《智能儀表原理與設(shè)計》課件第五章（一）

本章主要內(nèi)容一、概述二、多單片機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與通信三、智能儀表的對外通信與標準總線四、現(xiàn)場總線與智能儀表五、TCP/IP協(xié)議與智能儀表上網(wǎng)一、概述

微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展→逐步形成了多微機測量、控制系統(tǒng)→深入到計算機網(wǎng)絡(luò)。在智能儀表方面則形成了多微處理器（多單片機）結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法→現(xiàn)場總線、PXI和VXI總線方向的發(fā)展分支。多微機測量、控制系統(tǒng)：一般指由多個微機按分級結(jié)構(gòu)組成的系統(tǒng)。（又稱為集散系統(tǒng)）核心：下級儀表、控制站、操作站、數(shù)據(jù)庫計算機網(wǎng)絡(luò)：計算機技術(shù)與通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。特點：各自獨立、資源共享現(xiàn)場總線（Fieldbus）：現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的集成。節(jié)點：智能現(xiàn)場儀表或設(shè)備一、概述

共同特點在多微處理器連接構(gòu)成的智能儀表中，各微處理器有：統(tǒng)一的目標各自的分工任務(wù)各自的應(yīng)用程序和時鐘、復位電路獨立的存儲器和I/O接口不一定都有外部設(shè)備多微處理器系統(tǒng)必須具備的技術(shù)－－通信一、概述

多微處理器系統(tǒng)與單CPU系統(tǒng)比較，具有:優(yōu)越性一、概述

較高的工作速度便于設(shè)計和修理較高的可靠性性能價格比高二、多單片機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與通信

多單片機系統(tǒng)指單板（或多板）情況下，多單片機互連通信，交換數(shù)據(jù)，分工協(xié)作完成總體任務(wù)的系統(tǒng)。多單片機互連形式多種多樣，通信協(xié)議不對外開放，通信形式與互連形式又是密切關(guān)聯(lián)的。單片機串行口直接連接式圖5.1兩單片機串口直連通信1.幾種常見的互連形式TTL電平單極性不歸零編碼

二、多單片機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與通信

SPI總線連接與通信式圖5.2兩單片機以SPI總線連接通信顯然，在這種一對一的通信中，一個單片機將扮演主機的角色，一個單片機則扮演外設(shè)的角色。二、多單片機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與通信

1.幾種常見的互連形式多端口存儲器連接式圖5.3多端口存儲器連接式多端口存儲器周期方式訪問不同于共享總線式系統(tǒng)中的共享存儲器（公共存儲器）二、多單片機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與通信

1.幾種常見的互連形式共享總線式

圖5.5共享總線結(jié)構(gòu)多單片機系統(tǒng)并行式結(jié)構(gòu)，各單片機在定義之前是完全平等的關(guān)系，沒有固定的主從關(guān)系。單共享總線式和多共享總線式集中式和分散式訪問控制

二、多單片機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與通信

1.幾種常見的互連形式并口連接式

圖5.7多單片機并口連接通信例二、多單片機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與通信

1.幾種常見的互連形式2.多單片機系統(tǒng)的通信

1.多端口存儲器結(jié)構(gòu)的多單片機系統(tǒng)只能依靠多端口存儲器進行通信聯(lián)系，各單片機可同時訪問，一般不能同時讀或?qū)懲粏卧瑳_突由多端口存儲器邏輯電路解決。2.共享總線的多單片機系統(tǒng)必須利用公共總線管理總線使用權(quán)的主要方法為：

(1)同步式(2)異步式(3)自控式

應(yīng)解決的問題有：

(1)提供通信線路(2)解決競爭

(3)排隊等候二、多單片機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與通信

3.在有公共存儲器CRAM的多單片機系統(tǒng)中，開辟一部分公共內(nèi)存區(qū)域作為各單片機之間進行信息交換的集散處（中轉(zhuǎn)區(qū)），用于存放各單片機向其它單片機發(fā)送的信息，供其它單片機查收，就可以實現(xiàn)各單片機之間的通信。圖5.8共享存儲器的信箱結(jié)構(gòu)二、多單片機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與通信

