接口和總線-2課件

五、I2C總線

1．I2C總線概述

I2C總線(InterIntegrateCircuitsBus)(SDA數(shù)據(jù)線和SCL)連接多個具有I2C總線接口的器件,在器件之間進行數(shù)據(jù)傳送。I2C總線數(shù)據(jù)傳送速率最高可達400kbit/s,主要用于單片機的系統(tǒng)擴展和多機通信。為此,I2C總線接口的外圍器件。接口和總線-2

I2C總線具有以下特征:1)一個完整的I2C總線系統(tǒng)至少由一個微處理器和其他外圍器件如存儲器、I/O擴展口、顯示驅(qū)動器等組成。系統(tǒng)與各種器件的連接最簡單,成本最低。

2)I2C總線是一種無中心主機的多主機總線,它可以在主機和分機之間雙向傳送數(shù)據(jù)。各主機可以任意同時發(fā)送而不破壞總線上的數(shù)據(jù)。接口和總線-23)I2C總線通信是一種同步通信。同步時鐘允許器件通過總線以不同波特率通信,同時它還可以用作停止和開始串行口發(fā)送的應答。4)I2C總線系統(tǒng)通常用于控制而無需高速數(shù)據(jù)傳送。5)I2C總線系統(tǒng)支持NMOS、CMOS、HCMOS等多種制造工藝。6)I2C總線可以用于測試和錯誤診斷。接口和總線-22．I2C總線的結(jié)構(gòu)

I2C總線由串行數(shù)據(jù)線(SDA)與串行時鐘線(SCL)構(gòu)成,總線上可以接若干個單片微機和外圍器件,每一個器件可由一個唯一的地址確定,總線上的硬件資源由各個CPU共享。I2C總線用于單片機的系統(tǒng)擴展時,總線上只有一個CPU。這種串行系統(tǒng)擴展方式比并行的系統(tǒng)擴展方式占用I/O線少,硬件結(jié)構(gòu)緊湊、合理、體積小,但工作速度較慢。

接口和總線-2I2C總線還可以用于多機系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中,單片機之間可以直接通信,也可以通過公共存儲器間接通信。圖11為I2C系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)。

圖11I2C總線總體典型結(jié)構(gòu)接口和總線-2I2C總線上的主器件是在時鐘線(SCL)上產(chǎn)生時鐘脈沖,在數(shù)據(jù)線(SDA)上產(chǎn)生尋址信號、開始條件、停止條件,建立數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骷?任何被尋址選中的器件都被看成是從器件。單片微機在I2C總線上既可做主器件(主發(fā)送或主接收),也可做從器件(從發(fā)送或從接收)。而外圍器件一般只能做從器件(從發(fā)送或從接收)。接口和總線-2I2C總線上不論任何器件都能作為發(fā)送器或接收器工作。發(fā)送或接收取決于器件功能和軟件的設置。顯然LCD(液晶顯示器)驅(qū)動器僅能做接收器,而單片微機、存儲器既可做發(fā)送器也可做接收器。接口和總線-2

工作過程中,數(shù)據(jù)線(SDA)上的信息通常是成組的雙向傳送。通信開始時,若總線空閑,主器件產(chǎn)生通信的開始條件(在SCL高電平時,SDA產(chǎn)生負跳變)。通信結(jié)束,主器件產(chǎn)生一個通信結(jié)束條件(在SCL高電平時,SDA產(chǎn)生正跳變),停止工作并釋放總線。起/停條件總是由主機產(chǎn)生,一旦開始,總線被認為處于忙態(tài)。停止后,總線又處于閑態(tài)。接口和總線-2通信中,CPU只對相關(guān)的特殊功能寄存器進行操作,數(shù)據(jù)的移位、發(fā)送或接收以及總線忙/閑狀態(tài)檢測都是由I2C接口硬件完成。而不帶I2C接口的微處理器就只得以每個時鐘期間2次的速率對SDA線采樣,才能了解總線忙/閑情況的變化。串行數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)在時鐘脈沖為高期間必須保持穩(wěn)定,數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)只能在串行時鐘線(SCL)上的時鐘信號為低時發(fā)生改變。

接口和總線-2

串行數(shù)據(jù)(SDA)和串行時鐘(SCL)線都需要通過一個上拉電阻連到電源線上。當總線空閑時,兩線均處于高電平。為完成"線"與功能,連到總線上的器件都必須是漏極開路或集電極開路輸出。圖12是I2C總線器件的線與結(jié)構(gòu),I2C總線上數(shù)據(jù)傳送速度可高達100kbit/s,快速模式為400kbit/s;I2C總線電容量為400pF,因此總線上可連接器件的數(shù)量是有限的。接口和總線-2圖12I2C總線器件的線與結(jié)構(gòu)接口和總線-2

3．I2C總線的數(shù)據(jù)傳輸（1）數(shù)據(jù)格式通信過程中,I2C總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)由字節(jié)組成,其數(shù)據(jù)量的大小沒有限制。數(shù)據(jù)中每個字節(jié)長度為8位,每個字節(jié)后面須緊跟一個應答位。數(shù)據(jù)在SDA線上傳輸時,首先傳送最高有效位(MSB)。接口和總線-2若一個接收器已經(jīng)完成了一些其他的功能后還不能接收到一個完整的數(shù)據(jù)字節(jié)時(如內(nèi)部中斷服務功能),它會把串行時鐘線保持為低電平,以迫使發(fā)送器進入等待狀態(tài)。當接收器為接受下一個數(shù)據(jù)字節(jié)做好準備并釋放SCL線后,數(shù)據(jù)傳輸方可繼續(xù)。接口和總線-2

數(shù)據(jù)傳輸格式如圖13所示。出現(xiàn)開始條件后,首先,由主器件發(fā)出從器件地址。此地址長7位,第8位是從器件的數(shù)據(jù)方向位(R/W,即讀/寫),其中"0"表明是發(fā)送(寫)；"1"表明對數(shù)據(jù)的需求(讀)。數(shù)據(jù)傳輸過程以主器件產(chǎn)生停止條件而中止。若主器件仍希望在總線上通信,不產(chǎn)生停止條件,就可以再次發(fā)出開始信號和從機地址。接口和總線-2圖13I2C總線的數(shù)據(jù)傳輸格式接口和總線-2

根據(jù)數(shù)據(jù)方向位(R/W)的狀態(tài)。I2C總線上的數(shù)據(jù)傳送方式可分為二類:

1)數(shù)據(jù)從主器件(發(fā)送器)傳送到從器件(接收器)。從器件發(fā)送的第一個字節(jié)是從器件地址及數(shù)據(jù)傳送方向位"1",接著是許多數(shù)據(jù)字節(jié)。從器件每收到一個字節(jié)后送一個應答位。

