第5章 智能儀器通信接口技術(shù)last

第5章智能儀器的通信接口技術(shù)5.1.1異步通信和同步通信串行通信按同步方式可分為異步通信和同步通信兩種基本通信方式。

2.異步通信(AsynchronousCommunication)

在異步通信中，數(shù)據(jù)通常是以字符或字節(jié)為單位組成數(shù)據(jù)幀進(jìn)行傳送的。收、發(fā)端各有一套彼此獨(dú)立，互不同步的通信機(jī)構(gòu)，由于收發(fā)數(shù)據(jù)的幀格式相同，因此可以相互識(shí)別接收到的數(shù)據(jù)信息。

異步通信協(xié)議規(guī)定每個(gè)數(shù)據(jù)以相同的位串形式傳送，每個(gè)串行數(shù)據(jù)由起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位和停止位組成。異步通信信息幀格式如圖7-2所示它用一個(gè)起始位表示字符開始，用停止位表示字符結(jié)束構(gòu)成一幀。圖中起始位占用一位，8位數(shù)據(jù)位，1位奇偶校驗(yàn)位，加上這一使字符串為“1”的位為奇數(shù)（或偶數(shù)），停止位可以是1位，1位半或2位。傳送時(shí)數(shù)據(jù)的低位在前，高位在后。另外字符之間允許有不定長(zhǎng)度的空閑位（空閑位為高電平）。D0D1D2D3D4

D5

D6

D7

0/11111D70/1100D0D1第n字符幀空閑位停止位奇偶校驗(yàn)停止位8位數(shù)據(jù)8位數(shù)據(jù)起始位起始位奇偶校驗(yàn)第n-1字符幀第n+1字符幀圖7-2異步通信幀格式8位數(shù)據(jù)

(1)起始位：在沒有數(shù)據(jù)傳送時(shí)，通信線上處于邏輯“1”狀態(tài)。當(dāng)發(fā)送端要發(fā)送1個(gè)字符數(shù)據(jù)時(shí)，首先發(fā)送1個(gè)邏輯“0”信號(hào)，這個(gè)低電平便是幀格式的起始位。其作用是向接收端表示發(fā)送端開始發(fā)送一幀數(shù)據(jù)。接收端檢測(cè)到這個(gè)低電平后，就準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)信號(hào)。

(2)數(shù)據(jù)位：在起始位之后，發(fā)送端發(fā)出(或接收端接收)的是數(shù)據(jù)位，數(shù)據(jù)的位數(shù)沒有嚴(yán)格的限制，5～8位均可。由低位到高位逐位傳送。

(3)奇偶校驗(yàn)位：數(shù)據(jù)位發(fā)送完(接收完)之后，可發(fā)送一位用來檢驗(yàn)數(shù)據(jù)在傳送過程中是否出錯(cuò)的奇偶校驗(yàn)位。奇偶校驗(yàn)是收發(fā)雙方預(yù)先約定好的有限差錯(cuò)檢驗(yàn)方式之一。有時(shí)也可不用奇偶校驗(yàn)。

(4)停止位：字符幀格式的最后部分是停止位，邏輯“1”電平有效，它可占1位、1.5位或2位。停止位表示傳送一幀信息的結(jié)束，也為發(fā)送下一幀信息作好準(zhǔn)備。5.1.2串行通信的波特率

波特率(BaudRate)是串行通信中一個(gè)重要概念，它是指?jìng)鬏敂?shù)據(jù)的速率,亦稱比特率。波特率的定義是每秒傳輸二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù),它的單位是位/秒（b/s）

。如：波特率為1200bps是指每秒鐘能傳輸1200位二進(jìn)制數(shù)碼。波特率的倒數(shù)即為每位數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間。例如：波特率為1200bps，每位的傳輸時(shí)間為：1)(833.01200msdT==規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)波特率:

50，75，110，300，600，12002400，4800，9600，19200b/s舉例：在某異步串行通信中，傳送一個(gè)字符，包括一個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)偶校驗(yàn)位，二個(gè)停止位。設(shè)波特率為1200b/s，則每秒所能傳送的字符數(shù)是：

