智能儀器的數(shù)據(jù)通信與接口技術(shù)

3.1串行數(shù)據(jù)通信技術(shù)3.2并行數(shù)據(jù)通信技術(shù)3.3

USB總線技術(shù)3.4智能卡接口技術(shù)3.5無(wú)線通信技術(shù)3.6

實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目三——智能家居系方案分析本章小結(jié)

智能儀器的數(shù)據(jù)通信與接口技術(shù) 3.1串行數(shù)據(jù)通信技術(shù)

3.1.1串行通信的基本概念

串行通信是將數(shù)據(jù)一位一位地傳送，它只需要一根數(shù)據(jù)線，硬件成本低，而且可以使用現(xiàn)有的通信通道（如電話、電報(bào)等），故在智能化測(cè)控儀器儀表中通常采用串行通信方式來(lái)實(shí)現(xiàn)與其它儀器或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳送。下面介紹串行通信的一些基本概念。

1.數(shù)據(jù)傳送速率——波特率（Baudrate）

所謂波特率，是指每秒串行發(fā)送或接收的二進(jìn)制位（比特，bit）數(shù)目，其單位為b/s（每秒比特?cái)?shù)），它是衡量數(shù)據(jù)傳送速度的指標(biāo)，也是衡量傳送通道頻帶寬度的指標(biāo)。

2.單工、半雙工與全雙工

按照智能設(shè)備發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的方向以及能否同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，可將數(shù)據(jù)傳輸分為工、半雙工與全雙工三種，如圖3-1所示。圖3-1全雙工、半雙工、單工示意圖

（1）單工（Simplex）方式：相互通信的任何一方僅允許數(shù)據(jù)單方向傳送。

（2）半雙工（Half

Duplex）方式：通信的雙方既可以發(fā)送又可以接收數(shù)據(jù)，但是發(fā)送和接收數(shù)據(jù)只能分時(shí)使用同一傳輸線路，即在某一時(shí)刻只允許進(jìn)行一個(gè)方向的數(shù)據(jù)傳送。

（3）全雙工（Full

Duplex）方式：通信的雙方采用兩根傳送線連接兩端設(shè)備，可同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

3.串行傳送（通信）方式及規(guī)程

在串行傳送中，沒(méi)有專門(mén)的信號(hào)線可用來(lái)指示接收、發(fā)送的時(shí)刻并辨別字符的起始和結(jié)束，為了使接收方能夠正確地解釋接收到的信號(hào)，收發(fā)雙方需要制定并嚴(yán)格遵守通信規(guī)程（協(xié)議）。串行傳送有異步和同步兩種基本方式，通信規(guī)程如下所述。

1）異步傳送規(guī)程

異步傳送的特點(diǎn)是以字符為單位傳送的。異步傳送的每個(gè)字符必須由起始位（1位“0”）開(kāi)始，之后是7或8位數(shù)據(jù)和一位奇偶校驗(yàn)位，數(shù)據(jù)的低位在先、高位在后，字符以停止位（1位、1位半或2位邏輯“1”）表示字符的結(jié)束。從起始位開(kāi)始到停止位結(jié)束組成一幀信息，因此，異步串行通信一幀字符信息由四部分組成：起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位和停止位（見(jiàn)圖3-2）。停止位后面可能不立刻緊接下一字符的起始位，這時(shí)停止位后面一直維持“1”狀態(tài)，這些位稱為“空閑位”。圖3-2異步傳送數(shù)據(jù)格式

異步傳送的標(biāo)準(zhǔn)波特率有很多種，目前常用的是300b/s、600b/s、1200b/s、2400b/s、〖JP〗4800b/s、9600b/s和19200b/s。異步傳送對(duì)每個(gè)字符都附加了同步信息，降低了對(duì)時(shí)鐘的要求，硬件較為簡(jiǎn)單。但冗余信息（起始位、停止位、奇偶校驗(yàn)位）所占比例較大，數(shù)據(jù)的傳送速度一般低于同步傳送方式。

2）同步傳送規(guī)程

在同步傳送過(guò)程中，必須規(guī)定數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度（每個(gè)字符有效數(shù)據(jù)為幾位），并以數(shù)據(jù)塊形式傳送，用同步字符指示數(shù)據(jù)塊的開(kāi)始。同步字符可用單字符、雙字符或多字符。數(shù)據(jù)塊之后為CRC（CyclicRedundancyCheck，循環(huán)冗余驗(yàn)碼）字符，用于檢驗(yàn)同步傳送的數(shù)據(jù)是否出錯(cuò)。同步傳送的格式如圖3-3所示。圖3-3同步傳送數(shù)據(jù)格式

由于同步傳送中的冗余信息（同步字符、CRC字符）所占比例小，數(shù)據(jù)的傳送速度一般高于異步傳送方式。由于要求發(fā)送方與接收方的時(shí)鐘精確同步，同步傳送方式的硬件較為復(fù)雜。時(shí)鐘信息可以通過(guò)一根獨(dú)立的信號(hào)線進(jìn)行傳送，也可以通過(guò)將信息中的時(shí)鐘代碼化來(lái)實(shí)現(xiàn)（如采用曼徹斯特編碼）。

4.基帶傳輸

對(duì)數(shù)字信號(hào)不加調(diào)制，以其基本形式進(jìn)行的傳輸，稱之為“基帶傳輸”?；鶐鬏斨袛?shù)字信息的形式是與其通信速率有關(guān)的開(kāi)關(guān)信號(hào)，覆蓋相當(dāng)寬廣的頻譜。受傳輸介質(zhì)（電纜）分布參數(shù)和外界噪聲等影響，信號(hào)將會(huì)產(chǎn)生一定程度的畸變。為在接收端能正確地還原數(shù)據(jù)信息，必須將信號(hào)在傳輸過(guò)程中的畸變限制在一定的范圍以內(nèi)。由于分布參數(shù)和外界噪聲的影響與傳輸距離成正比，從而導(dǎo)致對(duì)傳輸速率和傳輸距離的限制。

5.調(diào)制/解調(diào)與調(diào)制解調(diào)器

“儀器內(nèi)部總線”、“片間總線”和“底板總線”采用基帶傳輸一般沒(méi)有什么問(wèn)題，對(duì)于“儀器外部總線”上進(jìn)行的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，基帶傳輸不能保證其可靠性，必須對(duì)基帶信號(hào)加以調(diào)制再進(jìn)行傳輸。調(diào)制的本質(zhì)是將頻帶寬度無(wú)限的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻帶有限的調(diào)制信號(hào)（模擬信號(hào)或射頻信號(hào)），從而大大增加其可靠傳輸?shù)木嚯x，在接收端通過(guò)解調(diào)再將調(diào)制信號(hào)恢復(fù)為原來(lái)的數(shù)字信號(hào)。這一過(guò)程被稱之為調(diào)制/解調(diào)（modulationanddemodulation），承擔(dān)調(diào)制/解調(diào)任務(wù)的設(shè)備稱之為調(diào)制解調(diào)器（MODEM），如圖3-4所示。圖3-4通過(guò)MODEM的串行通信示意圖3.1.2

RS-232標(biāo)準(zhǔn)串行接口總線

RS－232C是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA（ElectronicIndustriesAssociation）公布的串行通信標(biāo)準(zhǔn)，RS是英文“推薦標(biāo)準(zhǔn)”的字頭縮寫(xiě)，232是標(biāo)識(shí)號(hào)，C表示該標(biāo)準(zhǔn)修改的次數(shù)（3次）。最初發(fā)展RS－232標(biāo)準(zhǔn)是為了促進(jìn)數(shù)據(jù)通信在公用電話網(wǎng)上的應(yīng)用，通常要采用調(diào)制解調(diào)器（MODEM）進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。20世紀(jì)60年代中期，將此標(biāo)準(zhǔn)引入到計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，目前廣泛用于計(jì)算機(jī)與外圍設(shè)備的串行異步通信接口中，除了真正的遠(yuǎn)程通信外，不再通過(guò)電話網(wǎng)和調(diào)制解調(diào)器。