接口和總線-22)數(shù)據(jù)從從器件(發(fā)送器)傳送到主器件(接收器)。主器件發(fā)送第一個字節(jié)對從器件尋址并設置數(shù)據(jù)傳送方向位"0"。從器件回送一個應答位,接著由從器件把許多數(shù)據(jù)字節(jié)傳送給主器件。主器件除了最后一字節(jié)外,在收到每一個字節(jié)后回送一個應答位。接口和總線-2圖12I2C總線器件的線與結(jié)構(gòu)接口和總線-2R/W方式在一次數(shù)據(jù)傳送過程內(nèi)是可以發(fā)生改變的。要改變傳輸方向,需重復開始條件和從機地址,而R/W位必須反向。在第一個應答位出現(xiàn)后,主發(fā)送器就變成了主接收器,同時從接收器變成從發(fā)送器。應答位仍由從器件產(chǎn)生,停止條件由主器件產(chǎn)生。接口和總線-2

（2）數(shù)據(jù)識別

I2C總線系統(tǒng)中主器件在傳送每一個字節(jié)后都在SCL線上產(chǎn)生一個識別相關(guān)時鐘脈沖(ACK)。在識別相關(guān)時鐘脈沖期間,發(fā)送器釋放SDA線(保持為高),而接收器將SDA線拉為低電平發(fā)出應答位信號。這樣在識別相關(guān)時鐘脈沖持續(xù)期間,SDA線將穩(wěn)定地維持低電平。接口和總線-2

被選中的接收器在每一個字節(jié)被接收后將被迫產(chǎn)生一個應答位。當一從接收器沒產(chǎn)生應答時,如因為它正在完成一些實時功能而來不及接收,數(shù)據(jù)線就必須由從機抬高。主器件隨后產(chǎn)生停止信號廢止這次傳輸。

若從接收器識別出了從器件地址,但過一段時間后又不能再從這次傳輸中收到數(shù)據(jù)字節(jié),則此時從器件在第一個字節(jié)后不產(chǎn)生應答位,使SDA線維持為高,于是主器件必須廢除本次的傳輸,發(fā)出停止信號。接口和總線-2

若傳輸中有主接收器參與,則它在最尾端一個字節(jié)后不產(chǎn)生一應答位,而向從發(fā)送器發(fā)出一個數(shù)據(jù)結(jié)束信號。這時從發(fā)送器則釋放SDA線以允許主器件發(fā)出停止信號。接口和總線-2

4．數(shù)據(jù)傳輸中的器件同步與競爭

（1）器件的同步

所有能在I2C總線上傳輸信息的主器件都產(chǎn)生它自己的時鐘信號,并送到時鐘線(SCL)上。為解決總線上的器件相互之間的競爭問題,必須由總線協(xié)議確定一個同步時鐘。同步時鐘是利用I2C接口連到時鐘線上的器件的"線與"來完成的。時鐘上一個由高到低的變化會使有關(guān)的器件對"空格0"開始計數(shù)。接口和總線-2若器件A的時鐘變低,它就開始控制時鐘線(SCL)為"低"狀態(tài),直至時鐘"高"狀態(tài)的到來。如果其他器件(如B)的時鐘仍然處于低電平,那么A時鐘由低到高變化也不可能改變時鐘線(SCL)的"低"狀態(tài),時鐘線將被具有最長"空格0"的器件維持為"低"。此時,具有較短"空格0"的器件會進入高電平的等待狀態(tài)。接口和總線-2

圖14為同步時鐘形成示意圖,從圖中可看出,當所有器件都已計數(shù)完"空格0"時,時鐘線被釋放由"低"變"高",這時器件時鐘和時鐘線(SCL)的狀態(tài)完全一樣,并且所有器件都開始對"標志1"計數(shù)。第一個結(jié)束"標志1"的器件將再次將時鐘線降為"空格0"狀態(tài)。接口和總線-2圖14同步時鐘的形成

這種方法產(chǎn)生的同步時鐘線(SCL)的時鐘,其"空格0"由具有最長"空格0"的器件決定,而時鐘的"標志1"由具有最短時鐘"標志1"的器件決定。

接口和總線-2

（2）器件的競爭

I2C總線上接有多個微處理器時,意味著多個主器件可能會同時開始它們的數(shù)據(jù)傳輸,多器件的數(shù)據(jù)傳輸會在SCL線高電平期間,在SDA線上發(fā)生競爭問題。為避免競爭造成數(shù)據(jù)傳輸混亂,I2C總線硬件中設置了競爭裁決電路。競爭期間SCL線上的時鐘信號是所有主器件產(chǎn)生的時鐘信號"線與"的結(jié)果。所以若有兩個或更多的主器件欲通過I2C總線傳輸信息,在其他器件輸出"0"時,產(chǎn)生"1"的器件將失去對總線的控制權(quán)。接口和總線-2

當一個主器件發(fā)送出高電平,而另一個主器件同時發(fā)送低電平時,數(shù)據(jù)線(SDA)就會發(fā)生競爭。發(fā)送高電平的主器件會因為總線上的電平不能與自己的發(fā)送電平保持一致而關(guān)斷自己的數(shù)據(jù)輸出,其關(guān)斷過程不影響取勝主器件的數(shù)據(jù)傳輸。

圖15描述了兩個主器件的競爭過程。接口和總線-2圖15多主器件的競爭表1消息的表示法接口和總線-2I2C總線的控制僅取決于競爭勝利的主器件發(fā)送的數(shù)據(jù)和地址,因此,總線上的主器件既沒有中心主機,也沒有任何優(yōu)先級別。

器件的競爭可能持續(xù)許多位。器件競爭首先進行地址位的比較,當多個主器件同時選中同一個從器件時,競爭將繼續(xù)進行數(shù)據(jù)比較。I2C總線上用于競爭的地址與數(shù)據(jù)信息在競爭期間是不會丟失的。接口和總線-2

參與器件競爭的主器件會產(chǎn)生一連串的時鐘脈沖,直至競爭失敗時刻、字節(jié)的結(jié)束,才停止發(fā)送時鐘。具有從器件功能的主器件若在選址階段競爭失敗,它有可能被競爭勝利的主器件選中為從器件,因此該器件必須停止時鐘發(fā)送,馬上轉(zhuǎn)入從接收器模式。接口和總線-2

（3）器件的握手應答

所謂握手應答,是I2C總線系統(tǒng)利用時鐘同步機制,使接收器與快速數(shù)據(jù)傳送協(xié)調(diào)地工作。

在以字節(jié)為單位的傳輸過程中,器件可能被用于快速接收或快速發(fā)送數(shù)據(jù),這時它需要一定的時間來存儲收到的字節(jié)或準備下一個要發(fā)送的字節(jié)。接口和總線-2因此,從器件在接收完一個字節(jié)與應答位后,應使SCL線保持為低電平,以迫使主器件進入等待狀態(tài),直至從器件為下一個字節(jié)的傳送作好準備為止。