1200/（1+8+1+2）=100個(gè)5.2串行通信標(biāo)準(zhǔn)5.2.1RS-232C標(biāo)準(zhǔn)RS-232C是在異步串行通信中應(yīng)用最廣的總線標(biāo)準(zhǔn)，它適用于短距離或帶調(diào)制解調(diào)器的通信場(chǎng)合。RS-232C標(biāo)準(zhǔn)是美國(guó)EIA與BELL等公司一起開發(fā)的1969年公布的數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)。它適合于數(shù)據(jù)傳輸速率在0～20000b/s范圍內(nèi)的通信。該標(biāo)準(zhǔn)定義了數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE(DataTerminalEquipment)和數(shù)據(jù)通信設(shè)備DCE(DataCommunicationEquipment)之間的接口信號(hào)特性。其中DTE也可以是計(jì)算機(jī)，DCE一般是指調(diào)制解調(diào)器（MODEM）。它作為一種標(biāo)準(zhǔn)，目前已在微機(jī)通信接口中廣泛采用，在IBMPC機(jī)上的COM1、COM2接口，就是RS-232C接口。其邏輯電平定義為負(fù)邏輯：對(duì)數(shù)據(jù)信息而言，邏輯“1”的電平低于-3V，邏輯“0”的電平高于+3V；也就是當(dāng)傳輸電平的絕對(duì)值大于3V時(shí)，電路可有效地檢查出來，介于-3V和+3V之間的電壓無意義，低于-15V或高于+15V也認(rèn)為無意義。因此，實(shí)際工作時(shí)應(yīng)保證電平在±（5-15V）之間。顯然，EIA-RS-232C是用正負(fù)電壓來表示邏輯狀態(tài)的，與TTL以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。因此，為了能夠同終端的TTL器件連接，必須在EIA-RS-232C與TTL電路之間進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的變換。(1)電氣特性圖7.4微機(jī)9針D形串口連接器(2)端子定義TXD(Transmitteddata)：為發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)。串行數(shù)據(jù)傳送信號(hào)由該腳發(fā)出送上通信線路到MODEM(DTE→DCE)，在不傳送數(shù)據(jù)時(shí)該腳為邏輯1。RXD(Receiveddata)：接收數(shù)據(jù)信號(hào)，來自通信線路的串行數(shù)據(jù)信號(hào)由該腳進(jìn)入系統(tǒng)(DCE→DTE)GND：地信號(hào)，是其它引腳的參考電位信號(hào)。一類為基本數(shù)據(jù)傳送信號(hào)有TXD,RXD,GND零調(diào)制解調(diào)器連接這種方法只適于15m以內(nèi)的串行通信（3）電平轉(zhuǎn)換由于RS-232C信號(hào)電平與

TTL電平不兼容，因此，為了與TTL器件連接必須進(jìn)行信號(hào)電平轉(zhuǎn)換。實(shí)現(xiàn)這種電平轉(zhuǎn)換的電路稱為RS-232C接口電路。一般有兩種形式：一種是采用運(yùn)算放大器、晶體管、光電隔離器等器件組成的電路來實(shí)現(xiàn)；另一種是采用專門集成芯片(如MC1488、MC1489、MAX232等)來實(shí)現(xiàn)。MAX232接口電路

MAX232芯片是MAXIM公司生產(chǎn)的具有兩路接收器和驅(qū)動(dòng)器的IC芯片，其內(nèi)部有一個(gè)電源電壓變換器，可以將輸入+5V的電壓變換成RS-232C輸出電平所需的±12V電壓。所以采用這種芯片來實(shí)現(xiàn)接口電路特別方便，只需單一的+5V電源即可。R2outT1inT2inR1outR1inT1outGND12346587151614131011129C1+V+C1-C2+C2-V-T2outR2inVCC圖

MAX232引腳圖PC機(jī)與89C51單片機(jī)串行通信電路C1+C1-C2+C2-STC89C51GNDGNDIBM-PCTXDTXDRXDRXDT1outT1inR1inR1outGNDV+V-VCCMAX232C4C1C2C3C5+5V++++圖