1.總線描述

RS－232C標(biāo)準(zhǔn)定義了數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）與數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）之間進(jìn)行串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌谛畔?，?guī)定了接口的電氣信號(hào)和接插件的機(jī)械要求。RS－232C對(duì)信號(hào)開(kāi)關(guān)電平規(guī)定如下：

驅(qū)動(dòng)器的輸出電平為

接收器的輸入檢測(cè)電平為

邏輯“0”+5~+15V

邏輯“0”>+3V

邏輯“1”-5~-15V

邏輯“1”<-3V

RS－232C采用負(fù)邏輯，噪聲容限可達(dá)到2V。

RS－232C接口定義了20條可以同外界連接的信號(hào)線，并對(duì)它們的功能做了具體規(guī)定。這些信號(hào)線并不是在所有的通信過(guò)程中都要用到，可以根據(jù)通信聯(lián)絡(luò)的繁雜程度選用其中的某些信號(hào)線。常用的信號(hào)線如表3-1所示。

表3-1

RS－232C標(biāo)準(zhǔn)串行接口總線的常用信號(hào)線

RS－232C用做計(jì)算機(jī)與遠(yuǎn)程通信設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸接口，如圖3-5所示。圖中信號(hào)線分為數(shù)據(jù)信號(hào)線和控制信號(hào)線，分別說(shuō)明如下。

1）數(shù)據(jù)信號(hào)線

發(fā)送數(shù)據(jù)”（TXD）與“接收數(shù)據(jù)”（RXD）是一對(duì)數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)線。TXD用于發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)無(wú)數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，TXD線上的信號(hào)為“1”。RXD用于接收數(shù)據(jù)，當(dāng)無(wú)數(shù)據(jù)接收時(shí)或接收數(shù)據(jù)間隔期間，RXD線上的信號(hào)也為“1”。圖3-5帶RS－232C接口的通信設(shè)備連接

2）控制信號(hào)線

“請(qǐng)求發(fā)送”（RTS）與“為發(fā)送清零”（CTS）信號(hào)線用于半雙工通信方式。半雙工方式下發(fā)送和接收只能分時(shí)進(jìn)行，當(dāng)DTE有數(shù)據(jù)待發(fā)送時(shí)，先發(fā)“請(qǐng)求發(fā)送”信號(hào)通知調(diào)制解調(diào)器。此時(shí)若調(diào)制解調(diào)器處于發(fā)送方式，回送“為發(fā)送清零”信號(hào)，發(fā)送即開(kāi)始。若調(diào)制解調(diào)器處于接收方式，則必須等到接收完畢轉(zhuǎn)為發(fā)送方式時(shí)，才向DTE回送“為發(fā)送清零”信號(hào)。在全雙工方式下，發(fā)送和接收能同時(shí)進(jìn)行，不使用這兩條控制信號(hào)線。

“DCE就緒”（DSR）與“DTE就緒”（DTR）信號(hào)線分別表示DCE和DTE是否處于可供使用的狀態(tài)?！氨Ｗo(hù)地”信號(hào)線一般連接設(shè)備的屏蔽地。

2.RS－232C接口的常用系統(tǒng)連接

計(jì)算機(jī)與智能設(shè)備通過(guò)RS

232C標(biāo)準(zhǔn)總線直接互聯(lián)傳送數(shù)據(jù)是很有實(shí)用價(jià)值的，一般使用者需要熟悉互聯(lián)接線的方法。

圖3-6所示為全雙工標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)連接?！鞍l(fā)送數(shù)據(jù)”線交叉連接，總線兩端的每個(gè)設(shè)備均既可發(fā)送，又可接收?！罢?qǐng)求發(fā)送”（RTS）線折回與自身的“為發(fā)送清零”（CTS）線相連，表明無(wú)論何時(shí)都可以發(fā)送?！癉CE就緒”（DSR）與對(duì)方的“DTE就緒”（DTR）交叉互聯(lián)，作為總線一端的設(shè)備檢測(cè)另一端的設(shè)備是否就緒的握手信號(hào)?！拜d波檢測(cè)”（DCD）與對(duì)方的“請(qǐng)求發(fā)送”（RTS）相連，使一端的設(shè)備能夠檢測(cè)對(duì)方設(shè)備是否在發(fā)送。這兩條連線較少應(yīng)用。圖3-6全雙工標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)連接圖3-7全雙工最簡(jiǎn)系統(tǒng)連接

RS－232C發(fā)送器電容負(fù)載的最大驅(qū)動(dòng)能力為2500pF，這就限制了信號(hào)線的最大長(zhǎng)度。例如，如果傳輸線采用每米分布電容約為150pF的雙絞線通信電纜，最大通信距離限制在15m。如果使用分布電容較小的同軸電纜，傳輸距離可以再增加一些。對(duì)于長(zhǎng)距離傳輸或無(wú)線傳輸，則需要用調(diào)制解調(diào)器通過(guò)電話線或無(wú)線收發(fā)設(shè)備連接，如圖3-8所示。圖3-8調(diào)制解調(diào)器通信系統(tǒng)連接圖

3.電平轉(zhuǎn)換

在計(jì)算機(jī)及智能儀器內(nèi)，通用的信號(hào)是正邏輯的TTL電平。而RS－232C的邏輯電平為負(fù)邏輯的±12V信號(hào)，與TTL電平不兼容，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。用于電平轉(zhuǎn)換的集成電路芯片種類(lèi)很多，RS－232C總線輸出驅(qū)動(dòng)器有MC1488、SN75188、SN75150等，RS－232C總線接收器有MC1489、SN75199、SN75152等，其中MC1488和MC1489的應(yīng)用方法如圖3-9所示。為了把+5V的TTL電平轉(zhuǎn)換為-2~+12V的RS

232C電平，輸出驅(qū)動(dòng)器需要±12V電源。某些RS－232C接口芯片采用單一的+5V電源，其內(nèi)部已經(jīng)集成了DC/DC電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，而且輸出驅(qū)動(dòng)器與接收器制作在同一芯片中，使用更為方便，例如MAX232、ICL232等。圖3-9

RS－232C與TTL電平變換器

4.計(jì)算機(jī)接口

計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)是并行的，為了實(shí)現(xiàn)異步串行傳輸，發(fā)送時(shí)必須進(jìn)行并-串轉(zhuǎn)換，而且要把數(shù)據(jù)字符組織成如圖3-2所示的數(shù)據(jù)格式；接收時(shí)必須從圖3-2所示的格式中把有用的字符提取出來(lái)，再進(jìn)行串/并轉(zhuǎn)換。此外，還要檢驗(yàn)傳送是否正確。這些工作一般采用專用集成電路芯片UART（通用異步接收器/發(fā)送器）來(lái)完成。UART作為計(jì)算機(jī)的串行通信接口電路芯片，在相應(yīng)的控制軟件配合下，實(shí)現(xiàn)異步串行數(shù)據(jù)傳輸。UART芯片種類(lèi)很多，常用的有Intel8251、8250、ZilogZ80

SIO、MotorolaMC6850等。許多單片計(jì)算機(jī)也具有UART功能，詳細(xì)內(nèi)容讀者可參閱有關(guān)的書(shū)籍和產(chǎn)品手冊(cè)。3.1.3

RS－422A與RS－423A標(biāo)準(zhǔn)串行接口總線

雖然，RS－232C使用很廣泛，但它存在著一些固有的不足，主要有：

（1）數(shù)據(jù)傳輸速率慢，一般低于20kb/s。

（2）傳送距離短，一般局限于15m，既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(guò)60m。

