描述符配置描述符是针对设备给予配置的信息。配置描述符是针对设备给予配置的信息。 接口描述符接口描述符接口描述符用来描述每一个设备的接口特性。接口描述符用来描述每一个设备的接口特性。 端点描述符端点描述符端点描述符用来描述端点的属性以及各个端点位端点描述符用来描述端点的属性以及各个端点位置。置。第第5 5章章 系统与通信系统与通信 设备列举的过程设备列举的过程：设备插入设备插入PC主机的根集线器或主机的根集线器或USB集线器的端口。集线器的端口。集线器不断地轮询端口的状态，一旦检测到电位改变集线器不断地轮询端口的状态，一旦检测到电位改变后，后，Hub就会

33、通知主机。就会通知主机。主机得到响应后，以预设的地址响应新接上的设备，主机得到响应后，以预设的地址响应新接上的设备，并取回设备描述符，以确认此设备是何种驱动程序。并取回设备描述符，以确认此设备是何种驱动程序。主机配置一个单独的地址给主机配置一个单独的地址给USB设备。设备。主机取回配置描述符。此时，主机可以根据可使用的主机取回配置描述符。此时，主机可以根据可使用的电源与带宽，给予设备配置的方式。电源与带宽，给予设备配置的方式。现在设备已设置好地址与配置完毕，可以准备使用。现在设备已设置好地址与配置完毕，可以准备使用。 第第5 5章章 系统与通信系统与通信 5 5传输类型传输类型 USB定义了定

34、义了4种数据传输的类型，每种对应处理不种数据传输的类型，每种对应处理不同的需要，且一个外设可支持它最适合的传输类型。同的需要，且一个外设可支持它最适合的传输类型。控制传输：控制传输：是是USB传输中最重要的传输。用来提供介传输中最重要的传输。用来提供介于主机与设备之间的配置、命令或状态的通信协议。于主机与设备之间的配置、命令或状态的通信协议。以双向传输来达到这个请求。以双向传输来达到这个请求。中断传输：中断传输：PC主机周期性的方式加以轮询，以知道是主机周期性的方式加以轮询，以知道是否有设备需要传送数据给否有设备需要传送数据给PC。轮询周期非常重要。轮询周期非常重要。批量传输：批量传输：用来传

35、输大量的数据，相对的传输速度不用来传输大量的数据，相对的传输速度不是很关键的。是很关键的。等时传输：等时传输：须维持一定的传输速度，因此相对就牺牲须维持一定的传输速度，因此相对就牺牲一些小错误的发生。它采用预先与一些小错误的发生。它采用预先与PC主机协议好的固主机协议好的固定宽带，以确保发送端与接收端的速度相互吻合。定宽带，以确保发送端与接收端的速度相互吻合。 第第5 5章章 系统与通信系统与通信 确保传输成功确保传输成功：为了确保每个传输都是成功的，：为了确保每个传输都是成功的，USB使用了交换和错误校验信号。使用了交换和错误校验信号。（1）交换：）交换：USB有状态和控制信号来帮助管理数据

36、流。有状态和控制信号来帮助管理数据流。这些信号就是交换信号。这些信号就是交换信号。（2）错误校验：所有的标记、数据和帧都包含了用于错）错误校验：所有的标记、数据和帧都包含了用于错误校验的位。该位的值是通过一个被称为循环冗余检误校验的位。该位的值是通过一个被称为循环冗余检查（查（CRC）的数学算法或过程来计算得到的。）的数学算法或过程来计算得到的。 第第5 5章章 系统与通信系统与通信 7 主机如何通信主机如何通信 让应用程序远离细节让应用程序远离细节 分层驱动：分层驱动： （1）USB驱动层驱动层 （2）设备驱动）设备驱动 （3）总线驱动）总线驱动 驱动程序的选择：驱动程序的选择： （1）Wi

37、ndows自带驱动自带驱动 （2）HID驱动驱动 （3）Pointofsale(POS)驱动驱动 （4）供应商提供的驱动）供应商提供的驱动 第第5 5章章 系统与通信系统与通信 8 8、USBUSB接口接口 USB接口芯片接口芯片PDIUSBD12的特点的特点（1）USB 接口器件集成了接口器件集成了SIE FIFO 存储器收发器及电存储器收发器及电压调整器；压调整器；（2）可与任何外部微控制器）可与任何外部微控制器/微处理实现高速并行接口，微处理实现高速并行接口，2M 字节字节/秒；秒；（3）完全自治的直接内存存取）完全自治的直接内存存取DMA 操作；操作；（4）集成）集成320 字节多结构