用MAX232實(shí)現(xiàn)串行通信接口電路圖（1）數(shù)據(jù)傳輸速率低,一般低于20kb/s。（2）傳輸距離短,一般局限于15m。即使采用較好的器件及優(yōu)質(zhì)同軸電纜,最大傳輸距離也不能超過60m。（3）有25芯D型插針和9芯D型插針等多種連接方式,不利于標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。（4）信號(hào)傳輸電路為單端非對(duì)稱接口電路,即一根信號(hào)線和一根地線。共模抑制性能較差,抗干擾能力弱。5.2.2RS-422標(biāo)準(zhǔn)RS-232C雖然應(yīng)用廣泛，但其存在以下不足：為了彌補(bǔ)這些不足，EIA公布了適應(yīng)于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)腞S-422（平衡傳輸線）和RS-423(不平衡傳輸線)標(biāo)準(zhǔn)。為改進(jìn)RS-232，RS-422定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到10Mb/s，傳輸距離延長(zhǎng)到4000英尺（速率低于100kb/s時(shí)），并允許在一條平衡總線上連接最多10個(gè)接收器。1.特點(diǎn)：

（1）采用平衡發(fā)送器和差動(dòng)接收器，由于是雙線傳輸，大大提高了抗共模干擾的能力。兩條傳輸線的電位差決定邏輯電平:AA′-BB′<-2V，表示“1”AA′-BB′>+2V，表示“0”（2）傳輸速率10Mbps（<15m時(shí)）

90Kbps（<1200m時(shí)）RS422A與TTL電平轉(zhuǎn)換最常用的是傳輸線驅(qū)動(dòng)器SN75174、MC3487和傳輸線接收器SN75175、MC3486。2.電平轉(zhuǎn)換MC3487MC3486BTTLRS-422A電平平衡發(fā)送器差動(dòng)接收器B′AA′TTL5.2.3RS-485標(biāo)準(zhǔn)RS-485實(shí)際是RS-422A的變型,它是為了適應(yīng)用最少的信號(hào)線實(shí)現(xiàn)多站互連,構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)的需要而產(chǎn)生的。它與RS-422A的不同之處在于：兩個(gè)設(shè)備相連時(shí),RS-422A為全雙工,RS-485為半雙工；對(duì)于RS-422A,數(shù)據(jù)信號(hào)線上只能連接一個(gè)發(fā)送驅(qū)動(dòng)器,而RS-485卻可以連接多個(gè),但在某一時(shí)刻只能有一個(gè)發(fā)送驅(qū)動(dòng)器發(fā)送數(shù)據(jù)。因此,RS-485的發(fā)送電路必須由使能端E加以控制。抗干擾能力強(qiáng)，傳送距離遠(yuǎn)，傳輸速率高。數(shù)傳率：100Kbps<1.2Km9.6Kbps<15Km10Mbps<15mRS-485用于多個(gè)設(shè)備互連,構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)十分方便,而且,它可以高速遠(yuǎn)距離傳送數(shù)據(jù)。因此,許多智能儀器都配有RS-485總線接口,為網(wǎng)絡(luò)互連,構(gòu)成分布式測(cè)控系統(tǒng)提供了方便。圖5-11RS-485總線多站互連原理圖在同一對(duì)信號(hào)線上,RS-485總線可以連接多達(dá)32個(gè)發(fā)送器和32個(gè)接收器。最近幾年問世的一些RS-485接口芯片,可以連接更多的發(fā)送器和接收器（128或256個(gè)）。

RS-485串行總線接口標(biāo)準(zhǔn)以差分平衡方式傳輸信號(hào)，具有很強(qiáng)的抗共模干擾的能力。邏輯“0”以兩線間的電壓差為+2V～+6V表示；邏輯“1”以兩線間的電壓差為-2V～-6V表示。接口信號(hào)電平比RS-232降低了，不容易損壞接口電路芯片。

RS-485總線標(biāo)準(zhǔn)可采用MAX485芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。MAX-485芯片引腳排列如圖7.19所示。