（3）有25芯D型插針和9芯D型插針等多種連接方式。

（4）信號(hào)傳輸電路為單端電路，共模抑制性能較差，抗干擾能力弱。圖3-10

RS－432A和RS－422A的電路連接3.1.4

RS－485標(biāo)準(zhǔn)串行接口總線

RS－485標(biāo)準(zhǔn)串行接口總線實(shí)際上是RS

422A的變型，它是為了適應(yīng)用最少的信號(hào)線實(shí)現(xiàn)多站互聯(lián)、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：

（1）在兩個(gè)設(shè)備相連時(shí)，RS－422A為全雙工，RS

485為半雙工。

（2）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。

RS－485用于多個(gè)設(shè)備互聯(lián)，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)互聯(lián)、構(gòu)成分布式測(cè)控系統(tǒng)提供了方便。通過(guò)RS

485總線進(jìn)行多站互聯(lián)的原理如圖3-11所示。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。某些RS－485接口芯片可以連接更多的發(fā)送器和接收器（128或256）。圖3-11

RS－485總線多站互聯(lián)原理圖圖3-12傳輸距離與傳輸速率關(guān)系

應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于RS－423A、RS－422A與RS－485總線，表3-2中列出的最大傳輸距離和最大傳輸速率并不能同時(shí)達(dá)到。傳輸距離長(zhǎng)時(shí)，傳輸速率就低一些；傳輸距離短時(shí)，傳輸速率就可以高一些。對(duì)于RS－422A與RS－485，傳輸距離與傳輸速率之間的關(guān)系如圖3-12所示?？梢钥闯?，在最高傳輸速率10Mb/s情況下，傳輸距離僅為10m。只有在傳輸速率不超過(guò)100kb/s條件下，傳輸距離才可以達(dá)到1200m。當(dāng)傳輸速率在100kb/s~10Mb/s范圍內(nèi)時(shí)，傳輸距離受限于傳輸線的歐姆阻抗、集膚效應(yīng)等損耗而導(dǎo)致信號(hào)畸變。由于損耗與頻率有關(guān)，所以傳輸率與傳輸距離約為反比關(guān)系，可用下面的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算：

速率（b/s）×距離（m）≤100M表3-2

RS－423A、RS－422A與RS－485的各項(xiàng)性能對(duì)比

1.傳輸線的選擇和阻抗匹配

在差分平衡系統(tǒng)中，一般選擇雙絞線作為信號(hào)傳輸線。雙絞線價(jià)格低廉，使用方便，兩條線基本對(duì)稱，外界干擾噪聲主要以共模方式出現(xiàn)，對(duì)接收器的差動(dòng)輸入影響不大。信號(hào)在傳輸線上傳送時(shí)，如果遇到阻抗不連續(xù)的情況，會(huì)出現(xiàn)反射現(xiàn)象。傳送的數(shù)字信號(hào)包含豐富的諧波分量，如果傳輸線阻抗不匹配，高次諧波可能通過(guò)傳輸線向外輻射形成電磁干擾（EMT）。雙絞線的特性阻抗一般在110~130Ω之間，通常在傳輸線末端接一個(gè)120Ω電阻進(jìn)行阻抗匹配。有些型號(hào)的RS

485發(fā)送器芯片有意降低信號(hào)變化沿斜率（簡(jiǎn)稱為限斜率）。從而使高次諧波分量大大減少，并可減少傳輸線阻抗匹配不完善而帶來(lái)的不利影響。例如MAX483、MAX488、SN75LBC184等芯片都具有這種功能。

2.隔離

RS－485總線在多站互聯(lián)時(shí)，相距較遠(yuǎn)的不同站之間的地電位差可能很大，各站若直接聯(lián)網(wǎng)很有可能導(dǎo)致接口芯片，尤其是接收器接口芯片的損壞。解決這一問(wèn)題簡(jiǎn)單有效的方法是將各站的串行通信接口電路與其他站進(jìn)行電氣隔離，如圖3-13所示。實(shí)踐證明，這是一種有效的辦法。圖3-13電路可以用分立的高速光耦器件，帶隔離的DC/DC電源變換器與RS－485收發(fā)器組合而成，也可以采用專門(mén)的帶隔離收發(fā)器的芯片。MAXIM公司生產(chǎn)的MAX1480B是具有光隔離的RS－485接口芯片，片內(nèi)包括收發(fā)器、光電耦合器和隔離電源，單一的+5V電源供電，使用十分方便。圖3-13光電隔離的RS－485總線

3.抗靜電放電沖擊

RS－485接收器差分輸入端對(duì)地的共模電壓范圍為-7~+12V，超過(guò)此范圍時(shí)器件可能損壞。接口芯片在安裝和使用過(guò)程中，可能受到靜電放電沖擊，例如人體接觸芯片引腳引起的靜電放電，其電壓可以高達(dá)35kV。靜電放電會(huì)影響電路的正常工作或?qū)е缕骷p壞。解決的辦法是選用帶靜電放電保護(hù)的RS-485接口器件，例如MAX1487E、MAX483E-491E、SN75LBC184等。這些器件對(duì)于抗其他類(lèi)型的高共模電壓干擾（如雷電干擾）也很有效。解決這一問(wèn)題的另一個(gè)辦法是在傳輸信號(hào)線上加箝位電路。

4.傳輸線的鋪設(shè)及屏蔽

在系統(tǒng)安裝時(shí)，應(yīng)盡量做到傳輸線單獨(dú)鋪設(shè)，不與交流動(dòng)力線一起鋪設(shè)在同一條電纜溝中。強(qiáng)信號(hào)線與弱信號(hào)線避免平行走向，盡量使兩者正交。如果這些要求很難實(shí)現(xiàn)，也要盡量使信號(hào)線離干擾線遠(yuǎn)一些，一般認(rèn)為兩者的距離應(yīng)為干擾導(dǎo)線內(nèi)徑的40倍以上。如果采用帶有屏蔽層的雙絞線，將屏蔽層良好地接大地，也會(huì)有很好的效果。 3.2并行數(shù)據(jù)通信技術(shù)

3.2.1

Centronics標(biāo)準(zhǔn)并行接口

微型計(jì)算機(jī)配備的并行接口遵從Centronics標(biāo)準(zhǔn)，這是一個(gè)得到工業(yè)界大量支持的標(biāo)準(zhǔn)，多用于計(jì)算機(jī)與打印機(jī)的并行連接，在智能儀器和其他智能設(shè)備（如仿真開(kāi)發(fā)裝置）與微型計(jì)算機(jī)的連接中也得到采用。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)始規(guī)定了一個(gè)36芯插頭座，并對(duì)每個(gè)引腳的信號(hào)做了明確的規(guī)定（如表3-3所示）。其中有8條數(shù)據(jù)線、3條聯(lián)絡(luò)線和一些特殊的控制線。后來(lái)將這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)化為25芯插頭座。表3-3

Centronics標(biāo)準(zhǔn)并行接口引腳信號(hào)3.2.2

GP－IB（IEEE488）總線

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中典型的并行總線是GP－IB（IEEE488）總線，GP－IB即通用接口總線（GeneralPurposeInterfaceBus）是國(guó)際通用的儀器接口標(biāo)準(zhǔn)。GP－IB總線可將多臺(tái)配置有GP－IB接口的獨(dú)立儀器連接起來(lái)，在具有GP－IB接口的計(jì)算機(jī)和GP－IB協(xié)議的控制下形成協(xié)調(diào)運(yùn)行的有機(jī)整體。由于數(shù)據(jù)傳輸距離較近，雖然并行數(shù)據(jù)電纜的導(dǎo)線數(shù)目較多，但可以體現(xiàn)并行通信高速傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)。

