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文档简介
本章主要内容一、概述二、多单片机系统的结构与通信三、智能仪表的对外通信与标准总线四、现场总线与智能仪表五、TCP/IP协议与智能仪表上网一、概述
微电子技术、计算机技术和通信技术的发展→逐步形成了多微机测量、控制系统→深入到计算机网络。在智能仪表方面则形成了多微处理器(多单片机)结构的设计方法→现场总线、PXI和VXI总线方向的发展分支。多微机测量、控制系统:一般指由多个微机按分级结构组成的系统。(又称为集散系统)核心:下级仪表、控制站、操作站、数据库计算机网络:计算机技术与通信技术相结合的产物。特点:各自独立、资源共享现场总线(Fieldbus):现场通信网络与控制系统的集成。节点:智能现场仪表或设备一、概述
共同特点在多微处理器连接构成的智能仪表中,各微处理器有:统一的目标各自的分工任务各自的应用程序和时钟、复位电路独立的存储器和I/O接口不一定都有外部设备多微处理器系统必须具备的技术--通信一、概述
多微处理器系统与单CPU系统比较,具有:优越性一、概述
较高的工作速度便于设计和修理较高的可靠性性能价格比高二、多单片机系统的结构与通信
多单片机系统指单板(或多板)情况下,多单片机互连通信,交换数据,分工协作完成总体任务的系统。多单片机互连形式多种多样,通信协议不对外开放,通信形式与互连形式又是密切关联的。单片机串行口直接连接式图5.1两单片机串口直连通信1.几种常见的互连形式TTL电平单极性不归零编码
二、多单片机系统的结构与通信
SPI总线连接与通信式图5.2两单片机以SPI总线连接通信显然,在这种一对一的通信中,一个单片机将扮演主机的角色,一个单片机则扮演外设的角色。二、多单片机系统的结构与通信
1.几种常见的互连形式多端口存储器连接式图5.3多端口存储器连接式多端口存储器周期方式访问不同于共享总线式系统中的共享存储器(公共存储器)二、多单片机系统的结构与通信
1.几种常见的互连形式共享总线式
图5.5共享总线结构多单片机系统并行式结构,各单片机在定义之前是完全平等的关系,没有固定的主从关系。单共享总线式和多共享总线式集中式和分散式访问控制
二、多单片机系统的结构与通信
1.几种常见的互连形式并口连接式
图5.7多单片机并口连接通信例二、多单片机系统的结构与通信
1.几种常见的互连形式2.多单片机系统的通信
1.多端口存储器结构的多单片机系统只能依靠多端口存储器进行通信联系,各单片机可同时访问,一般不能同时读或写同一单元,冲突由多端口存储器逻辑电路解决。2.共享总线的多单片机系统必须利用公共总线管理总线使用权的主要方法为:
(1)同步式(2)异步式(3)自控式
应解决的问题有:
(1)提供通信线路(2)解决竞争
(3)排队等候二、多单片机系统的结构与通信
3.在有公共存储器CRAM的多单片机系统中,开辟一部分公共内存区域作为各单片机之间进行信息交换的集散处(中转区),用于存放各单片机向其它单片机发送的信息,供其它单片机查收,就可以实现各单片机之间的通信。图5.8共享存储器的信箱结构二、多单片机系统的结构与通信
2.多单片机系统的通信
三、智能仪表的对外通信与标准总线
智能仪表与控制站、操作站之间要进行通信,与一些外部设备之间也要进行通信,必须使用标准接口总线,并尽可能开放通信协议。
不同于多单片机系统多单片机系统的通信协议不对外开发1.数据通信概念单工、半双工、全双工传输方式基带传输和宽带传输异步与同步传输传输速度信道容量调制与解调(频率多路和时间多路)
基本概念:数据通信三层:信号层、知识层、物理层
三、智能仪表的对外通信与标准总线
2.接口总线概述
总线分为并行总线和串行总线两种形式,统称为外总线。接口总线是接口和总线的总称,也常常简称为总线。
应用比较广泛的接口总线标准有:并行接口总线:CAMAC(IEEE-583)、GP-IB(IEEE-488)串行接口总线:RS-232C、RS-422、RS-423、RS-485、USB
按作用归纳为以下几点:数据线和地址线控制、联络、时序和中断信号线电源线和地线备用线
三、智能仪表的对外通信与标准总线
3.RS-232C串行接口总线标准
接插件
EIA规定RS-232C采用一种DB-25型的25芯插头插座作为接插件,如图5.10所示。在25个管脚中,20个连接完整的RS-232C信号线,保留3个管脚备用,还有两个未定义。最常用的只有9个引脚。当只用9个引脚时,可用DB-9型接插件。最简单的全双工串行通信往往只用三条导线:一条发送、一条接收、一条信号地。对应的接插件可以用三线插头座。
三、智能仪表的对外通信与标准总线
接插件图5.10RS-232C引脚分配图3.RS-232C串行接口总线标准
三、智能仪表的对外通信与标准总线
DB-25实物电平转换
微处理器及其它很多设备都通用TTL电平,RS-232C的电平信号不能直接与TTL电平的信号连接,因此要进行电平转换(使用专用转换芯片)。
RS-232C引脚2和3使用负逻辑,即+5~+15V之间的正电压表示逻辑“0”
而-5~-15V之间的负电压表示逻辑“1”
三、智能仪表的对外通信与标准总线
3.RS-232C串行接口总线标准
图5.12电平转换芯片MAX232原理图电平转换
