智能仪器设计-6（通信接口2）

测控技术与仪器专业必修课*智能仪器设计11信道容量（波特率）

信道在单位时间内可传输的码元数数据传输速率（比特率）

位传输速率，每秒钟传送的二进制数位比特率与波特率的换算关系bit(bps比特率)＝Baud(Bps波特率)×log2M误码率编码效率与信道相关的几个概念内容回顾2差错控制技术奇/偶校验码方块校验码正反码校验循环冗余校验码检错码4内容回顾常用检错码概念、计算奇偶校验、CRC校验4、循环校验码最常用的差错校验码CRC生成的基本原理(1)任意一个由二进制位串组成的代码都可以和一个系数仅

为‘0’和‘1’取值的多项式P一一对应。例：1011001对应P=X6+X4+X3+1(2)选定生成多项式G，例：G=X4+X3+1（11001），则校

验位R=4(3)将信息码左移R位，相当于对应的信息多项式P(X)*2R；(4)用生成多项式对应的二进制数对左移R位后的原始报文进

行模2除（高位对齐），相当于按位异或，余数为校验码内容回顾24测量仪器中的常用通信接口通信接口技术思考？常用仪器通信接口都有哪些*？同轴电缆RS232/485USBCANLANGPIBLXI/PXI/VXI

WiFi/ZigBee/

蓝牙/红外适用范围？5(1)单工方式：仅允许数据单方向传送；(2)半双工方式：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。6.2串行总线数据通讯通信接口技术66.2.1RS-232总线标准及应用引脚号信号名称方

向信

号

功

能1DCDPC机←仪器PC机收到远程信号（载波检测）2RXDPC机←仪器PC机接收数据3TXDPC机→仪器PC机发送数据4DTRPC机→仪器PC机准备就绪5GND信号地6DSRPC机←仪器仪器准备就绪7RTSPC机→仪器PC机请求发送数据8CTSPC机←仪器仪器已切换到接收状态（清除发送）9RIPC机←仪器通知PC机，线路正常（振铃指示）通信接口技术7电平转换芯片介绍

RS-232：使用负逻辑(1)驱动器的输出电平逻辑0：+5V～+15V；逻辑1：-5V～-15V(2)接收器的输入检测电平逻辑0：＞+3V；逻辑1：＜-3VTXDRXDRXDTXDT1INR1OUTT1OUTR1INR2INT2OUTR2OUTT2IN80318031MAX232AMAX232A通信接口技术TTL电平

232电平8带RS—232C接口的通信设备连接全双工标准系统连接RS—232C接口总线的常用信号线全双工最简系统连接通信接口技术910RS-232C使用很广泛，但它存在着一些不足，主要有：（1）数据传输速率低，一般低于200kb/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电路，共模抑制性能较差，抗干扰能力弱。通信接口技术11直升机基准桨叶挥舞参数测量系统及标定装置（软件*）通信接口技术12台达DOP-B10触摸屏通信接口技术13传感器状态自确认测试装置通信接口技术RS-422A的传输率最大为10Mb/s，在此速率下，电缆允许长度为120m。如果采用较低传输速率，如90kb/s，最大距离可达1200m；RS-485是RS-422A的变形。RS-422A为全双工，可同时发送和接收；RS-485为半双工，在某一时刻，一个发送另一个接收；RS-485的节点数依接收器输入阻抗而定，标准接口的输入阻抗为≥12kΩ，相应的驱动节点数最大为32个，各节点地址号不同，可通过增加输入阻抗增大节点数。6.2.2RS-422/485总线标准及应用通信接口技术14

接口性能RS-232CRS-422ARS-485操作方式单端差分方式差分方式最大距离/m15(24kb/s)1200(100kb/s)1200(100kb/s)最大速率200kb/s10Mb/s10Mb/s最大驱动器数目1132最大接收器数目11032接收灵敏度±3V±200mV±200mV驱动器输出阻抗300Ω60kΩ120kΩ接收器负载阻抗3～7kΩ>4kΩ>12kΩ负载阻抗3～7kΩ100Ω60Ω对共用点电压范围/V±25-0.25～+6-7～12通信接口技术1516

(c)RS-485输出特点：RS-485电平，差分双绞信号线传输，最远距离1200m，半双工通信，最大传输速率10Mb/s，最多并联32台设备。通信接口技术17通信接口技术在差分平衡系统中，一般选择双绞线作为信号传输线。双绞线价格低廉,使用方便,两条线基本对称,外界干扰噪声主要以共模方式出现,对接收器的差动输入影响不大。信号在传输线上传送时，如果遇到阻抗不连续的情况,会出现反射现象。传送的数字信号包含丰富的谐波分量，如果传输线阻抗不匹配,高次谐波可能通过传输线向外辐射形成电磁干扰（EMT）。