以位傳輸時,可以延長每一個時鐘空格"0"時期而使總線的時鐘變慢,使任何主器件的速度都得適應傳輸器件的運行速度。接口和總線-2

5．數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶ぶ?/p>

（1）字節(jié)的定義

I2C總線系統(tǒng)規(guī)定:信號開始后的第一字節(jié)用于尋址,以確定哪一個從器件被主器件選定。第一字節(jié)中頭7位組成了從器件的地址,第八位規(guī)定了數(shù)據(jù)的走向。若LSB為0,意味著主器件要向選中的從器件寫信息:若LSB為1,則主器件要從從器件讀信息。接口和總線-2

地址發(fā)送后,系統(tǒng)上的每個器件都必須將第一字節(jié)的頭7位與各自的地址相比較。地址匹配時,器件將認為自己被主器件選中,并按照R/W位決定自己是從發(fā)送還是從接收。

接口和總線-2

從器件地址由固定與可編程兩部分構(gòu)成。地址的固定部分為器件名稱,PHILIPS公司已予規(guī)定;而可編程部分則決定了系統(tǒng)中最多可連結(jié)這種器件的個數(shù)。例如,某器件地址有3位可編程位,則同一個I2C總線上可連接8個這樣的器件。

七位地址為0000000,用作全呼叫地址;11110××被保留用于從器件的10位尋址。接口和總線-2（2）全呼叫地址

能選中所有器件的地址叫全呼叫地址。圖16為全呼叫格式。

接口和總線-2

當主器件進行全地址呼叫時,除被設計為不響應這個地址的器件外,其余所有的器件都應作出識別響應并以從接收器的身份行動。當采用全呼叫地址時,第二個字節(jié)定義要產(chǎn)生的操作。

I2C總線系統(tǒng)對全呼叫地址中第二個字節(jié)的含義根據(jù)其最低位是"0"還是"1",有不同定義。接口和總線-21)LSB位為“0”

LSB位為“0”時,第二字節(jié)規(guī)定如下:

00000110(06H):由硬件復位并寫從器件地址的可編程部分。在收到這兩字節(jié)時,所有被設計成對全呼叫地址反應的器件都復位并獲得其地址的可編程部分。接口和總線-200000100(04H):僅由硬件寫從器件地址的可編程部分。所有被硬件定義了其地址可編程部分的器件(被設計能對全呼叫地址有回應)在收到兩字節(jié)序列后,將鎖存這可編程部分,但器件并不復位。

H00000000(00H):此代碼禁止用作第二字節(jié)。

其余的代碼是不固定的,器件必須忽視這些代碼。接口和總線-22)LSB位為“1”

當LSB位為"1"時,這兩字節(jié)序列是硬件全呼叫,由一個硬件主器件發(fā)送(如鍵盤掃描器)。因為硬件主器件預先并不知道信息要傳送到哪一個從器件,因而不能被編程來發(fā)送一個要求的從器件地址。它只能產(chǎn)生這種硬件全呼叫自己的地址,從而把自己推薦給系統(tǒng)。被連到總線上的智能器件,如微處理器等,能認出保存在第二字節(jié)中的硬件主器件的地址(高七位),從而能控制來自硬件主器件的信息。該硬件主器件也能(若能)作為一個從器件,此時的從器件地址和主器件地址相同。接口和總線-2（3）數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠鹗甲止?jié)

智能檢測系統(tǒng)的單片機可以用兩種方式連到I2C總線上。若單片機內(nèi)部有硬件I2C總線接口,則它可以被編程僅響應來自I2C總線的中斷申請;若單片機內(nèi)部沒有I2C總線接口,它必須通過軟件不斷地監(jiān)視總線。顯然單片機用于監(jiān)視和終端查詢的時間越多,它能用于完成其預期功能的時間越少。接口和總線-2因此,快速帶硬件接口的器件與依靠軟件查詢的慢速單片機二者的速度是不同的。此時,數(shù)據(jù)傳輸之前要加上一個比平常長得多的開始過程。這個過程包括:一個開始信號(S)、一個開始字節(jié)(01H)、一個識別時鐘脈沖(ACK)和一個重復的開始信號(Sr)。數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠鹗几袷饺鐖D17所示。接口和總線-2圖17數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠鹗甲止?jié)格式

接口和總線-2

請求總線訪問的主器件發(fā)送信號S后,再發(fā)送開始字節(jié)01H。而另一個單片機可用較低的采樣速度去對SDA線采樣,直到開始字節(jié)中的“0”被發(fā)現(xiàn)為止。發(fā)現(xiàn)SDA線上有低電平后,單片機轉(zhuǎn)換到一個較高的采樣速度去查找第二個開始信號Sr。Sr條件用于同步,當它被接收到時,硬件接收器使復位,此時開始字節(jié)失去作用。

開始字節(jié)后,會產(chǎn)生一個相關(guān)的識別時鐘脈沖(ACK),配合總線的字節(jié)運行格式,禁止任何器件對開始字節(jié)作出識別響應。接口和總線-26．總線器件的輸入/輸出電氣特性

I2C總線器件有固定的1.5V、3V輸入電平,每一個器件都可以有自己的合適的電源。

總線的上拉電阻必須連到一個+5V10%的電源上。對于輸入電平與電源電壓VDD有關(guān)的I2C總線器件,必須采用同一個電源,而且上拉電阻也必須接到該電源上。當固定輸入電平的器件和輸入電平與電源電壓VDD有關(guān)的器件混用時,后者必須采用同一個+5V±10%電源,而且總線的上拉電阻也必須接到該電源上。接口和總線-2輸入電平規(guī)定為:

1)低電平的噪聲極限為0.1VDD。

2)高電平的噪聲極限為0.2VDD。

3)高達300的串行阻抗(Rs)可被用于防止SDA與SCL線上的高壓尖峰脈沖的飛弧。

接口和總線-2

在一個標準的I2C總線系統(tǒng)中,串行電阻(Rs)和上拉電阻(Rp)的阻值的大小取決于電源電壓、總線容量和總線上聯(lián)接的器件數(shù)(輸入電流+漏電流)。I2C總線器件的SDA與SCL兩插腳的最大電容量是10pF,每根總線上的允許最大電容是400pF(包括導線本身的電容和連到它的插腳間的電容)。接口和總線-2六、VXI總線系統(tǒng)

1979年,美國MOTOROLA公司公布了一份關(guān)于68000微處理機專用總線的使用說明書,即著名的VERSA總線。在公布VERSA總線的同時,也研究開發(fā)了一種新的印刷線路板標準——EUROCARD標準,即IEC297—3標準。

接口和總線-2VXI總線(VMEbusExtensionsforinstrumentation)是1981年由MOTOROLA、MOSTEK和SIGNETICS三大公司共同宣布的支持具有EUROCARD模件尺寸、基于VERSA總線的接插件系列的標準總線。不久之后,全世界許多計算機和儀器儀表公司加入VXI總線聯(lián)合體。VXI總線是VEM總線在檢測技術(shù)領域的擴展。為適應當代智能檢測技術(shù)的發(fā)展,1987年又對標準進行了更新,允許用戶將不同廠家的模塊用于一個系統(tǒng)的同一機箱內(nèi),從而為智能檢測系統(tǒng)的設計提供了極為方便的途徑。接口和總線-2