在自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中，配置有GP-IB接口的智能儀器（一般稱之為GP-IB儀器）之間的通信是通過(guò)接口系統(tǒng)發(fā)送“儀器消息”和“接口消息”來(lái)實(shí)現(xiàn)的。儀器消息即通常概念中的數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)消息，主要包含該儀器的特定信息（如編程指令、測(cè)量結(jié)果、機(jī)器狀態(tài)和數(shù)據(jù)文件等）；接口消息則用于管理總線，通常稱之為命令（command）或命令消息；接口消息執(zhí)行諸如總線初始化、對(duì)儀器尋址、將儀器設(shè)置為遠(yuǎn)程方式或本地方式等操作。此處的“命令”與特定儀器的專用命令是兩個(gè)不同的概念，特定儀器的專用命令在GP-IB系統(tǒng)中是作為數(shù)據(jù)消息來(lái)處理的。在一個(gè)GP-IB標(biāo)準(zhǔn)接口總線系統(tǒng)中，要進(jìn)行有效的通信聯(lián)絡(luò)，至少有“講者”（talker）、“聽(tīng)者”（listener）和“控者”（controller）三類(lèi)儀器裝置。講者通過(guò)總線向接收數(shù)據(jù)的一個(gè)或多個(gè)聽(tīng)者發(fā)送數(shù)據(jù)信息；聽(tīng)者是通過(guò)總線接收由講者發(fā)出消息的裝置；控制器（控者）則通過(guò)向所有的儀器發(fā)送命令來(lái)管理GP-IB總線上的信息流。

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中的某臺(tái)GP-IB儀器，既可能是講者，也可能是聽(tīng)者。但在某一時(shí)刻，只能有一個(gè)講者在起作用。圖3-14中由數(shù)字電壓表、信號(hào)發(fā)生器、打印機(jī)和計(jì)算機(jī)（安裝GP-IB卡）組成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)為控者，用以控制三臺(tái)GP-IB儀器按照GP-IB協(xié)議規(guī)范協(xié)調(diào)地工作。“聽(tīng)”、“講”、“控”是相對(duì)GP-IB總線而言的。圖3-14

GP-IB自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

GP-IB標(biāo)準(zhǔn)接口由16根信號(hào)線組成，分為數(shù)據(jù)線（8根）、掛鉤線（handshake）（3根）和接口管理線（5根）三組。數(shù)據(jù)線DIO1~DIO－8傳輸數(shù)據(jù)消息和命令消息。ATN線的狀態(tài)決定數(shù)據(jù)線上的消息是數(shù)據(jù)還是命令。所有的命令和大多數(shù)數(shù)據(jù)采用7位ASCII或ISO代碼，故數(shù)據(jù)線的第8位（DIO8）可用做奇偶校驗(yàn)位或不用。3根掛鉤線控制儀器之間信息字節(jié)的傳輸，形成“三線互鎖掛鉤”過(guò)程，以保證數(shù)據(jù)線上信息字節(jié)的發(fā)送和接收不產(chǎn)生傳輸錯(cuò)誤。

3根掛鉤線的信號(hào)為：

（1）NRFD（NotReadyforData，接收數(shù)據(jù)未就緒）：指示某儀器是否準(zhǔn)備好接收一個(gè)消息字節(jié)。該信號(hào)線在接收命令時(shí)由所有的儀器驅(qū)動(dòng)，在接收數(shù)據(jù)消息時(shí)由聽(tīng)者驅(qū)動(dòng)。

（2）NDAC（NotDataAccepted，未接收數(shù)據(jù)）：指示某儀器是否接收到消息字節(jié)。該信號(hào)線在接受命令時(shí)由所有的儀器驅(qū)動(dòng)，而在接收數(shù)據(jù)消息時(shí)由聽(tīng)者驅(qū)動(dòng)。

（3）DAV（DataValid，數(shù)據(jù)有效）：指示數(shù)據(jù)線上的信號(hào)是穩(wěn)定（有效）并可由儀器安全接收的。控制器在發(fā)送命令時(shí)發(fā)送信號(hào)，而講者則在發(fā)送數(shù)據(jù)消息時(shí)發(fā)送此信號(hào)。

5根管理信號(hào)線的信息分別是：

（1）ATN（Attention，注意）：控制器在使用數(shù)據(jù)線發(fā)送命令時(shí)將這根信號(hào)線設(shè)置為真，而在某一講者可以發(fā)送數(shù)據(jù)消息時(shí)將其設(shè)置為假。

（2）IFC（InterfaceClear，接口清除）：系統(tǒng)某控制器驅(qū)動(dòng)該信號(hào)線對(duì)總線初始化，并成功執(zhí)行控制器。

（3）REN（RemoteEnable，遠(yuǎn)程允許）：系統(tǒng)控制器驅(qū)動(dòng)REN，用于將各儀器設(shè)置于遠(yuǎn)程（remote）編程或本地（local）編程方式。

（4）SRQ（ServiceRequest，服務(wù)請(qǐng)求）：任何儀器均可以驅(qū)動(dòng)該信號(hào)線，實(shí)現(xiàn)異步請(qǐng)求控制器服務(wù)。

（5）EOI（EndorIdentify，結(jié)束或識(shí)別）：講者使用該信號(hào)線標(biāo)記信息字符串的結(jié)束，而控制器則使用該信號(hào)線要求各儀器在并行查詢操作中識(shí)別各自的響應(yīng)。圖3-15

GP-IB連接器及信號(hào)

GP-IB總線通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電纜將GP-IB系統(tǒng)中各獨(dú)立的GP-IB儀器連接起來(lái)。GP-IB控制器的作用如同計(jì)算機(jī)中的CPU，但更像市話系統(tǒng)中的交換機(jī)，對(duì)GP-IB總線構(gòu)成的通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)施監(jiān)控。當(dāng)控制器察覺(jué)到某儀器欲發(fā)送一條數(shù)據(jù)消息時(shí)，即把講者連接到聽(tīng)者?？刂破魍ǔＴ谥v者向聽(tīng)者發(fā)送消息之前，對(duì)講者和聽(tīng)者尋址，在講者和聽(tīng)者之間建立聯(lián)系。某些GP-IB系統(tǒng)的組成不需要控制器（例如一個(gè)系統(tǒng)中某儀器永遠(yuǎn)是講者，而其他儀器則只是聽(tīng)者）。如果系統(tǒng)中講者和聽(tīng)者的身份需要?jiǎng)討B(tài)更換，則系統(tǒng)中必須有一個(gè)控制器。這個(gè)控制器通常是一臺(tái)計(jì)算機(jī)。GP-IB系統(tǒng)中可以存在多個(gè)控制器，但任何時(shí)刻只能有一個(gè)執(zhí)行控制器（controller-in-charge，CIC），其他控制器只能充當(dāng)講者和聽(tīng)者的角色。

GP-IB總線信號(hào)采用TTL電平負(fù)邏輯。GP-IB總線上的每臺(tái)儀器均采用一種特殊的24線屏蔽電纜連接，每根電纜的兩端都是一個(gè)將插頭和插座組合在一起的連接器。這樣的連接器可將多臺(tái)設(shè)備按串聯(lián)和星形的形式連接。24線連接器的引腳信號(hào)如圖3-15所示。連接器中18~23腳上的接地導(dǎo)線GND分別與6~11腳的信號(hào)線形成雙絞線，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

為了達(dá)到GP-IB在設(shè)計(jì)時(shí)所確定的高數(shù)據(jù)傳輸率，總線上儀器之間的距離和能夠掛接的儀器數(shù)目是有限的。對(duì)于一般的操作來(lái)說(shuō)，總線上相鄰兩儀器之間的距離不得大于4m，而總線上所有儀器之間的平均距離不得大于2m，系統(tǒng)中GP-IB總線的電纜總長(zhǎng)度不得超過(guò)20m，最多只能掛接15臺(tái)儀器，且加電的儀器不得少于2/3。

1.控制器的操作

控制器加電后一般應(yīng)發(fā)出IFC信號(hào)，使所有的GP-IB設(shè)備初始化。然后設(shè)置ATN（低電平有效），表示控制器將向總線上的聽(tīng)者和講者發(fā)送命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的配置和調(diào)度。這時(shí)數(shù)據(jù)線上的8位數(shù)據(jù)為命令地址組合碼，其定義如表格3-4所示。除對(duì)聽(tīng)者和講者身份進(jìn)行設(shè)置和取消的命令外，還可使用16條通用命令。從該表中還可以看到GP-IB設(shè)備可選用31個(gè)地址（雖然GP-IB總線上最多只能驅(qū)動(dòng)15個(gè)裝置）。表3-4