2.多單片機系統(tǒng)的通信

三、智能儀表的對外通信與標準總線

智能儀表與控制站、操作站之間要進行通信，與一些外部設(shè)備之間也要進行通信，必須使用標準接口總線，并盡可能開放通信協(xié)議。

不同于多單片機系統(tǒng)多單片機系統(tǒng)的通信協(xié)議不對外開發(fā)1.數(shù)據(jù)通信概念單工、半雙工、全雙工傳輸方式基帶傳輸和寬帶傳輸異步與同步傳輸傳輸速度信道容量調(diào)制與解調(diào)（頻率多路和時間多路）

基本概念：數(shù)據(jù)通信三層：信號層、知識層、物理層

三、智能儀表的對外通信與標準總線

2.接口總線概述

總線分為并行總線和串行總線兩種形式，統(tǒng)稱為外總線。接口總線是接口和總線的總稱，也常常簡稱為總線。

應(yīng)用比較廣泛的接口總線標準有：并行接口總線：CAMAC(IEEE-583)、GP-IB(IEEE-488)串行接口總線：RS-232C、RS-422、RS-423、RS-485、USB

按作用歸納為以下幾點：數(shù)據(jù)線和地址線控制、聯(lián)絡(luò)、時序和中斷信號線電源線和地線備用線

三、智能儀表的對外通信與標準總線

3.RS-232C串行接口總線標準

接插件

EIA規(guī)定RS-232C采用一種DB-25型的25芯插頭插座作為接插件，如圖5.10所示。在25個管腳中，20個連接完整的RS-232C信號線，保留3個管腳備用，還有兩個未定義。最常用的只有9個引腳。當只用9個引腳時，可用DB-9型接插件。最簡單的全雙工串行通信往往只用三條導線：一條發(fā)送、一條接收、一條信號地。對應(yīng)的接插件可以用三線插頭座。

三、智能儀表的對外通信與標準總線

接插件圖5.10RS-232C引腳分配圖3.RS-232C串行接口總線標準

三、智能儀表的對外通信與標準總線

DB-25實物電平轉(zhuǎn)換

微處理器及其它很多設(shè)備都通用TTL電平，RS-232C的電平信號不能直接與TTL電平的信號連接，因此要進行電平轉(zhuǎn)換（使用專用轉(zhuǎn)換芯片）。

RS-232C引腳2和3使用負邏輯，即+5～+15V之間的正電壓表示邏輯“0”

而-5～-15V之間的負電壓表示邏輯“1”

三、智能儀表的對外通信與標準總線

3.RS-232C串行接口總線標準

圖5.12電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232原理圖電平轉(zhuǎn)換

三、智能儀表的對外通信與標準總線

3.RS-232C串行接口總線標準

MAX232實物串/并轉(zhuǎn)換接口

除了電平轉(zhuǎn)換以外，接口電路的主要任務(wù)是完成發(fā)送前從并行到串行的轉(zhuǎn)換，接收后從串行到并行的轉(zhuǎn)換，并產(chǎn)生中斷。

目前流行的單片機（如MCS-51、8096系列單片機）已在內(nèi)部集成了串行功能的接口，可以完成串/并轉(zhuǎn)換和中斷控制，并有多種工作方式，只需在外部配電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動接口電路即可。

三、智能儀表的對外通信與標準總線

3.RS-232C串行接口總線標準

表5.2RS-232C總線性能概要歸納：

三、智能儀表的對外通信與標準總線

3.RS-232C串行接口總線標準

圖5.13RS-232C、RS-422、RS-423的驅(qū)動連接方式比較RS-232C傳送單端電壓信號，傳輸距離短。

RS-422和RS-423總線采用差分輸入，有較強的抗噪聲干擾能力，使得有較長的傳輸距離。

RS-422和RS-423的差別在于平衡式差分傳輸和不平衡式差分傳輸。

RS-423差分接收而單端發(fā)送，發(fā)送與RS-232C兼容。

三、智能儀表的對外通信與標準總線

4.RS-422、RS-423、RS-485接口總線標準

表5.3RS-422、RS-423電氣特性4.RS-422、RS-423、RS-485接口總線標準

三、智能儀表的對外通信與標準總線

為了減少通信信號線，又產(chǎn)生了目前廣泛應(yīng)用的RS-485接口總線標準。它實際上是RS-422的變型。

RS-485可以高速遠距離傳輸，抗干擾能力強，又便于多點互聯(lián)，是目前應(yīng)用十分廣泛的一種只能儀表外總線標準。

三、智能儀表的對外通信與標準總線

4.RS-422、RS-423、RS-485接口總線標準

5.USB接口總線

USB總線具有以下特點：

易用性廣泛性靈活性容錯性“即插即用”