1．VXI總線的特點

VXI總線具有高速通信和易于組合的優(yōu)點,集中了智能儀器、個人儀器和自動測試系統(tǒng)的許多特長,已在智能檢測系統(tǒng)中獲得廣泛應用。接口和總線-2(1)高速傳輸實時檢測、實時控制、實時任務處理對檢測速度的要求越來越高,采用VXI總線的檢測系統(tǒng)可把主機架上的一些儀器作為一個整體來處理,系統(tǒng)內(nèi)的信息通過背板上的印制總線來傳遞。由于可采用插件對插件的本地通信方式,并且可組成多CPU的分布式系統(tǒng),最高傳輸速率可達40Mbit/s以上。接口和總線-2(2)模塊式結(jié)構(gòu)

VXI總線系統(tǒng)可采用不同國度、不同廠商的插件式儀器和其他插件式器件組成智能檢測系統(tǒng)。VXI總線系統(tǒng)內(nèi)的所有器件都是插件式的,對插件和主機架的尺寸都有嚴格的規(guī)定。接口和總線-2(3)小型便攜

智能檢測系統(tǒng)的一個發(fā)展方向是小型化、便攜式、易于互連。在采用VXI總線的檢測系統(tǒng)中,插件和機架的尺寸已有嚴格規(guī)定,VXI總線印制在主機架背板的多層印刷電路板中,插件與背板上VXI總線用確定的連接器連接,使系統(tǒng)在機械與電氣上相容。由于系統(tǒng)內(nèi)所有的插件都固定在一個或幾個主機架內(nèi),系統(tǒng)有緊湊的整體性和小型便攜性。接口和總線-2(4)靈活性強

VXI總線系統(tǒng)將標準化與靈活性和諧地統(tǒng)一起來,不僅可由一個或幾個插件組成一個器件,也允許一個插件包含一個或多個器件,甚至允許存儲器等器件為多個器件所公用,從而使智能檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更開放,便于組成多CPU的分布式系統(tǒng)。接口和總線-2

對VXI系統(tǒng)的控制,可由主機架外的PC機或聯(lián)于計算機網(wǎng)絡的計算機實施,連接方式可采用RS-232接口或直接采用微機總線。此外,VXI總線為檢測系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)傳輸、中斷、時鐘、觸發(fā)、本地總線、模擬信號線、多種電源線等多種總線,因此,VXI總線系統(tǒng)既適用于數(shù)字儀器,又適用于模擬儀器,還便于傳遞8位、16位、24位、32位等多種形式的數(shù)據(jù)。

VXI系統(tǒng)便于組成"積木"式智能檢測系統(tǒng),易于更換技術(shù)上較陳舊的插件,增添新的插件,保持系統(tǒng)的先進性,實現(xiàn)系統(tǒng)的升級。接口和總線-22．VXI系統(tǒng)的組成

采用VXI總線的智能檢測系統(tǒng)通常稱為VXI系統(tǒng)。每臺主機架構(gòu)成一個VXI子系統(tǒng),每個子系統(tǒng)包含最多13個器件，VXI系統(tǒng)最多可包含256個器件,一個器件是一個單獨的插件,也可根據(jù)系統(tǒng)的實際需要,在一個插件上安放多個器件,或由多塊插件組成一個器件。插件與VXI總線通過連接器連接。接口和總線-2

符合VXI系統(tǒng)要求的插件插入主機架并與連接器接牢后方可工作。插件尺寸有10cm×16cm、23.3cm×16cm、23.3cm×34cm、36.7cm×34cm等幾種。為大尺寸插件設計的主機架,允許插入小尺寸的插件。連接器均為3排,每排32個引腳,因此連接器都是96插腳的DIN接插件。不同尺寸的插件可選用不同的主機架,每臺主機可容納13個插件。接口和總線-2

3．VXI系統(tǒng)的總線結(jié)構(gòu)

在VXI系統(tǒng)中,命令、數(shù)據(jù)、地址和其他信息都是通過總線傳遞。印制在主機箱內(nèi)的背板上的VXI總線通過3個連接器P1、P2、P3與器件相連。VXI系統(tǒng)的總線可分為8種:接口和總線-2圖18VXI總線連接器的總線情況

接口和總線-21)VME計算機總線。

2)時鐘和同步總線。

3)模件識別總線。

4)觸發(fā)總線。

5)相加總線。

6)本地總線。

7)星形總線。

8)電源總線。

3個連接器P1、P2、P3的連接情況如圖18所示。接口和總線-2

4．VXI總線器件與通信

在VXI總線系統(tǒng)中,器件是系統(tǒng)的基本邏輯單元。計算機、計數(shù)器、數(shù)字儀表、信號發(fā)生器、多路開關(guān)、人機接口等,都可作為器件加入VXI總線系統(tǒng)。

VXI總線對所有VXI器件都規(guī)定了一些最基本的功能,可以實現(xiàn)系統(tǒng)和存儲器的自動組態(tài)。接口和總線-2每個VXI器件都有一組"組態(tài)寄存器",系統(tǒng)通過VME總線的連接器P1訪問組態(tài)寄存器,可識別器件的種類、型號、生產(chǎn)廠家、地址空間和存儲器需求等。具有這些基本能力的VXI器件稱為"基于存儲器的器件"。有一類器件除具有組態(tài)寄存器外,還有一組可由系統(tǒng)中其他模塊訪問的通信寄存器,通過使用某種通信協(xié)議,可實現(xiàn)與系統(tǒng)中其他器件的通信,這類器件稱為"基于消息的器件"。接口和總線-2

VXI系統(tǒng)中,ROM、RAM和其他類型的存儲器稱為“存儲器器件”。

VXI器件之間的通信基于器件的分層關(guān)系,相互通信的器件,一個是"命令者",一個是"從者"。單CPU系統(tǒng)中,CPU器件是命令者,其他器件是從者。多CPU系統(tǒng)中,分機需要通過公共接口與主機通信。接口和總線-2七、RS-232C接口

1．概述

RS-232C接口是美國電子工業(yè)協(xié)會1969年公布的一種串行標準接口,已獲得廣泛使用。制訂這種EIARS標準的最初目的是為了促進利用公用電話網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)通信。接口和總線-2

計算機與電話網(wǎng)絡的連接,一般采用調(diào)制解調(diào)器(簡稱MODEM)來實現(xiàn)。調(diào)制解調(diào)器將由邏輯"1"、"0"表示的一系列高、低電壓轉(zhuǎn)換為相應的高、低頻率信號；在通信設備的另一端,另一個調(diào)制解調(diào)器將頻率變回一系列的高、低電壓,由此可實現(xiàn)計算機與電話網(wǎng)絡的相容。接口和總線-2