双绞线的特性阻抗一般在110～130Ω之间,通常在传输线末端接一个120Ω的电阻进行阻抗匹配。18三相互感式电能质量检测仪（说明书和照片**）通信接口技术6.3并行数据通信6.3.1Centronics标准并行接口通信接口技术36芯插头座176.3.2GPIB(IEEE—488)总线通信接口技术24线连接器的引脚信号（1）可以用一条总线互相连接若干台装置，组成一个自动测试系统；（2）系统中装置的数目最多不超过15台，互连总线的长度不超过20m。（2）数据传输采用并行比特（位）、串行字节（位组）双向异步传输方式，其最大传输速率1Mb/s。18USB特点：统一了各种接口设备的连接头；即插即用plug-and-play；最多可连接127个设备；采用两种不同的速度：12Mbps(全速)和1.5Mbps(慢速)，USB2.0的传输速度最高可达到480Mbit/s，而USB3.0可达到4.8Gbps。6.4USB通用串行总线及应用通信接口技术20USB发展历程USB版本速率称号最大传输速率发布年份速度实测USB1.0Low-Bandwidth1.5Mbps1996.1USB1.1Full-Bandwidth12Mbps1998.9USB2.0High-Speed

480Mbps2000.460MB/S20-30MUSB3.0SuperSpeed4.8Gbps2008.8625MB/S300-400M通信接口技术21VBUSD—GNDD+VBUSD+D—GND6.4.1USB基本特性USB2.0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。通信接口技术22USB信号状态和串行编码主机或hub接口D+D-高速设备D+D-15K15K1.5K主机或hub接口D+D-低速设备D+D-15K15K1.5K3.3V3.3V通信接口技术23USB系统分为USB主机（HOSTUSB）、USB设备（SLAVEUSB）和USB集线器（USBHUB）三部分。USB系统拓扑结构图通信接口技术24USB设备USB设备有集线器和功能部件两类。USB集线器示意图通信接口技术25USB数据包格式USB数据传输类型控制传输批量传输中断传输等时传输通信接口技术26传输类型控制批量中断等时一般用途配置打印机、扫描仪鼠标、键盘音频必须是否否否用于低速设备是否是否数据流方向双向单向单向单向这类传输所须的保留带宽（最大值百分比）10无错误校正是是是否保证传输速率否否否是USB的4种传输类型的特征和用法通信接口技术27在USB线路上传输的最小数据块是包。一个包由同步信号（SYNC），包ID（PID），有时还有一些数据和一些CRC校验字节组成。USB总线上的每一次交换一般需要3个包：标志包，数据包，应答包。基于bit的包同步串行传输OUTADDRENDPCRC5TokenPacketDATA1PayloadDataCRC16DataPacketACKOUTADDRENDPCRC5TokenPacketDATA0PayloadDataCRC16DataPacketACKH/SPktH/SPktPIDSYNCADDRENDPCRC8位8位7位4位5位标志（令牌）包格式通信接口技术28USB通信数据流通信接口技术29容错功能在可靠性传输方面：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：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。通信接口技术30USB接口器件及应用USB专用接口芯片PDIUSBD12的主要特点：可与微处理实现高速并行接口，2M字节/秒。完全自治的直接内存存取DMA操作。集成320字节多结构FIFO存储器。在挂起时可控制LazyClock输出。可通过软件控制与USB的连接。采用GoodLink技术的连接指示器,在通讯时使LED闪烁。可编程的时钟频率输出。符合ACPIOnNOW和USB电源管理的要求。内部上电复位和低电压复位电路。高于8kV的在片静电防护电路减少了额外元件的费用。多中断模式实现批量和同步传输。通信接口技术31PDIUSBD12的引脚功能（1）DATA0~7：双向数据位。（2）ALE：地址锁存使能。下降沿关闭地址信息锁存。（3）CS-N：片选。低电平有效。（4）SUSPEND：器件处于挂起状态。（5）CLKOUT：可编程时钟输出。（6）INT-N：中断。低电平有效。（7）RD-N：读选通。低电平有效。（8）WR-N：写选通。低电平有效。（9）DMREQ：DMA请求。（10）DMACK：DMA应答。低电平有效。通信接口技术32（11）EOT-N：DMA传输结束。低电平有效。EOT-ND仅当DMACK-N和RD-N或WR-N一起激活时才有效。（12）RESET-N：复位。