性價比高USB(UniversalSerialBus)即通用串行總線。

三、智能儀表的對外通信與標準總線

USB標志

圖5.15USB總線拓撲結(jié)構(gòu)圖USB主機USB設(shè)備USB連接USB系統(tǒng)分為三部分5.USB接口總線

三、智能儀表的對外通信與標準總線

USB系統(tǒng)通過一種四線的電纜傳送信號和電源。分兩種數(shù)據(jù)傳輸模式：

12Mbps高速信號模式

1.5Mbps低速信號模式圖5.16USB電纜及信號VBUS，GND兩條線用來向USB設(shè)備提供電源，VBUS的電壓為+5V，D+、D-為差分信號線。5.USB接口總線

三、智能儀表的對外通信與標準總線

USB是一種輪詢方式的總線，主機控制器初始化所有的數(shù)據(jù)傳送。

每次傳送開始，主機控制器將發(fā)送一個描述傳輸?shù)牟僮鞣N類、方向、USB設(shè)備地址和端口號的USB數(shù)據(jù)包，被稱為標記包。標記包（PID,PacketIdentifier）

傳輸開始時，由標記包來設(shè)置數(shù)據(jù)的傳輸方向，然后發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)包，接收端則發(fā)送一個對應(yīng)的握手數(shù)據(jù)包以表明是否傳送成功。5.USB接口總線

協(xié)議介紹：

三、智能儀表的對外通信與標準總線

發(fā)送端和接收端之間的USB傳輸，有兩種類型的信道：流通道和消息信道。

消息數(shù)據(jù)采用USB所定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、信道與數(shù)據(jù)帶寬。5.USB接口總線

數(shù)據(jù)流：

三、智能儀表的對外通信與標準總線

四種基本的數(shù)據(jù)傳送類型：控制傳送批傳送中斷傳送同步傳送USB的帶寬可容納多種不同數(shù)據(jù)流，因此可連接大量設(shè)備，可容納從1B+D（64kbps+16kbps）到T1（1.5Mbps）速率的通信設(shè)備，而且USB支持在同一時刻的不同設(shè)備具有不同的傳輸速率，并可動態(tài)變化。應(yīng)用層USB邏輯設(shè)備層USB總線接口層

數(shù)據(jù)流分為四層：5.USB接口總線

數(shù)據(jù)流：

三、智能儀表的對外通信與標準總線

多種數(shù)據(jù)傳輸機制，如使用差分驅(qū)動、接收，以提高抗干擾能力；

使用循環(huán)冗余碼，以保證信息的完整性；

進行外設(shè)裝卸的檢測和系統(tǒng)資源的設(shè)置，對丟失和損壞的數(shù)據(jù)包暫停傳輸，利用協(xié)議自我恢復，以建立數(shù)據(jù)控制信道，從而使功能部件避免了相互影響。

5.USB接口總線

容錯性：

三、智能儀表的對外通信與標準總線

USB設(shè)備有兩類集線器集線器內(nèi)部包括集線控制器和集線再生器兩部分構(gòu)成。功能部件功能部件是通過總線進行發(fā)送、接收數(shù)據(jù)或控制信息的USB設(shè)備，由一根電纜連在集線器某個端口上。當設(shè)備連接并編號后，有唯一的USB地址。圖5.17USB集線器示意圖5.USB接口總線

設(shè)備：

三、智能儀表的對外通信與標準總線

USB集線器實物單片機加USB接口芯片選用具有USB接口的單片機設(shè)計智能儀表USB接口硬件一般可采用兩種方法：

在智能儀表中添加USB接口可以增強智能儀表的通信能力，尤其提高了儀表與PC機通信（向PC機傳送數(shù)據(jù)）的速度。

設(shè)計智能儀表USB接口軟件是整個工作的重點，它包括編制儀表單片機的軟件和PC機的軟件。

5.USB接口總線

應(yīng)用于智能儀表：

三、智能儀表的對外通信與標準總線

6.IEEE-488并行接口總線標準表5.5IEEE-488總線性能表

三、智能儀表的對外通信與標準總線

系統(tǒng)的組成(1)聽者（收聽器）(2)講者（發(fā)話器）(3)控者（控制器）

信號線分類與定義(1)數(shù)據(jù)輸入/輸出線(2)控制線(3)握手線

三、智能儀表的對