利用PC機上網(wǎng)(如國際互聯(lián)網(wǎng)INTERNET)實現(xiàn)遠距離訪問,需要使用調(diào)制解調(diào)器,通過電話網(wǎng)進行遠距離的信息交換。近距離范圍內(nèi),PC機與PC機、智能檢測系統(tǒng)的分機與PC機(主機)間的通信,可不必使用調(diào)制解調(diào)器,而采用RS-232C接口。因為一般微型計算機(PC機、工控機)都配備有RS-232串行通信接口,所以在智能檢測系統(tǒng)中采用RS-232串行通信是一種最簡便的通信方式。接口和總線-2RS-232C接口使用25針D型轉(zhuǎn)插,定義了20條可以同外界聯(lián)系的信號線,并對它們的功能作了具體的規(guī)定。常用的信號線如表5所示。

接口和總線-2表5常用的RS-233C接口信號接口和總線-2RS-232接口的標準電平與TTL和CMOS電平不同,在負載為3~7k時,RS-232C接口對開關(guān)電平的規(guī)定是:

(1)驅(qū)動器的輸出電平

邏輯"0":+5~+15V(或+25V)

邏輯"1":-5~-15V(或-25V)接口和總線-2

(2)接收器的輸入檢測電平邏輯"0":>+3V邏輯"1":<-3VRS-232接口的通信波特率可選用50、75、150、300、600、1200、2400、4800、9600或19200。接口和總線-2

2．RS-232C串行通信數(shù)據(jù)格式

RS-232C串行通信數(shù)據(jù)格式有以下兩種:

(1)9位數(shù)據(jù)傳送方式

如圖19a所示,這種方式將所有的數(shù)據(jù)全轉(zhuǎn)變?yōu)锳SCII字符傳送,每個ASCII字符采用9位或10位傳送,第1位是起始位0,第2至第8位為ASCII字符位,第9位為奇偶校驗位,第10位為結(jié)束位。其中起始位和結(jié)束位用于校準發(fā)送裝置、接收裝置的局部時鐘同步,使中間的每一位都能被正確地接收;奇偶校驗位用于通信出錯奇偶校驗;ASCII字符位即傳送的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳送時,最低位先發(fā)送。接口和總線-2(2)11位數(shù)據(jù)傳送方式

如圖19b所示,這種方式將所有的數(shù)據(jù)用二進制代碼方式傳送,傳送的第1位是起始位0,第2至第9位為二進制數(shù)據(jù),第10位為奇偶校驗位或多機通信位,第11位為結(jié)束位。多機通信位用于多機通信時區(qū)分傳送數(shù)據(jù)與分機地址。接口和總線-2圖19RS-232C數(shù)據(jù)傳輸形式

a)9位數(shù)據(jù)傳送方式b)11位數(shù)據(jù)傳送方式

接口和總線-23．單片機與PC機之間的RS-232C串行通信接口

單片機與PC機之間的RS-232C串行通信接口需要完成電平移位、轉(zhuǎn)換和信號反向任務。智能檢測系統(tǒng)采用的RS-232C接口可利用單片機的串行口再加上RS-232C接口電平轉(zhuǎn)換及驅(qū)動芯片發(fā)送(如MC1488)和接收(如MC1489),如圖20所示.接口和總線-2圖20單片機與PC機間的RS-232C

通信接口接口和總線-2

實際使用時,單片機的串行口都工作在1、2、或3方式,傳輸數(shù)據(jù)格式為9位,由四TXD端發(fā)送,RXD端接收。此時,定時/計數(shù)器1作為波特率發(fā)生器,工作于自動重裝載方式。接口和總線-24．自帶電源的集成RS-232C接口電路

圖20所示的RS-232C接口需要多塊芯片,需要外接+12V電源,硬件結(jié)構(gòu)復雜。為方便用戶使用,MOTOROLA、MAXIM、INTERSIL等公司相繼推出了MC145407(MC145406)、MAXI232、ICL232等新型RS-232器件。這些器件在芯片內(nèi)部設置有電源變換電路,可以將+5V電源電壓變換成+10V電源,用于RS-232C通信。這些器件的最大優(yōu)點還在于將驅(qū)動與接收電路集成在同一芯片上,使用十分方便。

接口和總線-2八、現(xiàn)場總線

1．現(xiàn)場總線的特點

在計算機測控系統(tǒng)發(fā)展的初期,由于計算機技術(shù)尚不發(fā)達,計算機價格昂貴,人們企圖用一臺計算機取代控制室的幾乎所有的儀表,出現(xiàn)了集中式數(shù)字測控系統(tǒng)。但這種測控系統(tǒng)可靠性差,一旦計算機出現(xiàn)故障,就會造成整個系統(tǒng)癱瘓。隨著計算機可靠性的提高,價格的大幅度下降,出現(xiàn)了集中、分散相結(jié)合的集散測控(DCS)系統(tǒng)。接口和總線-2

在DCS系統(tǒng)中,由測量傳感器、變送器向計算機傳送的信號為模擬信號,下位計算機和上位計算機之間傳遞的信號為數(shù)字信號,所以它是一種模擬數(shù)字混合系統(tǒng)。這種系統(tǒng)在功能和性能上有了很大的提高,曾被廣泛采用。然而隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展,控制、管理水平及通信技術(shù)的提高,相對封閉的DCS系統(tǒng)已不能滿足需要。接口和總線-2

現(xiàn)場總線是20世紀90年代初興起的一種先進工業(yè)測控技術(shù),與DCS相比有許多優(yōu)點。它是一種全數(shù)字化、全分散式、全開放、多點通信的底層控制網(wǎng)絡,是計算機技術(shù)、通信技術(shù)和測控技術(shù)的綜合及集成。接口和總線-2

儀表的智能化是現(xiàn)場總線的基礎,帶有微處理器的儀表具有復雜的計算功能,能夠把原DCS系統(tǒng)中處于控制室中的信號處理和控制功能分散到生產(chǎn)現(xiàn)場,從而實現(xiàn)測控系統(tǒng)的全分散性，簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),提高了系統(tǒng)的可靠性?，F(xiàn)場設備的智能化使設備具有了數(shù)字通信的能力,同原DCS系統(tǒng)中現(xiàn)場儀表與控制室的信號傳遞為0~10mA,4~20mA及1~5V模擬信號相比具有更強的抗干擾能力,并為信息的遠程傳送創(chuàng)造了條件。接口和總線-2

現(xiàn)場總線的接線十分簡單,一對雙絞線或一條電纜上通?？蓲旖佣鄠€設備,因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少,連線設計與接頭校對的工作量也大為減少。當需要增加現(xiàn)場控制設備時,無需增設新的電纜,可就近連接在原有的電纜上,既節(jié)省了投資,也減少了設計、安裝工作量。接口和總線-2