38、字节多结构FIFO 存储器；存储器；（5）主端点的双缓冲配置增加数据吞吐量并轻松实现实）主端点的双缓冲配置增加数据吞吐量并轻松实现实时数据传输；时数据传输；（6）在批量模式和同步模式下均可实现）在批量模式和同步模式下均可实现1M 字节字节/秒的数秒的数据传输速率；据传输速率；第第5 5章章 系统与通信系统与通信 （7）具有良好）具有良好EMI 特性的总线供电能力；特性的总线供电能力；（8）在挂起时可控制）在挂起时可控制LazyClock 输出；输出；（9）可通过软件控制与）可通过软件控制与USB 的连接；的连接；（10）采用）采用GoodLink 技术的连接指示器技术的连接指示器,在通讯时使在

39、通讯时使LED 闪烁；闪烁；（11）可编程的时钟频率输出；）可编程的时钟频率输出；（12）符合）符合ACPI OnNOW 和和USB 电源管理的要求；电源管理的要求；（13）内部上电复位和低电压复位电路；）内部上电复位和低电压复位电路；（14）高于）高于8kV 的在片静电防护电路减少了额外元件的的在片静电防护电路减少了额外元件的费用；费用；（15）双电源操作）双电源操作3.3V 或扩展的或扩展的5V 电源电源, 范围为范围为3.65.5V；（16）多中断模式实现批量和同步传输；）多中断模式实现批量和同步传输；第第5 5章章 系统与通信系统与通信 PDIUSBD12的引脚结构及功能的引脚结构及功

40、能（1）DATA07：双向数据位。：双向数据位。（2）ALE：地址锁存使能。：地址锁存使能。（3）CS-N：片选。低电平有效。：片选。低电平有效。（4）SUSPEND：器件处于挂起状态。：器件处于挂起状态。（5）CLKOUT：可编程时钟输出。：可编程时钟输出。（6）INT-N：中断。低电平有效。：中断。低电平有效。（7）RD-N：读选通。低电平有效。：读选通。低电平有效。（8）WR-N：写选通。低电平有效。：写选通。低电平有效。第第5 5章章 系统与通信系统与通信 （9）DMREQ：DMA请求。请求。（10）DMACK：DMA应答。低电平有效。应答。低电平有效。（11）EOT-N：DMA传输结

41、束。低电平有效。传输结束。低电平有效。（12）RESET-N：复位。低电平有效且不同步。：复位。低电平有效且不同步。（13）GL-N：GoodLink LED指示器。低有效。指示器。低有效。（14）XTAL1，XTAL2：晶振连接端。：晶振连接端。（15）D+，D-：USB D+和和D-数据线。数据线。（16）VOUT3.3：3.3V调整输出。要使器件工作在调整输出。要使器件工作在3.3V，对对VCC和和VOUT3.3脚都提供脚都提供3.3V。（17）A0：地址位。：地址位。A0=0，选择命令指令；，选择命令指令；A0=1，选择，选择数据。数据。 第第5 5章章 系统与通信系统与通信 接口设计

42、：接口设计：8051单片机与单片机与PDIUSBD12的接口的接口C968pFR818R+/-1%D12XTAL2R101MD12DPR410KC80.1uF/D12INTC320pF/GOODLNK+ C64.7uF16V 33MHzX2R718R+/-1%+C11.0uF16VD12XTAL1R14470RUSBDPD4D7D12DM/D12RDD2USBDMVCCC120.1uFD0J4UP_CONN12345VBUSD-D+GNDSHIELDU3P89CRD2HBA1312373839181920717164036353433323130P3.3P3.2P0.2P0.1P0.0X2X1

43、VSSP1.6P3.7P3.6VCCP0.3P0.4P0.5P0.6P0.7_EAALE+ C111.0uF16V+3V3U1PDIUSBD1212345678910111213141516171819202122232425262728DATA0DATA1DATA2DATA3GNDDATA4DATA5DATA6DATA7ALECS_NSUSPENDCLKOUTINT_NRD_NWR_NDMREQDMACK_NEOT_NRESET_NGL_NXTAL1XTAL2VCCD-D+VOUT3.3A0D3C7470pFC220pFR91M/D12WRC1022pFVCCD6D12SUSPD 6MHzX