GP-IB總線命令地址組合碼

控制器的操作過(guò)程：①控制器檢測(cè)SRQ線，當(dāng)其為低電平時(shí)，通過(guò)查詢確定請(qǐng)求服務(wù)的儀器；②控制器設(shè)置ATN為有效（低電平）；③控制器發(fā)送X0100001，確定地址為1的儀器為聽(tīng)者；④控制器發(fā)送X1000010，確定地址為2的儀器為講者；⑤控制器設(shè)置ATN為高電平；⑥講者與聽(tīng)者交換數(shù)據(jù)；⑦控制器發(fā)送X0111111關(guān)閉聽(tīng)者；⑧控制器發(fā)送X1011111關(guān)閉講者。

2.三線掛鉤操作圖3-16

GP-IB總線的三線掛鉤操作

處于GP-IB總線數(shù)據(jù)傳輸最底層的三線掛鉤操作的標(biāo)準(zhǔn)過(guò)程如圖3-16所示：首先需要聽(tīng)者解除（接收數(shù)據(jù)未就緒），由于NRFD和NDAC具有“線或”特性，總線上的所有聽(tīng)者都接觸NRFD才能使NRFD線呈高電平。而講者在確認(rèn)所有聽(tīng)者均已就緒后將有效數(shù)據(jù)字節(jié)放置在數(shù)據(jù)線上，然后發(fā)出DAV（數(shù)據(jù)有效），通知聽(tīng)者已有一個(gè)有效的數(shù)據(jù)字節(jié)放置在數(shù)據(jù)線上。這時(shí)，聽(tīng)者即可開(kāi)始接收數(shù)據(jù)，只要有一個(gè)聽(tīng)者開(kāi)始接收數(shù)據(jù)即將NRFD置為低電平。聽(tīng)者在接收了數(shù)據(jù)后試圖接觸NDAC（數(shù)據(jù)未接收）信號(hào)，表示數(shù)據(jù)已被接收。同樣，必須所有的聽(tīng)者均發(fā)出NDAC，才能使NDAC線呈現(xiàn)高電平。

從以上掛鉤過(guò)程中可以看到，GP-IB總線上的數(shù)據(jù)傳輸速率取決于速度最慢的設(shè)備。一個(gè)字節(jié)的傳送不能少于以下過(guò)程所需要的時(shí)間：①NRFD傳送到講者的時(shí)間；②聽(tīng)者接收字節(jié)并產(chǎn)生NDAC信號(hào)的時(shí)間；③NDAC回傳到講者的時(shí)間；④講者再次產(chǎn)生DAV信號(hào)之前所需要的穩(wěn)定時(shí)間。為了提高數(shù)據(jù)傳輸速率，NI（NationalInstruments）公司開(kāi)發(fā)了一種稱之為HS488的專利性高速GP-IB掛鉤協(xié)議，它可以有效地消除三線掛鉤操作中的傳遞延時(shí)。

以上所述的一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)傳輸?shù)娜€掛鉤過(guò)程是GP-IB總線數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)，但是完整的信息一般包括多個(gè)字節(jié)，傳送完整的信息涉及數(shù)據(jù)格式、狀態(tài)報(bào)告、消息交換協(xié)議等多方面的問(wèn)題。雖然IEEE488.1標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)明確定義機(jī)械、電氣和硬件協(xié)議的規(guī)格，大大簡(jiǎn)化了不同GP-IB儀器之間的互聯(lián)，但并未很好地解決數(shù)據(jù)格式、狀態(tài)報(bào)告、消息交換協(xié)議、公共組態(tài)命令或裝置專用命令等方面的標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題，不同廠家在解決這些問(wèn)題時(shí)采用不同方法，留給用戶無(wú)所適從的困難。IEEE488.2標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)原IEEE488標(biāo)準(zhǔn)的局限和含糊之處進(jìn)行了進(jìn)一步的標(biāo)準(zhǔn)化，并保持與IEEE488.1標(biāo)準(zhǔn)兼容，IEEE488.2標(biāo)準(zhǔn)主要在軟件協(xié)議方面制定了數(shù)據(jù)格式、狀態(tài)上報(bào)、出錯(cuò)處理、控制器功能以及公共命令的標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)化工作使得GP-IB系統(tǒng)工作更加可靠。為了簡(jiǎn)化GP-IB接口設(shè)計(jì)，Intel、Motorola等公司推出了專用大規(guī)模集成電路接口芯片。Intel公司的8291A、8292及8293為其中的典型代表。Intel8291A可以實(shí)現(xiàn)除控者功能以外的全部接口功能。8292接口芯片僅具有控者功能，一般與8291A聯(lián)合使用，組成全功能GP-IB接口。8293是專門(mén)為8291A和8292配套的總線收/發(fā)器，以保證GP-IB總線具有足夠的驅(qū)動(dòng)能力。以下僅對(duì)8291A做簡(jiǎn)要介紹。圖3-17

8291A引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖表3-5

8291內(nèi)部寄存器一覽表3.2.3

VXI總線

VXI（VMEbusExtensionsforInstrumentation）總線儀器系統(tǒng)是模板插卡式結(jié)構(gòu)的智能儀器系統(tǒng)?？蓪⒏鞣N具有獨(dú)立功能的模板式智能儀器連接在一起，構(gòu)成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)。VXI總線儀器系統(tǒng)中的模板式智能儀器被稱為卡式儀器（InstrumentAtCard，IAC）。如卡式數(shù)字電壓表、示波器、函數(shù)發(fā)生器、AI/AO、DI/DO通道等。按照自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)或測(cè)控系統(tǒng)的功能要求，將選定的若干IAC安置在同一個(gè)機(jī)箱中，并掛在機(jī)箱背板的高速并行總線（背板總線）上即可構(gòu)成不同用途和規(guī)模的VXI總線儀器系統(tǒng)。這些IAC可以在本機(jī)（local）方式下獨(dú)立工作，在需要彼此呼應(yīng)或與儀器系統(tǒng)外部交換數(shù)據(jù)時(shí)，可通過(guò)“背板總線”進(jìn)入遠(yuǎn)程（remote）。VXI總線儀器系統(tǒng)具有信息吞吐量大、配置靈活、結(jié)構(gòu)緊湊、儀器體積小等特點(diǎn)，是當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室儀器系統(tǒng)研究和發(fā)展的熱點(diǎn)。

VME總線（VersabusModuleEuropean）是Motorola公司于1981年針對(duì)32位微處理器68000而開(kāi)發(fā)的微機(jī)總線。VXI總線是VME總線標(biāo)準(zhǔn)在智能儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，由HP等5個(gè)測(cè)試儀器公司于1987年聯(lián)合推薦，是當(dāng)前儀器系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展的一個(gè)并行總線標(biāo)準(zhǔn)。VXI總線儀器系統(tǒng)采用了其數(shù)據(jù)速率高達(dá)40MB/s的VME總線作為機(jī)箱背板總線。背板總線在功能上相當(dāng)于連接獨(dú)立儀器的GP-IB總線，但是具有更高的數(shù)據(jù)吞吐率?？刂破饕部梢灾谱鞒蒊AC掛接在背板總線上，對(duì)總線上的各種信息實(shí)施調(diào)度和控制。相當(dāng)于在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)集成了整個(gè)GP-IB總線儀器系統(tǒng)的功能。