因為現(xiàn)場總線產(chǎn)品都符合統(tǒng)一的標準,用戶可以自由選擇不同廠家的設備來集成系統(tǒng),不會為系統(tǒng)集成過程中不兼容的協(xié)議、接口而花費大量精力,使系統(tǒng)集成的主動權(quán)掌握在用戶手中。接口和總線-22．現(xiàn)場總線協(xié)議模型

要使不同廠家的計算機設備接入同一系統(tǒng)進行互聯(lián)操作,就必須有一套對接口、服務協(xié)議的規(guī)范要求。為此,國際標準化組織ISO制定了開放系統(tǒng)互連的分層模型(OpenSystmInterconnection),簡稱OSI參考模型。OSI參考模型為不同廠家的計算機互連提供了一個共同的基礎和標準框架,并為保持相關(guān)標準的一致性和兼容性提供共同的參考。一個系統(tǒng)是開放的,是指它可以與世界上任何地方的遵守相同標準的其他系統(tǒng)通信。接口和總線-2OSI參考模型將開放系統(tǒng)的通信功能劃分為七個層次,將相似的功能集中在同一層中,功能差別較大的則分層處理,每層只對相鄰的上下層定義接口。每一層的功能是獨立的,它將利用下一層提供的服務,并對上一層提供服務。當引入新技術(shù)或增加新功能時,則可把由通信功能擴充、變更所帶來的影響限制在有關(guān)的層內(nèi),而不必改動全部協(xié)議。接口和總線-2

如圖21所示,OSI的七個層次分別為:物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。通常,物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡層功能稱為低層功能,即通信傳送功能。傳輸層、會話層、表示層和應用層功能稱為高層功能,即通信處理功能。接口和總線-2圖21ISO/OSI參考模型

接口和總線-2

現(xiàn)場總線中運用較多的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層的功能簡介如下:

（1）物理層協(xié)議

物理層協(xié)議是網(wǎng)絡中的最底層協(xié)議,它為互連的物理設備提供了物理接口,完成物理連接和傳輸通路的建立,為通過物理連接的數(shù)據(jù)鏈路實體之間提供透明的位流傳輸。接口和總線-2物理層規(guī)定了接口的機械特性(連接器的形狀、尺寸、連接器的引腳數(shù)量及其排列情況)、電器特性(線路上電平的高低、阻抗及阻抗匹配、傳輸速率及距離限制)、功能特性(信號線的功能分配和定義)及規(guī)程特性(各信號線的工作規(guī)則和時序)。

以前討論的RS-232C標準就是物理層接口協(xié)議。常用的物理層接口協(xié)議還有:RS-422,RS-485等。接口和總線-2（2）數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議

數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議用來處理有物理連接的站點間的通信工作,它的主要功能有:數(shù)據(jù)鏈路的建立和拆除、信息傳輸、傳輸差錯控制及異常情況處理。

發(fā)送方數(shù)據(jù)鏈路層的具體工作是接收來自高層的數(shù)據(jù),并將其加工成幀,然后經(jīng)物理通道將幀發(fā)送給接收方,如圖22所示。接口和總線-2圖22數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議工作圖接口和總線-2幀包含頭、尾、控制信息、數(shù)據(jù)、校驗和等部分,校驗和、頭、尾部分一般由發(fā)送設備的硬件實現(xiàn),數(shù)據(jù)鏈路層不必考慮其實現(xiàn)方法。當幀到達接收站時,首先檢查校驗和。若校驗和錯,則向接收計算機發(fā)出校驗和錯的中斷信息;若校驗和正確,確認無傳輸錯誤,則向接收計算機發(fā)送幀正確到達信息,接受方的數(shù)據(jù)鏈路層應檢查幀中的控制信息,確認無誤后,才能將數(shù)據(jù)送往高層。接口和總線-2（3）應用層協(xié)議

應用層是OSI模型的最高層,用來實現(xiàn)系統(tǒng)應用管理進程和用戶應用進程。系統(tǒng)應用管理進程用以管理系統(tǒng)資源,如優(yōu)化分配系統(tǒng)資源和控制資源的使用等。用戶應用進程由用戶的要求決定。通常的應用有數(shù)據(jù)庫訪問、分布計算和分布處理等。通用的應用程序有電子郵件、事務處理、文件傳輸協(xié)議和作業(yè)操作協(xié)議等。接口和總線-2

現(xiàn)場總線是面對工業(yè)現(xiàn)場的底層控制網(wǎng)絡,針對大量的傳感器、控制器、執(zhí)行器等,一般信息量不大,信息傳輸?shù)娜蝿障鄬Ρ容^簡單,但實時性、快速性的要求較高。為了低成本和高速度,減少一些層間的復雜操作和轉(zhuǎn)化,現(xiàn)場總線采用的通信模型大都在OSI模型的基礎上進行了不同程度的簡化。接口和總線-2典型的現(xiàn)場總線協(xié)議模型采用了OSI模型中的三個典型層:物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層,省去了中間的3~6層?；蚋鶕?jù)現(xiàn)場總線的特點增設了一個其它功能層(如用戶層或現(xiàn)場總線訪問子層等)。

目前各類現(xiàn)場總線產(chǎn)品有上百種之多,這里僅選最具影響的三種予以簡單介紹。

接口和總線-2

3．PROFIBUS總線

PROFIBUS是(ProcessFieldbus)的簡稱。它是一種國際化的、開放的、不依賴于設備生產(chǎn)廠商的現(xiàn)場總線標準,由十三家工業(yè)企業(yè)及五家研究所歷時兩年多完成的。90年代初被定為德國國家標準(DIN19245),1998年又成為歐洲標準(EN50170)。接口和總線-2PROFIBUS協(xié)議將網(wǎng)絡站點分為主站和從站。主站間以傳遞令牌的方式輪流掌握總線控制權(quán),主站與從站間的數(shù)據(jù)通信由主站決定,當主站得到總線的控制權(quán)(令牌)時,沒有外界請求也可以主動發(fā)送信息。從站為外圍設備,他們沒有總線控制權(quán),僅對接收到的信息給以確認或當主站發(fā)出請求時向它發(fā)出信息。