44、1+3V3D1D12ALE/D12CSD12A0D1LED_GREEND5第第5 5章章 系统与通信系统与通信 5.4 5.4 现场总线与智能仪表现场总线与智能仪表一、产生与发展一、产生与发展 3C3C技术的发展动摇了一直占领控制领域的技术的发展动摇了一直占领控制领域的4 420mA20mA标准信号，产生用现场网络的数字通信把各种微机设备标准信号，产生用现场网络的数字通信把各种微机设备集成到一起的集成到一起的现场总线现场总线（FieldbusFieldbus）。）。 8080年代初提出概念；年代初提出概念；8484年开始制定标准；年开始制定标准；9292年年IECIEC批批准了物理层标准，几个

45、大公司制定标准；准了物理层标准，几个大公司制定标准；9494年成立年成立FFFF著名仪表、集散制造、研究企业组成，学术标准化组织，著名仪表、集散制造、研究企业组成，学术标准化组织，大大促进标准的制定；大大促进标准的制定；20012001年国际标准通过年国际标准通过（IEC61158IEC61158，8 8种技术协议）。种技术协议）。 发展特点：发展特点：兼容并蓄，多总线集成兼容并蓄，多总线集成大量其他总线；大量其他总线；向向Ethernet+TCP/IPEthernet+TCP/IP协议靠拢。协议靠拢。第第5 5章章 系统与通信系统与通信 二、现场总线定义及特点二、现场总线定义及特点 1 1、

46、现场总线本质：、现场总线本质： 定义定义-连接智能现场设备和自动化系统的数字式、连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，接口和协议标准。双向传输、多分支结构的通信网络，接口和协议标准。 本质本质-现场通信网络、现场设备互联、互操作性、现场通信网络、现场设备互联、互操作性、分散功能块、通信线供电、开放式互联网络。即过程自分散功能块、通信线供电、开放式互联网络。即过程自动化和。动化和。 现场总线控制系统现场总线控制系统FCS(Fieldbus Control System) -现场通信网络与控制系统集成，构成现场通信网络与控制系统集成，构成信号传输数字化信号传输数字化

47、、系统结构分散化系统结构分散化、现场设备互操作性现场设备互操作性、通信网络互连式通信网络互连式、技术标准全开放式技术标准全开放式的系统。代替了的系统。代替了DCS。第第5 5章章 系统与通信系统与通信 2 2、现场总线优点、现场总线优点 a.经济性经济性一对传输线把传感器一对传输线把传感器/变送器变送器/执行机构执行机构/现场现场仪表互联，仪表双向传输信号。省缆线、安维方便。仪表互联，仪表双向传输信号。省缆线、安维方便。 b.可靠性可靠性数字信号抗干扰能力强、精度高，数字信号抗干扰能力强、精度高，DCS三级三级结构改为二级结构结构改为二级结构FCS，控制功能分散至现场仪表。，控制功能分散至现场

48、仪表。 c.可控型可控型控制室查看现场情况、设定调整参数。控制室查看现场情况、设定调整参数。 d.综合性综合性仪表有智能综合功能，补偿、运算、控制。仪表有智能综合功能，补偿、运算、控制。 e.互换、互操作性互换、互操作性不同品牌、性价比高的产品互相连不同品牌、性价比高的产品互相连接、统一组态。接、统一组态。 f.开放性开放性开放互联网络、技术标准公共的、共享资源、开放互联网络、技术标准公共的、共享资源、统一调度。统一调度。 第第5 5章章 系统与通信系统与通信 三、现场总线仪表三、现场总线仪表智能仪表智能仪表 1 1、现场仪表特点、现场仪表特点 现场总线的节点是现场仪表或现场设备（传感现场总线

49、的节点是现场仪表或现场设备（传感/变变送送/执行），都是具有综合功能的智能仪表。执行），都是具有综合功能的智能仪表。 传感器传感器/变送器变送器-温度、压力、流量、物位、分析温度、压力、流量、物位、分析变送器，有检测、变换、补偿、变送器，有检测、变换、补偿、PID控制、运算、自控制、运算、自诊断等功能。诊断等功能。 执行器执行器-电动或气动执行器，有驱动、执行、输电动或气动执行器，有驱动、执行、输出特性补偿、出特性补偿、 PID控制、运算、阀门特性、状态自效控制、运算、阀门特性、状态自效验、自诊断等功能。验、自诊断等功能。 第第5 5章章 系统与通信系统与通信 2、现场仪表应用（、现场仪表应用