VXI總線具有嚴(yán)格的機(jī)械和電氣標(biāo)準(zhǔn)。共定義了4種儀器模板的尺寸：A型（10×16cm2）、B型（23.3×16cm2）、C型（23.3×34cm2）和D型（36.7×34cm2）。其中，A、B兩種是VME已定義的且具有真正含義的VME模板；C、D兩種是VXI標(biāo)準(zhǔn)專門(mén)定義的適用于更高性能儀器的尺寸，應(yīng)用最多的是C尺寸模板。VXI儀器系統(tǒng)采用可變尺寸結(jié)構(gòu)，允許小尺寸模板插入大機(jī)箱中。VXI系統(tǒng)的機(jī)箱（mainframe）除了外殼和背板之外，還提供VXI系統(tǒng)的工作電源系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)等。VXI總線還定義了模板與底板總線插接的3個(gè)96針連接器標(biāo)準(zhǔn)，分別稱為P1、P2、P3。

P1連接器是VME或VXI總線必須配備的基本連接器，它包括數(shù)據(jù)傳輸總線（24位地址和16位數(shù)據(jù)）、中斷信號(hào)線和某些電源線；任選的P2連接器適用于除A尺寸以外的所有模板，可將數(shù)據(jù)傳輸總線擴(kuò)展到32位，還增加了許多資源，如4個(gè)附加電源電壓、局部總線、模塊識(shí)別總線（允許確定模塊的槽編號(hào)）等，此外還有TTL和ECL觸發(fā)總線和10MHz差分ECL時(shí)鐘信號(hào)等；任選的P3連接器只用于D尺寸模板，對(duì)P2提供的資源進(jìn)一步擴(kuò)展，又提供了24根局部總線、附加的ECL觸發(fā)線、100MHz時(shí)鐘和用于精密同步的星形觸發(fā)線等，以適合特殊用途。VXI系統(tǒng)的模板尺寸和連接器（P1、P2、P3）的總線分布如圖3-18所示。圖3-18

VXI系統(tǒng)模板尺寸和連接器的總線分布

VXI總線裝置是VXI總線系統(tǒng)中的基本部件。每個(gè)裝置都有唯一的地址編碼（0~255），每個(gè)VXI總線儀器系統(tǒng)中最多可容納256個(gè)裝置。一個(gè)裝置可以占據(jù)數(shù)個(gè)槽位，也允許幾個(gè)裝置共用一個(gè)槽位。電壓表、計(jì)數(shù)器或信號(hào)發(fā)生器等一般都是單槽位裝置。VXI總線裝置的類(lèi)型共有4種：寄存器基裝置、消息基裝置、存儲(chǔ)器裝置和擴(kuò)展裝置。寄存器基裝置只有組態(tài)寄存器和裝置決定的寄存器，而沒(méi)有通信寄存器。裝置的通信通過(guò)寄存器讀/寫(xiě)來(lái)實(shí)現(xiàn)，在命令者/受令者的分層結(jié)構(gòu)中擔(dān)任受令者。寄存器基裝置電路簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，由于節(jié)省了指令的譯碼時(shí)間，數(shù)據(jù)傳輸速度快；存儲(chǔ)器裝置與寄存器基裝置很相似，也沒(méi)有通信寄存器，只能靠寄存器的讀/寫(xiě)來(lái)進(jìn)行通信。一般可將存儲(chǔ)器裝置與寄存器基裝置同等對(duì)待；以消息為基礎(chǔ)的消息基寄存器不但具有組態(tài)寄存器和若干由裝置決定的寄存器，而且還具有通信寄存器來(lái)支持復(fù)雜的通信規(guī)程，進(jìn)行高水平的通信。消息基裝置屬于智能化的較復(fù)雜的裝置，如計(jì)算機(jī)、資源管理者、各類(lèi)高性能測(cè)試儀器插件等，可以擔(dān)任分層結(jié)構(gòu)中的命令者，也可以擔(dān)任受命者，或者同時(shí)兼任上層的受命者及下層的命令者。擴(kuò)展裝置是有特定目的的裝置，用于為VXI未來(lái)的發(fā)展定義新的裝置門(mén)類(lèi)。圖3-19

VXI總線通信規(guī)程示意圖

VXI系統(tǒng)的通信有若干層，其通信規(guī)程如圖3-19所示。第1層是“寄存器讀/寫(xiě)層”，其通信是通過(guò)寄存器的讀/寫(xiě)來(lái)實(shí)現(xiàn)，通信速度快、硬件費(fèi)用節(jié)省。但這種通信也是對(duì)用戶支持最少，最不方便的通信。第2層是“信號(hào)/中斷層”，允許VXI裝置向它的命令者回報(bào)信息，也是一種寄存器基裝置和存儲(chǔ)器裝置支持的低層通信。第3層是“字串行規(guī)程層”，命令者與受命者之間的字串行通信，應(yīng)遵守消息基裝置的通信規(guī)程。字串行規(guī)程與儀器特定規(guī)程之間有兩種聯(lián)系方式，一種是直接以字串行方式向裝置發(fā)送所要求的命令或數(shù)據(jù)；另一種是經(jīng)過(guò)488-VXI規(guī)程和488.2語(yǔ)言與特定規(guī)程聯(lián)系，使用這種方式可以像控制GP-IB儀器一樣控制VXI儀器。

消息基裝置通過(guò)通信寄存器還支持一種共享存儲(chǔ)器規(guī)程，即兩個(gè)裝置可以通過(guò)它們中一個(gè)裝置所占有的存儲(chǔ)器塊進(jìn)行通信，從而達(dá)到較高的通信速度。這是字串行通信做不到的。在某些情況下，各裝置之間還可通過(guò)本地總線高速傳送數(shù)據(jù)，這也是VXI系統(tǒng)的一個(gè)重要特色。VXI總線儀器系統(tǒng)的硬件規(guī)范及字串行協(xié)議，確保了眾多廠商生產(chǎn)的VXI總線儀器插卡的硬件兼容。為提高軟件的兼容性，在VXI總線和GP-IB等自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中采用了兩個(gè)軟件標(biāo)準(zhǔn)，即IEEE488.2和可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令SCPI。IEEE488.2主要規(guī)定儀器的內(nèi)務(wù)管理功能，并不涉及裝置的消息本身。SCPI建立在IEEE488.2基礎(chǔ)上，側(cè)重于解決智能儀器的程倥和儀器響應(yīng)中裝置消息標(biāo)準(zhǔn)化的問(wèn)題。

有兩個(gè)特殊功能是每個(gè)VXI總線系統(tǒng)不可缺少的。第一個(gè)是負(fù)責(zé)機(jī)箱背板管理的0號(hào)插槽功能。0號(hào)插槽處于每個(gè)VXI總線機(jī)箱中特定的物理位置，從這個(gè)槽上發(fā)出的信號(hào)必須包括時(shí)鐘源和數(shù)據(jù)通過(guò)背板時(shí)的仲裁邏輯等。插入該插槽的模板在履行這些硬件功能以外，還能履行其他的功能，如與外部微型計(jì)算機(jī)的GP-IB接口通信等。這個(gè)插槽一般由命令器（commander）或嵌入式計(jì)算機(jī)占據(jù)。VXI總線系統(tǒng)的第二個(gè)特殊功能是其資源管理器。位于邏輯地址0的資源管理器是一個(gè)消息基命令器，負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)的配置?？梢詫①Y源管理器理解為系統(tǒng)初始化程序，每當(dāng)系統(tǒng)加電或復(fù)位的時(shí)候進(jìn)行以下操作：①識(shí)別系統(tǒng)中所有的VXI裝置；②為系統(tǒng)運(yùn)行配置所有的資源；③管理系統(tǒng)自檢；④配置系統(tǒng)A24和A32的映射；⑤配置命令/服務(wù)分級(jí)機(jī)制；⑥啟動(dòng)正常運(yùn)行。