三、智能仪表的对外通信与标准总线
3.RS-232C串行接口总线标准
MAX232实物串/并转换接口
除了电平转换以外,接口电路的主要任务是完成发送前从并行到串行的转换,接收后从串行到并行的转换,并产生中断。
目前流行的单片机(如MCS-51、8096系列单片机)已在内部集成了串行功能的接口,可以完成串/并转换和中断控制,并有多种工作方式,只需在外部配电平转换驱动接口电路即可。
三、智能仪表的对外通信与标准总线
3.RS-232C串行接口总线标准
表5.2RS-232C总线性能概要归纳:
三、智能仪表的对外通信与标准总线
3.RS-232C串行接口总线标准
图5.13RS-232C、RS-422、RS-423的驱动连接方式比较RS-232C传送单端电压信号,传输距离短。
RS-422和RS-423总线采用差分输入,有较强的抗噪声干扰能力,使得有较长的传输距离。
RS-422和RS-423的差别在于平衡式差分传输和不平衡式差分传输。
RS-423差分接收而单端发送,发送与RS-232C兼容。
三、智能仪表的对外通信与标准总线
4.RS-422、RS-423、RS-485接口总线标准
表5.3RS-422、RS-423电气特性4.RS-422、RS-423、RS-485接口总线标准
三、智能仪表的对外通信与标准总线
为了减少通信信号线,又产生了目前广泛应用的RS-485接口总线标准。它实际上是RS-422的变型。
RS-485可以高速远距离传输,抗干扰能力强,又便于多点互联,是目前应用十分广泛的一种只能仪表外总线标准。
三、智能仪表的对外通信与标准总线
4.RS-422、RS-423、RS-485接口总线标准
5.USB接口总线
USB总线具有以下特点:
易用性广泛性灵活性容错性“即插即用”
性价比高USB(UniversalSerialBus)即通用串行总线。
三、智能仪表的对外通信与标准总线
USB标志
图5.15USB总线拓扑结构图USB主机USB设备USB连接USB系统分为三部分5.USB接口总线
三、智能仪表的对外通信与标准总线
USB系统通过一种四线的电缆传送信号和电源。分两种数据传输模式:
12Mbps高速信号模式
1.5Mbps低速信号模式图5.16USB电缆及信号VBUS,GND两条线用来向USB设备提供电源,VBUS的电压为+5V,D+、D-为差分信号线。5.USB接口总线
三、智能仪表的对外通信与标准总线
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。
每次传送开始,主机控制器将发送一个描述传输的操作种类、方向、USB设备地址和端口号的USB数据包,被称为标记包。标记包(PID,PacketIdentifier)
传输开始时,由标记包来设置数据的传输方向,然后发送端发送数据包,接收端则发送一个对应的握手数据包以表明是否传送成功。5.USB接口总线
协议介绍:
三、智能仪表的对外通信与标准总线
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。
消息数据采用USB所定义的数据结构、信道与数据带宽。5.USB接口总线
数据流:
三、智能仪表的对外通信与标准总线
四种基本的数据传送类型:控制传送批传送中断传送同步传送USB的带宽可容纳多种不同数据流,因此可连接大量设备,可容纳从1B+D(64kbps+16kbps)到T1(1.5Mbps)速率的通信设备,而且USB支持在同一时刻的不同设备具有不同的传输速率,并可动态变化。应用层USB逻辑设备层USB总线接口层
数据流分为四层:5.USB接口总线
数据流:
三、智能仪表的对外通信与标准总线
多种数据传输机制,如使用差分驱动、接收,以提高抗干扰能力;
使用循环冗余码,以保证信息的完整性;
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。
5.USB接口总线
容错性:
三、智能仪表的对外通信与标准总线
USB设备有两类集线器集线器内部包括集线控制器和集线再生器两部分构成。功能部件功能部件是通过总线进行发送、接收数据或控制信息的USB设备,由一根电缆连在集线器某个端口上。当设备连接并编号后,有唯一的USB地址。图5.17USB集线器示意图5.USB接口总线
设备:
三、智能仪表的对外通信与标准总线
USB集线器实物单片机加USB接口芯片选用具有USB接口的单片机设计智能仪表USB接口硬件一般可采用两种方法:
在智能仪表中添加USB接口可以增强智能仪表的通信能力,尤其提高了仪表与PC机通信(向PC机传送数据)的速度。
设计智能仪表USB接口软件是整个工作的重点,它包括编制仪表单片机的软件和PC机的软件。
5.USB接口总线
应用于智能仪表:
三、智能仪表的对外通信与标准总线
6.IEEE-488并行接口总线标准表5.5IEEE-488总线性能表
三、智能仪表的对外通信与标准总线
系统的组成(1)听者(收听器)(2)讲者(发话器)(3)控者(控制器)
信号线分类与定义(1)数据输入/输出线(2)控制线(3)握手线
三、智能仪表的对
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