MAX485輸入/輸出信號(hào)不能同時(shí)進(jìn)行（半雙工），其發(fā)送和接收功能的轉(zhuǎn)換是由芯片的RE和DE端控制的。RE=0時(shí)，允許接收；RE=1時(shí)，接收端R高阻。DE=1時(shí)，允許發(fā)送；DE=0時(shí)，發(fā)送端A和B高阻。在單片機(jī)系統(tǒng)中常把RE和DE接在一起用單片機(jī)的一個(gè)I/O線控制收發(fā)。RVCCREBDEATGNDMAX485ABRTRXDTXDP1.0REDE圖5.19MAX485引腳排列與連接;例A、B兩臺(tái)單片機(jī)，均采用11.0592MHz晶振。A機(jī)以2400bps波特率將p1口數(shù)據(jù)讀入并發(fā)送給B機(jī)，B機(jī)正確接收后輸出到p1口。;A、B兩機(jī)的RXD、TXD交叉相連并共地。兩機(jī)串行口均設(shè)置為方式1，定時(shí)器T1定時(shí)初值為F4H，兩機(jī)采用查詢控;制方式程序如下：;A機(jī)發(fā)送;程序：

ORG0000HLJMPMAINORG0100HMAIN:MOVTMOD,#20H;T1定時(shí)方式2MOVTL1,#0F4H;波特率為2400bpsMOVTH1,#0F4HSETBTR1;啟動(dòng)T1MOVSCON,#40H;串口方式1MOVP1,#0FFHMAIN1:MOVA,P1CJNEA,#0FFH,NEXTLJMPMAIN1NEXT:SETBP2.0MOVSBUF,A;啟動(dòng)串口發(fā)送

JNBTI,$;等待發(fā)送完畢

CLRTI;清發(fā)送中斷標(biāo)志

LJMPMAIN1END;B機(jī)接收程序

ORG0000HLJMPMAINORG0100HMAIN:MOVP1,#00HMOVTMOD,#20H;T1定時(shí)方式2MOVTL1,#0F4H;波特率為2400bpsMOVTH1,#0F4HSETBTR1;啟動(dòng)T1MOVSCON,#50H;串口方式1CLRP2.0MAIN1:JNBRI,$;等待接收

MOVA,SBUF;讀取接收數(shù)據(jù)

MOVP1,ACLRRI;清發(fā)送中斷標(biāo)志

LJMPMAIN1ENDGP-IB即通用接口總線（GeneralPurposeInterfaceBus）是國(guó)際通用的儀器接口標(biāo)準(zhǔn)。HP-IBIEEE-488（1975IEEE）IEC-625(1977IEC)IEC-IB圖5-15GPIB插座端子5.3并行通信接口GP-IB標(biāo)準(zhǔn)包括接口與總線兩部分接口部分是由各種邏輯電路組成，與各儀器裝置安裝在一起，用于對(duì)傳送的信息進(jìn)行發(fā)送、接收、編碼和譯碼總線部分是一條無源的多芯電纜，用作傳輸各種消息。連接方式：總線式連接，儀器直接并聯(lián)在總線上，相互可以直接通信而無需通過中介單元，如計(jì)算機(jī)等。數(shù)傳方式：位并行（Bitparallel），字節(jié)串行（Byteserial）雙向異步傳送方式。其最大數(shù)據(jù)傳輸速率為1MB/s。數(shù)傳距離：系統(tǒng)總線長(zhǎng)度最好不超過2m×設(shè)備數(shù)，而總長(zhǎng)不允許超過20m。如果距離過長(zhǎng)，信號(hào)可能畸變，傳輸?shù)目煽啃韵陆?，?shù)據(jù)的傳輸速率也就會(huì)降低。儀器容量：由于受發(fā)送器負(fù)載能力的限制，系統(tǒng)內(nèi)儀器最多不超過15臺(tái)。消息邏輯：總線上傳輸?shù)乃邢⒉捎秘?fù)邏輯。低電平（≤+0.8V）