接口和總線-2

根據(jù)EN50170標準,PROFIBUS具有三種形式,即PROFIBUS-DP,PROFIBUS-PA,PROFIBUS-FMS,它們分別適用于不同的領域,但這三種形式使用的是統(tǒng)一的總線訪問協(xié)議。接口和總線-2①PROFIBUF-DP(DecentralizedPeriphery分散型外圍設備)。這是一種適用于進行高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ胚B接,它是專門為自動化系統(tǒng)與在設備級分散的I/O之間進行通信而設計的。它可取代24V或0~20mA測量值的傳輸,并具有非常短的響應時間和極高的抗干擾性能。接口和總線-2②PROFIBUS-PA(ProcessAutomation過程自動化)。這是一種適用于過程自動化的形式,它可以使傳感器和執(zhí)行器接在一根共用的總線上,根據(jù)IEC1158-2國際標準,PROFIBUS-PA采用雙線進行總線供電和數(shù)據(jù)通信。由于應用了本質(zhì)安全傳輸技術(shù),因此,PROFIBUS-PA可以方便地運用于許多對安全性要求較高的場合。接口和總線-2③PROFIBUS—FMS(FieldbusMessageSpecification現(xiàn)場總線報文規(guī)范)。這是一種工業(yè)通信層次結(jié)構(gòu),用來解決車間級的通信任務,功能強大的FMS(現(xiàn)場總線報文規(guī)范),向用戶提供了廣闊的應用范圍和更大的靈活性,同時PROFIBUS-FMS還具有更加強大的數(shù)據(jù)通信功能。接口和總線-2PROFIBUS協(xié)議遵循ISO/OSI模型,其通信模型由三層構(gòu)成:物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層,其結(jié)構(gòu)如圖23所示。其中PROFIBUS-DP使用了第1層、第2層和用戶接口,第3層到第7層未加定義,這種結(jié)構(gòu)確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖傩?用戶接口規(guī)定了用戶、系統(tǒng)以及不同設備可調(diào)用的應用功能,并提供了RS485傳輸技術(shù)和光纖傳輸技術(shù)。接口和總線-2PROFIBUS-PA采用擴展的"PROFIBUS-DP"協(xié)議,并采用了描述現(xiàn)場設備行為的PA行規(guī),使用分段式耦合器,可以方便的將PROFIBUS-PA設備集成到PROFIBUS-DP網(wǎng)絡中。PROFIBUS-FMS使用了ISO/OSI模型的第1層、第2層和第7層,應用層包括現(xiàn)場總線報文規(guī)范(FMS)和底層接口(LLI),第2層(FDL)可完成總線存取控制和數(shù)據(jù)的可靠傳輸,它還為PROFIBUS-FMS提供RS485和光纖傳輸技術(shù)。接口和總線-2圖23PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)接口和總線-2

當PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS使用RS485傳輸技術(shù)時,傳輸介質(zhì)為雙絞線,帶轉(zhuǎn)發(fā)器最多可接127個站點,波特率9.6kb/s~12Mb/s。在電磁干擾很大的環(huán)境下應用PROFIBUS系統(tǒng)時可使用光纖以增加傳輸?shù)木嚯x。許多廠商提供專用的總線插頭可進行RS485信號和光纖信號的轉(zhuǎn)換。接口和總線-2PROFIBUS-PA使用IEC1158-2傳輸方式,其通信速率為31.25kbps,最大距離1.9km,每一段上可連接的儀表臺數(shù)≤32(決定于所接入總線儀表設備的耗電量和應用的最大總線電流),可采用DP/PA耦合器使RS485信號和IEC1158-2信號適配。圖24為PROFIBUS現(xiàn)場總線的連接結(jié)構(gòu)圖。接口和總線-2圖24PROFIBUS現(xiàn)場總線典型結(jié)構(gòu)圖接口和總線-2

4．基金會現(xiàn)場總線(FF)

基金會現(xiàn)場總線是由現(xiàn)場總線基金會(FieldbusFoundation)組織開發(fā)的。它是為適應自動化系統(tǒng),特別是過程自動化系統(tǒng)在功能、環(huán)境與技術(shù)上的需要而設計的。得到了世界上主要自動控制設備供應商的廣泛支持,在北美、亞太、歐洲等地區(qū)具有較強的影響。其通信模型由四層構(gòu)成,采用了ISO/OSI參考模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層并增加了一層——用戶層(如圖25所示)。接口和總線-2圖25FF現(xiàn)場總線模型與OSI接口和總線-2FF現(xiàn)場總線的物理層遵循IEC1158-2和ISA-S50.02中有關(guān)物理層的標準,定義了兩種速率的總線,波特率為31.25kbps的稱為H1(低速)標準。波特率為1Mbps和2.5Mbps的稱為H2標準。H1支持總線型和樹型拓撲結(jié)構(gòu),每段節(jié)點數(shù)最多為32個,傳輸距離為0.2km~1.9km,可采用總線供電,支持本質(zhì)安全。H2支持總線型拓撲結(jié)構(gòu),每段節(jié)點數(shù)最多為124個,傳輸距離為750m。H1和H2之間通過網(wǎng)橋互連。FF現(xiàn)場總線支持雙絞線、電纜、光纜、和無線電等多種傳輸介質(zhì)。圖26為FF現(xiàn)場總線的拓撲結(jié)構(gòu)圖。接口和總線-2圖26FF現(xiàn)場總線的拓撲結(jié)構(gòu)圖接口和總線-2FF現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)鏈路層完成總線通信中的鏈路活動調(diào)度,數(shù)據(jù)的接收發(fā)送,活動狀態(tài)的探測、響應,總線上各設備間的鏈路時間同步等工作。每一段總線上有一個鏈路活動調(diào)度器LAS。鏈路活動調(diào)度器LAS擁有總線上設備的清單,由它來掌握總線上各設備對總線的操作。接口和總線-2任何時刻每個總線段上只有一個鏈路主設備(有能力成為LAS的設備)為鏈路活動調(diào)度器,由它調(diào)度網(wǎng)絡站點間的周期和非周期通信。FF現(xiàn)場總線提供的數(shù)據(jù)傳輸方式有:無連接數(shù)據(jù)傳輸、發(fā)行數(shù)據(jù)定向連接傳輸和請求/響應數(shù)據(jù)定向連接傳輸。接口和總線-2FF現(xiàn)場總線的應用層分為現(xiàn)場總線訪問子層FAS和現(xiàn)場總線信息規(guī)范子層FMS。FAS的基本功能是確定數(shù)據(jù)訪問的關(guān)系模型和規(guī)范,FAS提供三種虛擬通信關(guān)系:客戶/服務器虛擬通信關(guān)系、報告分發(fā)虛擬通信關(guān)系和發(fā)布/預定接收型虛擬通信關(guān)系?，F(xiàn)場總線信息規(guī)范子層FMS規(guī)定了訪問應用進程的報文格式及服務。接口和總線-2FF現(xiàn)場總線的用戶層規(guī)定了標準的功能模塊、對象字典和設備描述,供用戶組成所需要的應用程序,并實現(xiàn)網(wǎng)絡管理和系統(tǒng)管理。用戶層規(guī)定了29個標準的功能模塊,其中10個為基本功能塊,另19個是為先進控制規(guī)定的標準附加功能塊。接口和總線-2

