《智能仪器设计 》课件-5通信接口

测控技术与仪器专业必修课*智能仪器设计授课人：宋凯单位：电气学院112智能仪器基本组成结构（课设视频25*）内容回顾模拟量与控制信号输出3作业？简述如何利用一个8位DAC输出一个幅度为±5V，频率为1KHz正弦波?内容回顾4智能仪器基本组成结构通信协议接口总线通信接口技术第6章智能仪器通信接口技术6.1数据通信基础6.2串行通信接口6.3并行通信接口6.4通用串行总线USB6.5其他通信接口通信接口技术26主要知识点汇总1、模拟信道和数字信道带宽2、信道容量、比特率与波特率3、误码率与编码效率4、差错控制技术（1）处理差错的基本策略（2）常用检错码概念、计算

（奇偶校验、CRC校验）六、通信接口技术7主要知识点汇总5、模拟调制和数字调制6、时分多路复用和频分多路复用7、数据传输方式（1）不同传输方式（总线）的特点（2）RS232、485、422的特点、性能比较8、无线通讯方式（ZigBee、Wi-Fi、蓝牙、NFC、红外、UHF、GPRS性能比较）数据通信有哪些指标*？有效性有效性指信息传输的速度模拟通信系统的有效性可用有效传输频带表示数字通信系统的有效性可用信息速率(数据传输速率)和码元速率表示可靠性可靠性指传输信息的质量模拟通信系统的可靠性可用信噪比表示数字通信系统的有效性可用错误率(误码率)表示通信接口技术56.1数据通信基础6.1.1数据通信的基本知识

一、通信的三要素：信源：信息的发送者（人、机器等）信宿：信息的接收者（人、机器等）信道：传递信息的媒体（载体）信源发送设备信道接收设备信宿噪声源通信接口技术610通信接口技术发送设备：将信息源产生的信息信号经过编码，转换为便于传送的信号形式，送往传输介质接收设备：从带有干扰的信号中进行解调、译码，正确恢复出原始信息；对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正确分路信源发送设备信道接收设备信宿噪声源根据传输媒体的类型不同有线信道：双绞线、基带同轴电缆、宽带同轴电缆、光缆无线信道：微波通信、激光通信根据传输方式的不同模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道二、信道通信接口技术8模拟信号和数字信号模拟信号：时间上连续，幅值随时间连续变化的物理量数字信号：时间和幅值都是不连续的，即量化后的离散时间信号tta)模拟信号b)数字信号通信接口技术9与信道相关的几个概念信道带宽：信道可以不失真地传输信号的频率范围模拟信道：系统传递函数3dB带宽*，按照公式W=f2-f1计算数字信道：带宽为信道能够达到的最大数据速率，例如以太网的带宽为10Mb/s或100Mb/s通信接口技术10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（位速率，比特率）：信息位传输速率，即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

M为进制数信道容量和信道带宽成正比：带宽大－>容量大差错率/误码率：由于噪声的影响和信道带宽的限制，信号传输出错比特与总比特的比值误码率与信号传输速率或传输距离成正比与信道相关的几个概念通信接口技术11三、调制/解调技术调制——利用携带有信息的信号（调制信号）去改变高频振荡信号（载波）参数的波形变换过程；经过调制的信号称为已调信号解调——从携带信息的已调信号中恢复调制信号的过程调制/解调器——具有调制解调功能的设备调制方法——用正弦高频信号作载波

模拟调制

数字调制通信接口技术1216通信接口技术模拟调制技术模拟信号三要素：幅度，频率，相位对应调制方法：调幅，调频，调相调制过程：用调制信号去改变载波的某一个或几个参数载波S(t)=Acos(ωt+φ)S(t)的参量包括：幅度A、频率ω、相位φ振幅调制：容易实现，技术简单，但抗干扰能力较差频率调制：简单，易实现，抗干扰能力较强，是目前最常用的方法相位调制：抗干扰能力强，但实现技术较复杂17通信接口技术模拟调制技术18通信接口技术数字调制技术1.幅移键控调制(Amplitude-ShiftKeying,ASK）改变载波信号的振幅来表示二进制0和1，频率和相位保持不变2.频移键控调制（Frequency-ShiftKeying,FSK）改变载波信号的频率来表示二进制0和1，振幅和相位保持不变3.相移键控调制（PhaseShift-Keying,PSK）改变载波信号的相位来表示二进制0和1，振幅和频率保持不变4.正交振幅调制（QuadratureAmplitudeModulation,QAM）用两个调制信号对频率相同、相位正交的两个载波进行调幅，然后将已调信号加在一起进行传输00110100010ASKFSKPSK数字调制技术通信接口技术