為邏輯“1”，高電平（≥+2.0V）

為邏輯“0”，與標(biāo)準(zhǔn)TTL電平兼容。總線構(gòu)成：由16條信號(hào)線構(gòu)成，其中8條為數(shù)據(jù)線，3條為掛鉤線，5條管理線一般適用于電氣干擾輕微，如實(shí)驗(yàn)室、生產(chǎn)測(cè)試環(huán)境等場(chǎng)合。5.3.1IEEE-488接口系統(tǒng)的基本特性5.3.2IEEE-488總線結(jié)構(gòu)GPIB總線是一個(gè)24腳（扁型接口插座）并行總線。其中，16根線為TTL電平信號(hào)傳輸線，包括8條雙向數(shù)據(jù)線、3條數(shù)據(jù)傳送控制線（掛鉤線）、5條接口管理線，另8條為邏輯地線及屏蔽線。（1）8條雙向數(shù)據(jù)總線（DIO1~DIO8），由于GPIB沒有專門的地址總線和控制總線，所以8條數(shù)據(jù)總線不僅用來傳送數(shù)據(jù)，還要傳送控制命令和地址，即控者發(fā)出的各種通令、指令、地址和副令，講者發(fā)送的各種測(cè)量數(shù)據(jù)。（2）3條數(shù)據(jù)掛鉤聯(lián)絡(luò)線（DAV,NRFD和NDAC），用以保證信息的可靠傳輸。（3）接口管理線，作用是控制GP-IB總線接口狀態(tài)通過三線掛鉤的聯(lián)絡(luò)應(yīng)答關(guān)系來實(shí)現(xiàn)設(shè)備輸入和設(shè)備輸出時(shí)的信息交換。保證數(shù)據(jù)總線能正確、有節(jié)奏的傳輸信息。①DAV(DATAVALID)——數(shù)據(jù)有效線當(dāng)DAV的邏輯狀態(tài)為“1”（低電平）時(shí)，表DIO上的數(shù)據(jù)有效，聽者可以從DIO線上接收數(shù)據(jù)；當(dāng)DAV=“0”（高電平）時(shí)，表DIO上數(shù)據(jù)無效，聽者不能接收DIO線上的數(shù)據(jù)。②NRFD（NOTRADYFORDATR）——未準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)線

NRFD=“1”，表示系統(tǒng)中至少有一個(gè)聽者未準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)，示意講者暫不要發(fā)出信息，即使數(shù)據(jù)已置于DIO線上，也不能令數(shù)據(jù)有效。NRFD=“0”，表全部聽者均已做好接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備，此時(shí)講者或控者可以向DIO線發(fā)送數(shù)據(jù)。③NDAC（NOTDATAACCEPTED）——數(shù)據(jù)未收到線NDAC=“1”，表示系統(tǒng)中至少有一個(gè)聽者尚未從數(shù)據(jù)總線上接收完數(shù)據(jù)，示意講者暫不要撤掉數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)，應(yīng)保持DAV線繼續(xù)有效。當(dāng)NDAC=“0”時(shí)，表聽者均已完成接收數(shù)據(jù)，此時(shí)講者或控者可向總線傳送新數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)掛鉤聯(lián)絡(luò)線（1）聽者使NRFD呈高電平，表示已做好接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。由于總線上所有的聽者是線或連接至NRFD線上的，因此只要有一個(gè)聽者未做好準(zhǔn)備，NRFD就呈低電平。（2）講者發(fā)現(xiàn)NRFD呈高平后就把數(shù)據(jù)放在DIO線上，并令DAV為低電平，表示DIO線上的數(shù)據(jù)已經(jīng)穩(wěn)定且有效。（3）聽者發(fā)現(xiàn)DAV線呈低電平后，就令NRFD也呈低電平，表示準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。（4）在接收數(shù)據(jù)的過程中，NDAC線一直保持低電平，直至每個(gè)聽者都接收完數(shù)據(jù)，才上升為高電平。（5）當(dāng)講者檢出NDAC為高電平后，就令DAV為高電平，表示總線上的數(shù)據(jù)不再有效。（6）聽者檢出DAV為高電平，就令NDAC再次變?yōu)榈碗娖?，以?zhǔn)備進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)過程。三線掛鉤原理聽者掛接在GPIB總線上的設(shè)備可能是各種各樣的，但就其在總線系統(tǒng)上的作用來說一般可分為“控者”、“聽者”、“講者”三類儀器裝置,也稱為系統(tǒng)功能的三要素。講者是通過總線發(fā)送儀器消息的儀器裝置，如測(cè)量?jī)x器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)等，在一個(gè)GP-IB系統(tǒng)中，可以設(shè)置多個(gè)講者，但在某一時(shí)刻只能由一個(gè)講者在起作用。聽者是通過總線接收由講者發(fā)出