低电平有效且不同步。片内上电复位电路，该管脚可固定接VCC。（13）GL-N：GoodLinkLED指示器。低有效。（14）XTAL1，XTAL2：晶振连接端。如果采用外部时钟信号取代晶振，可连接XTAL1，XTAL2应当悬空。（15）D+，D-：USBD+和D-数据线。（16）VOUT3.3：3.3V调整输出。要使器件工作在3.3V，对VCC和VOUT3.3脚都提供3.3V。（17）A0：地址位。A0=0，选择命令指令；A0=1，选择数据。该位在多路地址/数据总线配置时可忽略，应将其接高电平。通信接口技术33PDIUSBD12与微控制器的接口通信接口技术3436基于物联网的城市大气污染气体测量装置远程中央监控平台便携式气体检测仪通信接口技术37通信接口技术雷电接口Type-C接口提供双向10Gbps传输带宽还可提供12W的供电最新的雷电3达到了100W的供电和40Gbps传输宽带6.5.1以太网接口技术通信接口技术6.5其他通信接口技术3637LXI（局域网技术在仪器领域的扩展)LXI以LAN为基础，作为以太网技术在测试自动化领域的应用扩展中，逐渐新一代测量仪器接口标准通信接口技术38通信接口技术386.5.2现场总线技术CAN总线通信接口技术3940CAN总线的优势及应用数据传输速度高：1Mbit/s；传输距离较远，最远可达10km，每帧数据都有CRC校验及其他检错措施，适于在高干扰环境下使用；具有优先权和仲裁功能，多个控制模块通过CAN控制器挂到CAN-Bus上，形成多主机局部网络；采用非破坏性仲裁技术，有效避免了总线冲突；发送的信息遭到破坏后可自动重发；节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线功能，使总线上其他操作不受影响；可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文。通信接口技术41常见的CAN总线器件通信接口技术4246通信接口技术实例——动态无线供电技术*用于电动汽车、有轨电车无线供电通信接口技术通信接口技术宇通车CAN总线通讯协议J1939的CAN2.0B总线通讯波特率：250kb/sCAN网络报文结构图4448配电监控功能展示界面输出参数显示及调控展示界面(TCPIP*)系统监控与室外100米展示系统通信接口技术电动汽车动态无线充电系统1553B总线通信接口技术46MIL-STD-1553全称为“飞机内部时分制指令/响应式多路传输数据总线”，是美国在上世纪七十年代推行的一种串行多路数据总线标准，简称为1553B，标准频率为1MHz，半双工。总线包括三部分：1）总线控制器(BC)：对总线上的信息传输进行管理和控制；2）远程终端(RT)：对BC指令响应，并执行响应的消息传输；3）总线监视器(BM)：主要用于监测总线状态。1553B总线通信接口技术461553B总线的硬件结构是一个包含总线A和总线B在内的双冗余的结构。1553B总线电缆均使用屏蔽双绞线，主线与各子线设备之间可采用变压器耦合或直接耦合的方式。总线上最多可接32个总线设备，其上有且只有一个总线控制器BC。DDC公司BU-615801553B芯片1553B总线通信接口技术46通信协议：1553B以消息为单位传输数据。消息由三种类型的字组成，分为命令字、数据字和状态字。每个字为20位，采用曼彻斯特II型码编码方式，由3位同步头、16位数据有效位和1位奇偶校验位。如图所示。通信接口技术46现有测试系统结构框图通信接口技术46无线通讯装置测试系统6.5.3无线通信接口技术蓝牙技术（Bluetooth）

Wi-Fi(WirelessFidelity)红外线技术（IrDA）Zigbee技术近场通信技术(NFC,NearFieldCommunication,近距离传输)超宽带技术（UWB,Ultrawideband）4GNB-IOTLoRa通信接口技术46几种无线网络比较通信接口技术

Zigbee

Wi-Fi蓝牙

NFC红外

UWB超宽带UHFGPRS最大传输速度

10~250Kbps

54Mbps

1Mbps

424Kbps16Mbps

480Mbps128kbps115kbps

最大通信距离10m~75m

100m

10m

20cm定向1m

10m室外1km信号覆盖

频段

2.4GHz

2.4GHz

2.4GHz

13.56MHz红外光高频脉冲GHz240~930MHzGSM900/1800/1900MHz功耗较低高较高极低低低较低较高

芯片组价格4美元25美元

5美元4美元1美元

20美元4美元10美元安全性

中等

低

高

极高低

高低高474G通信接口技术47EC20MiniPCIeUSR-LTE-7S4站台端防设备总体方案框图LoRa