5．LONWORKS總線

LONWORKS總線是美國Echelon公司于1991年推出的技術(shù)和產(chǎn)品,為新一代的智能化低成本現(xiàn)場測控產(chǎn)品。主要應用于工業(yè)自動化、機械設備控制等領域,是當前最為流行的現(xiàn)場總線之一。接口和總線-2LONWORKS采用LONTALK通信協(xié)議,該協(xié)議遵循ISO/OSI參考模型,它提供了OSI所定義的全部7層服務,使其具有很強的網(wǎng)絡功能,被譽為通用控制網(wǎng)絡,這在所有現(xiàn)場總線中是獨一無二的。其各層的作用及所提供的服務如圖27所示。接口和總線-2圖27LONWORKS模型接口和總線-2LONWORKS技術(shù)的核心是Neuron(神經(jīng)元)芯片。它內(nèi)含3個8位CPU,一個CPU為介質(zhì)訪問控制處理器,處理LONTALK協(xié)議的第一層和第二層。一個CPU為網(wǎng)絡處理器,實現(xiàn)LONTALK的第3層到第6層的功能。另一個CPU為應用處理器,執(zhí)行用戶的程序及用戶程序所調(diào)用的操作系統(tǒng)服務。這樣在一個神經(jīng)元芯片上就能完成網(wǎng)絡和控制功能。LONWORKS給使用者提供一個完整的開發(fā)平臺,包含有節(jié)點開發(fā)工具NodeBuilder和網(wǎng)絡管理工具LonBuilder及網(wǎng)絡開發(fā)語言NeuronC等。接口和總線-2LONWORKS的物理層采用RS485通信標準,總線可以根據(jù)不同的現(xiàn)場環(huán)境選擇不同的收發(fā)器和介質(zhì),傳輸介質(zhì)可以是:電源線、雙絞線、同軸電纜、光纜、無線電和紅外線。使用雙絞線時的最高傳輸速率為1.25Mbit/s,最大傳輸距離為1.2km。LONWORKS可以構(gòu)成總線型、星型、環(huán)型和混合型等典型的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),能實現(xiàn)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的自由組合,可以通過網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)不同現(xiàn)場總線的互聯(lián)。圖28為采用LONWORKS現(xiàn)場總線構(gòu)成的工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡。接口和總線-2圖28LONWORKS現(xiàn)場總線網(wǎng)絡接口和總線-2

綜上所述,各類現(xiàn)場總線都有各自的特點,鑒于現(xiàn)場總線的國際統(tǒng)一標準尚未出臺,那么,在選用現(xiàn)場總線產(chǎn)品時,應根據(jù)自己的要求和實際情況(如:規(guī)模的大小、環(huán)境條件、傳輸信號情況及現(xiàn)場設備情況等),結(jié)合各種現(xiàn)場總線的特色來合理選擇產(chǎn)品。接口和總線-2九、數(shù)據(jù)采集接口

一個微型計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖29所示,它的輸入信號分為模擬信號和數(shù)字信號兩類。模擬信號是由模擬類的傳感器輸出的信號經(jīng)放大調(diào)理后得到的,數(shù)字信號則是由數(shù)字類傳感器輸出的數(shù)字信號或開關(guān)信號得到的。本節(jié)主要討論兩方面的內(nèi)容:①數(shù)據(jù)采集的輸入緩沖電路。②可編程的輸入輸出電路。接口和總線-2圖29微型計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖接口和總線-2

1．數(shù)字信號的采集

由于數(shù)據(jù)采集接口是直接掛在計算機總線上的,所以要求該接口保證只有在計算機讀取其信號時接口與總線接通,而其它時間接口都必須與總線斷開,以確保計算機能正常工作。輸入接口一般采用三態(tài)緩沖器或帶有鎖存器的三態(tài)緩沖器。圖30所示是采用三態(tài)緩沖器74LS244的輸入接口電路。當片選信號為高電平時,三態(tài)緩沖器為高阻狀態(tài),總線與接口相當于斷開。當片選信號為低電平時,三態(tài)緩沖器將輸入數(shù)據(jù)送給總線。接口和總線-2圖30用緩沖器構(gòu)成的輸入接口接口和總線-2

計算機通過輸出接口把命令和一些經(jīng)過處理后的信息送給外部設備。由于計算機的寫周期非常短,信息出現(xiàn)在總線上的時間一般只有幾百個毫微秒。因此輸出接口必須采用數(shù)據(jù)鎖存器,使計算機輸出的數(shù)據(jù)保存足夠長的時間以滿足外部設備的取用。一般鎖存器具有很高的輸入阻抗,所以不必再考慮其與總線的隔離。接口和總線-2

圖31是采用鎖存器74LS373作為數(shù)字信號的輸出接口。74LS373內(nèi)部是八個D觸發(fā)器,觸發(fā)器的時鐘連接在一起作為鎖存器的片選信號。當片選信號為高電平時,計算機輸出的數(shù)字通過總線寫入鎖存器。當片選信號為低電平時,鎖存器保持原來的數(shù)據(jù)不變。接口和總線-2圖31用鎖存器構(gòu)成的輸出接口接口和總線-2

可編程的并行輸入輸出接口芯片,是微機接口中最常用的芯片,它們的特點是硬件連接簡單,接口功能強,使用靈活。

圖32是Intel公司生產(chǎn)的8255A可編程并行輸入輸出接口芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。它由三部分組成:

接口和總線-2圖328255A內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖接口和總線-2

（1）與微機接口部分

通過數(shù)據(jù)緩沖器與數(shù)據(jù)總線相連,緩沖器是一個8位雙向三態(tài)緩沖器。所有的輸入輸出數(shù)據(jù)以及對8255發(fā)出的控制字和從8255讀入的狀態(tài)信息,都是通過這個緩沖器傳送的。(讀)、

(寫)、(片選)及RESET為系統(tǒng)控制信號線。接口和總線-22）與外設的接口部分

這一部分共有三個8位的端口:A口、B口和C口,其中C口又可分為C口上半部和C口下半部。A,B和C三個端口的工作模式可通過程序來選擇,分別是模式0、模式1和模式2。

模式0:為基本的輸入輸出工作模式。這種方式不需要選通信號。任何一個端口都可以通過編程設定為輸入或輸出端口,作為輸入端口時都有三態(tài)緩沖器功能,作為輸出端口時,都有數(shù)據(jù)鎖存器功能。接口和總線-2

模式1:為應答式輸入輸出工作模式。A口和B口作為8位輸入或輸出端口,C口作為A口和B口輸入輸出的應答信號。

模式2:為應答式雙向輸入輸出工作模式。此時A口作為雙向輸入輸出端口,C口中的5位作為相應的應答信號,余下的B口和C口仍可處于模式0工作方式。接口和總線-2

（3）邏輯控制部分

8255的編程選擇是將控制字寫入控制寄存器來實現(xiàn)的。

8255A可編程并行輸入輸出接口芯片的具體使用方法可參閱有關(guān)微機原理及接口方面的書籍。接口和總線-2

2.模擬信號的采集

將模擬信號送給計算機進行處理,必須先對模擬信號進行模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換,將連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號。

當系統(tǒng)要對多路模擬信號進行采集時,如果不要求高速采樣,一般選用公用的采樣/保持器、放大器及A/D轉(zhuǎn)換器等,對各路模擬量進行分時采集,以簡化電路,降低成本。為此需要使用多路模擬開關(guān),輪流把各路模擬信號與測量通道接通,從而實現(xiàn)分時采集。接口和總線-2