為了充分利用其他外部資源，VXI總線開(kāi)發(fā)了與其他總線系統(tǒng)（如GP-IB、RS-232C、RS-485和MXI等）連接和轉(zhuǎn)換的模塊，使得VXI總線系統(tǒng)可與任何其他總線系統(tǒng)或儀器聯(lián)合工作。當(dāng)一個(gè)機(jī)箱不能容納所有的IAC時(shí)，可增添擴(kuò)展機(jī)箱，采用總線擴(kuò)展器將主機(jī)箱與擴(kuò)展機(jī)箱連接起來(lái)，以構(gòu)成完整的VXI總線儀器系統(tǒng)。

VXI總線儀器系統(tǒng)的嵌入式控制器（embeddedcontroller）可直接安裝在機(jī)箱的0號(hào)槽，兼有控制器和0號(hào)槽功能。嵌入式控制器取代GP-IB/VXI轉(zhuǎn)換模塊對(duì)消息基儀器編程，可使VXI儀器系統(tǒng)成為獨(dú)立系統(tǒng)，但系統(tǒng)的通信性能并未改善。因?yàn)橥ㄐ潘俾手饕蹵SCII消息轉(zhuǎn)換時(shí)間的影響，而不是GP-IB帶寬。如果要求比GP-IB有更大的信息吞吐量，可以采用寄存器層的直接通信。

由于VXI總線儀器系統(tǒng)可通過(guò)不同的接口方式與多種計(jì)算機(jī)連接，軟件方面可以充分利用各種通用軟件、操作系統(tǒng)、高級(jí)語(yǔ)言和軟件工具等。VXI總線儀器系統(tǒng)充分吸收并繼承了GP-IB沿用的488.1、488.2和程控儀器標(biāo)準(zhǔn)命令SCPI，創(chuàng)造了一個(gè)從程控儀器標(biāo)準(zhǔn)命令、儀器之間信息交換到系統(tǒng)操作運(yùn)行高度統(tǒng)一的軟件環(huán)境。

3.3

USB總線技術(shù)

USB（UniversalserialBus）即通用串行總線。在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)組織結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，引入了網(wǎng)絡(luò)的某些技術(shù)，已成為新型計(jì)算機(jī)接口的主流。USB是一種電纜總線，支持主機(jī)與各式各樣“即插即用”外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。多個(gè)設(shè)備按協(xié)議規(guī)定分享USB帶寬，在主機(jī)和總線上的設(shè)備運(yùn)行中，仍允許添加或拆除外設(shè)。USB總線具有以下主要特征：

（1）用戶易用性：電纜連接和連接頭采用單一模型，電氣特性與用戶無(wú)關(guān)，并提供了動(dòng)態(tài)連接、動(dòng)態(tài)識(shí)別等特性。

（2）應(yīng)用的廣泛性：傳輸率從幾kb/s到幾Mb/s，乃至上百M(fèi)b/s，并在同一根電纜線上支持同步、異步兩種傳輸模式?？梢詫?duì)多個(gè)USB總線設(shè)備（最多127個(gè)）同時(shí)進(jìn)行操作，利用底層協(xié)議提高了總線利用率，使主機(jī)和設(shè)備之間可傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)流和報(bào)文。

（3）使用的靈活性：允許對(duì)設(shè)備緩沖區(qū)大小進(jìn)行選擇，并通過(guò)設(shè)定緩沖區(qū)的大小和執(zhí)行時(shí)間，支持各種數(shù)據(jù)傳輸率，支持不同大小的數(shù)據(jù)包。

（4）容錯(cuò)性強(qiáng)：在協(xié)議中規(guī)定了出錯(cuò)處理和差錯(cuò)校正的機(jī)制，可以對(duì)有缺陷的設(shè)備進(jìn)行認(rèn)定，對(duì)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正或報(bào)告。

（5）“即插即用”的體系結(jié)構(gòu)：具有簡(jiǎn)單而完善的協(xié)議，并與現(xiàn)有的操作系統(tǒng)相適應(yīng)，不會(huì)產(chǎn)生任何沖突。

（6）性價(jià)比較高：USB雖然擁有諸多優(yōu)秀的特性，但其價(jià)格較低。USB總線技術(shù)將外設(shè)和主機(jī)硬件進(jìn)行最優(yōu)化集成，并提供了低價(jià)的電纜和連接頭等。

目前，USB總線技術(shù)應(yīng)用日益廣泛，各種臺(tái)式電腦和移動(dòng)式智能設(shè)備普遍配備了USB總線接口，同時(shí)出現(xiàn)了大量的USB外設(shè)（如USB電子盤(pán)等），USB接口芯片也日益普及。在智能儀器中裝備USB總線接口既可以使其方便地聯(lián)入U(xiǎn)SB系統(tǒng)，從而大大提高智能儀器的數(shù)據(jù)通信能力，也可使智能儀器選用各種USB外部設(shè)備，增強(qiáng)智能儀器的功能。3.3.1

USB的系統(tǒng)描述

USB系統(tǒng)分為USB主機(jī)、USB設(shè)備和USB連接三部分。任何USB系統(tǒng)中只有一個(gè)主機(jī)，USB系統(tǒng)和主機(jī)系統(tǒng)的接口稱為主機(jī)控制器（HostController），它是由硬件和軟件綜合實(shí)現(xiàn)的。USB設(shè)備包括集線器（Hub）和功能部件（Function）兩種類(lèi)型，集線器為USB提供了更多的連接點(diǎn)，功能部件則為系統(tǒng)提供了具體的功能。USB的物理連接為分層星型布局，每個(gè)集線器處于星型布局的中心，與其他集線器或功能部件點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。根集線器置于主機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部，用以提供對(duì)外的USB連接點(diǎn)。圖3-20為USB系統(tǒng)拓?fù)鋱D。圖3-20

USB總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

USB系統(tǒng)通過(guò)一種四線的電纜傳送信號(hào)和電源。分兩種數(shù)據(jù)傳輸模式：12Mb/s高速信號(hào)模式和1.5Mb/s低速信號(hào)模式，兩種模式可在同一USB總線傳輸時(shí)自動(dòng)切換。由于過(guò)多采用低速模式會(huì)降低總線的利用率，所以該模式只支持有限幾個(gè)低速設(shè)備（如鼠標(biāo)等）。若采用同步傳送方式，時(shí)鐘信號(hào)與差分?jǐn)?shù)據(jù)將一同發(fā)送（時(shí)鐘信號(hào)轉(zhuǎn)換成單極性非歸零碼），每個(gè)數(shù)據(jù)包中均帶有同步信號(hào)以保證收方還原出時(shí)鐘。USB電纜如圖3-21所示，VBUS、GND兩條線用來(lái)向USB設(shè)備提供電源。VBUS的電壓為+5V，為了保證足夠的輸入電壓和終端阻抗，重要的終端設(shè)備應(yīng)位于電纜尾部，每個(gè)端口都可檢測(cè)終端是否連接或分離，并區(qū)分出高速或低速設(shè)備。

所有設(shè)備都有一個(gè)上行或下行的連接器，上行連接器和下行連接器不可互換，因而避免了集線器間非法的、循環(huán)往復(fù)的連接。同一根電纜中還有一對(duì)互相纏繞的數(shù)據(jù)線。連結(jié)器有4個(gè)方向，并帶有屏蔽層，以避免外界的干擾。USB電源包括電源分配和電源管理兩方面內(nèi)容。電源分配是指USB如何分配主計(jì)算機(jī)所提供的能源，需要主機(jī)提供電源的設(shè)備稱做總線供電設(shè)備（如鍵盤(pán)、輸入筆和鼠標(biāo)等），自帶電源設(shè)備被稱做自供電設(shè)備。USB系統(tǒng)的主機(jī)有與USB相互獨(dú)立的電源管理系統(tǒng)，系統(tǒng)軟件可以與主機(jī)的能源管理系統(tǒng)結(jié)合共同處理各種電源事件，如掛起、喚醒等。圖3-21