自学：二进制频移键控（2FSK）和正交相移键控（QPSK）1620通信接口技术数字调制解调实例——无线能量和信息同步传输

应用于穿戴式传感器120四、多路复用技术将多个信号组合在一条物理信道上传输通信接口技术时分多路复用（TDM）频分多路复用（FDM）波分多路复用（WDM）码分多路复用（CDM）18频分多路复用技术时分多路复用技术通信接口技术TDM：将传输时间划分为多个时间片，每个时间片传输一路信号，使不同的信号在不同的时间内传送FDM：传输介质的带宽划分为若干个不重叠、相互隔离的窄频带，每一路信号占用一个窄频带1923典型应用WDM：传输光信号，按光的波长区分信号，光的频分复用，应用于光纤信道，光接收机CDM：靠不同的编码来区分各路原始信号，应用于无线通信系统、手机CDMAFDM：无线电广播系统、有线电视系统(CATV)、宽带局域网、模拟载波系统、ADSL（非对称数字用户线）TDM：语音电话、交换机通信接口技术6.1.2差错控制技术一、传输差错的特性通信接口技术二、差错控制的目的

保证信息传输的正确性传输过程中的噪声导致差错不可避免

缺乏差错处理能力的系统是不可用的系统21通信接口技术检错码：把如何发现传输中的错误，叫“检错”纠错码：发现错误后，如何消除错误，叫“纠错”三、处理差错的两种基本策略奇/偶校验码方块校验码正反码校验循环冗余校验码检错码纠错码海明码22通信接口技术检错码的定义

检错码=信息字段+校验字段信息字段在前，校验字段在后校验字段越长，编码的检错能力越强，编/解

码设备越复杂，附加的冗余信息在整个编码中

所占的比例越大，传输的有效成分越少231、奇偶校验方法通信接口技术奇偶校验码是一种通过增加冗余位使得码字中“1”的个数恒为奇数或偶数的编码方法。奇校验：所有传送的数位（含字符的各位和校验位）中，“1”的个数为奇数如8位数据：0110101中1的个数为偶数，加一个1校验位变为奇数偶校验：所有传送的位（含字符的各位和校验位）的“1”的个数为偶数如8位数据：0110101中1的个数为偶数，加一个0校验位仍为偶数思考：奇偶校验编码效率？信息分组P行Q列编码效率为Q/Q+1242、方块校验通信接口技术行冗余位+列冗余位253、正反码校验特征：校验字段与信息字段占相同位数信息字段中‘1’的个数为奇数时，校验字段取值等同于信息字段信息字段中‘1’的个数为偶数时，校验字段取值等同于信息字段的反码例：01011（奇）=>0101101011 10010（偶）=>1001001101常用于较短信息的传输通信接口技术264、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，余数为校验码通信接口技术230思考：求1011010的CRC编码，设除数为10011

通信接口技术实际发送比特串：10110101111

101101000001001110011001011010101011001100101001001100111001001111112832四、差错控制实现方式方法1：反馈重传法

发送方发送具有检测错误能力的代码（检错码）接收方根据代码的编码规则验证接受到的数据代码，并将结果反馈给发送方（正确接收/接收有错）发送方根据反馈结果决定是否执行重传动作，如果接收方未正确接收，则重传

规定时间内，未能收到反馈结果（称为超时）则执行重传动作通信接口技术33方法2：

停-等协议

发送一块数据块后，就停止发送工作，开始记时，等待接收方的反馈结果。仅当收到正确接收确认之后、才继续发送后继数据块如果接到否定确认或记时器超时，重新传输本数据块特点：半双工方式，控制简单，易于实现，但工作效率低通信接口技术34方法3：滑动窗口协议发送方一次连续发送多块数据（称为窗口寸）接收方对每块数据进行差错分析，如果发现错误，立即反馈发送方接收方可对接收到的多个正确的数据快进行一次性确认发送方根据反馈的结果，重发指定的数据块，或重发指定数据块及其之后的所有数据块特点：全双工方式，效率高，控制复杂通信接口技术思考：串口是同步还是异步？6.1.3数据传输方式根据代码的传输顺序可分为串行传输并行传输根据数据信号传输时的同步方式可分为同步传输异步传输数据传输方式：数据代码的传输顺序和数据信号传输的同步方式通信接口技术典型应用实例：计算机的串口与并口32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36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测控技术与仪器专业必修课*智能仪器设计授课人：宋凯单位：电气学院391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40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242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948RS-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49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50台达DOP-B10触摸屏通信接口技术51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1554

(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55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。56三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3474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75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4284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4486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,NearFieldCommunic