50、（P171）第第5 5章章 系统与通信系统与通信 四、现场总线通信技术四、现场总线通信技术 1 1、现场总线模型标准、现场总线模型标准采用国际标准化组织的开放系统采用国际标准化组织的开放系统互连模型互连模型OSIOSI的简化型，即的简化型，即1 1、2 2、7 7层，另外增加第层，另外增加第8 8层用层用户层，如图示。不仅是信号、通信标准，且系统标准。户层，如图示。不仅是信号、通信标准，且系统标准。 DCS与与FCS区别区别：减少了控制站，把功能分解到操作站：减少了控制站，把功能分解到操作站和现场仪表，不开放的内部总线成为开放的现场总线。和现场仪表，不开放的内部总线成为开放的现场总线。8721

51、第第5 5章章 系统与通信系统与通信 2 2、两个设备间通信过程、两个设备间通信过程 通过通过总线总线交换交换信息，发送设备命信息，发送设备命令或数据按应用层令或数据按应用层规定产生，信息按规定产生，信息按数据链层数据链层规定包装，规定包装，命令或数据在命令或数据在物理物理层层转变成标准电信转变成标准电信号。接收设备进行号。接收设备进行相反的开包获得命相反的开包获得命令或数据。令或数据。第第5 5章章 系统与通信系统与通信 3 3、各层的内容、各层的内容 物理层物理层-把接收到数据链路层的数据加工为标准电信把接收到数据链路层的数据加工为标准电信号进行传输，或反方向处理。标准号是号进行传输，或反

52、方向处理。标准号是IEC1158-2，多，多家公司生产低速总线（家公司生产低速总线（H1）专用芯片。）专用芯片。 数据贞格式数据贞格式物理层数据格式。物理层数据格式。 编码方式编码方式-曼彻斯特双曼彻斯特双L0编码方式。编码方式。 总线安装规定总线安装规定线长度、挂接设备数、终端信号幅线长度、挂接设备数、终端信号幅值、屏蔽与接地等。值、屏蔽与接地等。 总线拓扑结构总线拓扑结构-低速低速H1支持点对点连接、总线、菊支持点对点连接、总线、菊花链、树型；花链、树型；H2支持总线型。支持总线型。第第5 5章章 系统与通信系统与通信 数据链层数据链层 保证数据的完整性、决定何时与谁通信。数据链保证数据的

53、完整性、决定何时与谁通信。数据链路层实现通信中链路活动调度、数据接收发送、活动路层实现通信中链路活动调度、数据接收发送、活动状态的探测、响应、链路上设备时间的同步。状态的探测、响应、链路上设备时间的同步。应用层应用层 定义现场总线的命令、响应、数据、事件的信息。定义现场总线的命令、响应、数据、事件的信息。用户层用户层 规定标准的功能模块供用户组态，各厂商对功能模规定标准的功能模块供用户组态，各厂商对功能模块的特性描述、参数设定、相互连接的方法公开统一。块的特性描述、参数设定、相互连接的方法公开统一。第第5 5章章 系统与通信系统与通信 5.5 TCP/IP5.5 TCP/IP协议与智能仪表上网

54、协议与智能仪表上网一、一、TCP/IPTCP/IP协议与以太网协议与以太网 TCP/IP协议：协议：最流行的网络互连协议，协议分为最流行的网络互连协议，协议分为5层，层， TCP（Transmission Control Protocol）-传输控传输控制协议，制协议，IP（ Internet Protocol）-互联网协议。互联网协议。 以太网（以太网（Ethernet）:应用最广泛的局域网，符合应用最广泛的局域网，符合IEEE802.3标准，传输速度从标准，传输速度从10M到到1000M，采用总线，采用总线型拓扑结构，高效数据传输。型拓扑结构，高效数据传输。 Internet网的迅速发展，网的迅速发展， TCP/IP协议底层又捆绑以协议底层又捆绑以太网，使得以太网广泛流行，市场作用使工业使用以太网，使得以太网广泛流行，市场作用使工业使用以太网就意味着兼容、统一、开放。太网就意味着兼容、统一、开放。第第5 5章章 系统与通信系统与通信 二、协议与标准二、协议与标准 数据链路层的子层数据链路层的子层-介质访问控制介质访