USB電纜及信號(hào)3.3.2

USB總線協(xié)議

USB是一種輪詢方式的總線，主機(jī)控制器初始化所有的數(shù)據(jù)傳送。USB協(xié)議反映了USB主機(jī)與USB設(shè)備進(jìn)行交互時(shí)的語(yǔ)言結(jié)構(gòu)和規(guī)則。每次傳送開(kāi)始，主機(jī)控制器將發(fā)送一個(gè)描述傳輸?shù)牟僮鞣N類(lèi)、方向、USB設(shè)備地址和端口號(hào)的USB數(shù)據(jù)包，被稱為標(biāo)記包（PacketIDentifier，PID）；USB設(shè)備從解碼后的數(shù)據(jù)包的適當(dāng)位置取出屬于自己的數(shù)據(jù)。傳輸開(kāi)始時(shí)，由標(biāo)記包來(lái)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(gè)對(duì)應(yīng)的握手?jǐn)?shù)據(jù)包以表明是否發(fā)送成功。發(fā)送端和接收端之間的USB傳輸，有兩種類(lèi)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、傳送服務(wù)類(lèi)型和端口特性（如方向、緩沖區(qū)大小等）有關(guān)。多數(shù)信道在USB設(shè)備設(shè)置完成后才會(huì)存在。而默認(rèn)控制信道當(dāng)設(shè)備一啟動(dòng)后即存在，從而為設(shè)備的設(shè)置、狀況查詢和輸入控制信息提供了方便。

任務(wù)安排可對(duì)流通道進(jìn)行數(shù)據(jù)控制。發(fā)送“不予確認(rèn)”握手信號(hào)即可阻塞數(shù)據(jù)傳輸，若總線有空閑，數(shù)據(jù)傳輸將重復(fù)進(jìn)行。這種流控制機(jī)制允許靈活的任務(wù)安排，可使不同性質(zhì)的流通道同時(shí)正常工作，這樣多種流通道可在不同時(shí)間段進(jìn)行工作，傳送不同大小的數(shù)據(jù)包。3.3.3

USB數(shù)據(jù)流

USB總線上的數(shù)據(jù)流就是主機(jī)與USB設(shè)備之間的通信。這種數(shù)據(jù)流可分為應(yīng)用層、USB邏輯設(shè)備層和USB總線接口層，共有四種基本的數(shù)據(jù)傳送類(lèi)型：

（1）控制傳送：控制傳送采用了嚴(yán)格的差錯(cuò)控制機(jī)制，其數(shù)據(jù)傳送是無(wú)損的。USB設(shè)備在初次安裝時(shí)，USB系統(tǒng)軟件使用控制傳送來(lái)設(shè)置參數(shù)。

（2）批傳送：批量數(shù)據(jù)即大量數(shù)據(jù)，如打印機(jī)和掃描儀中所使用的。批量數(shù)據(jù)是連續(xù)傳送的，在硬件級(jí)上使用錯(cuò)誤檢測(cè)以保證可靠的數(shù)據(jù)傳輸，在協(xié)議中引入了數(shù)據(jù)的可重復(fù)傳送。根據(jù)其他一些總線動(dòng)作，批量數(shù)據(jù)占用的帶寬可做相應(yīng)的改變。

（3）中斷傳送：中斷數(shù)據(jù)是少量的，要求傳送延遲時(shí)間短。這種數(shù)據(jù)可由設(shè)備在任何時(shí)刻發(fā)送，并且以不慢于設(shè)備指定的速度在USB上傳送。中斷數(shù)據(jù)一般由事件通告、特征及坐標(biāo)組成，只有一個(gè)或幾個(gè)字節(jié)。

（4）同步傳送：在建立、傳送和使用同步數(shù)據(jù)時(shí)，須滿足其連續(xù)性和實(shí)時(shí)性。同步數(shù)據(jù)以穩(wěn)定的速率發(fā)送和接收。為使接收方保持相同的時(shí)間安排，同步信道的帶寬的確定必須滿足對(duì)相關(guān)功能部件的取樣特征。除了傳輸率，同步數(shù)據(jù)對(duì)傳送延遲非常敏感，因此也須做相關(guān)處理。一個(gè)典型的例子是聲音傳送，如果數(shù)據(jù)流的傳送率不能保證，則數(shù)據(jù)丟失將取決于緩沖區(qū)和幀的大小。即使數(shù)據(jù)在硬件上以合適的速率傳送，但軟件造成的傳送延遲也會(huì)對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)造成損害。一般USB系統(tǒng)會(huì)從USB帶寬中，給同步數(shù)據(jù)流分配專有部分，以滿足所需要的傳輸率。

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（64kb/s+16kb/s）到T1（1.5Mb/s）速率的電信設(shè)備，而且USB支持在同一時(shí)刻的不同設(shè)備具有不同的傳輸速率，并可動(dòng)態(tài)變化。3.3.4

USB的容錯(cuò)性能

USB提供了多種數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，如使用差分驅(qū)動(dòng)、接收和防護(hù)，以保證信號(hào)的完整性；使用循環(huán)冗余碼，以進(jìn)行外設(shè)裝卸的檢測(cè)和系統(tǒng)資源的設(shè)置，對(duì)丟失和損壞的數(shù)據(jù)包暫停傳輸，利用協(xié)議自我恢復(fù)，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。上述機(jī)制的建立，極大地保證了數(shù)據(jù)的可靠傳輸。在錯(cuò)誤檢測(cè)方面，協(xié)議中對(duì)每個(gè)包中的控制位都提供了循環(huán)冗余碼校驗(yàn)，并提供了一系列的硬件和軟件設(shè)施來(lái)保證數(shù)據(jù)正確性，循環(huán)冗余碼可對(duì)一位或兩位的錯(cuò)誤進(jìn)行100%的恢復(fù)。在錯(cuò)誤處理方面，協(xié)議在硬件和軟件上均有措施。硬件的錯(cuò)誤處理包括匯報(bào)錯(cuò)誤和重新進(jìn)行一次傳輸，傳輸中若再次遇到錯(cuò)誤，由USB的主機(jī)控制器按照協(xié)議重新進(jìn)行傳輸，最多可進(jìn)行三次。若錯(cuò)誤依然存在，則對(duì)客戶端軟件報(bào)告錯(cuò)誤，使之按特定方式處理。3.3.5

USB設(shè)備

USB設(shè)備有集線器和功能部件兩類(lèi)。在即插即用的USB結(jié)構(gòu)體系中，集線器（如圖3-22所示）簡(jiǎn)化了USB互聯(lián)的復(fù)雜性，可使更多不同性質(zhì)的設(shè)備聯(lián)入U(xiǎn)SB系統(tǒng)中。集線器各連接點(diǎn)被稱做端口，上行端口向主機(jī)方向連接（每個(gè)集線器只有1個(gè)上行端口），下行端口可連接另外的集線器或功能部件。集線器具有檢測(cè)每個(gè)下行端口設(shè)備的安裝或拆卸的功能，并可對(duì)下行端口的設(shè)備分配能源，每個(gè)下行端口可辨別所連接的設(shè)備是高速還是低速。集線器包括兩部分：集線控制器和集線再生器。集線再生器位于上行端口和下行端口之間，可放大衰減的信號(hào)和恢復(fù)畸變的信號(hào)，并且支持復(fù)位、掛起、喚醒等功能。通過(guò)集線控制器所帶有的接口寄存器，主機(jī)對(duì)集線器的狀態(tài)參數(shù)和控制命令進(jìn)行設(shè)置，并監(jiān)視和控制其端口。圖3-22

USB集線器示意圖

功能部件是通過(guò)總線進(jìn)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(gè)端口上。功能部件一般相互獨(dú)立，但也有一種復(fù)合設(shè)備，其中有多個(gè)功能部件和一個(gè)內(nèi)置集線器，共同利用一根USB電纜。每個(gè)功能部件都含有描述該設(shè)備的性能和所需資源的設(shè)置信息。主機(jī)應(yīng)在功能部件使用前對(duì)其設(shè)置，如分配USB帶寬等。定位設(shè)備（鼠標(biāo)、光筆）、輸入設(shè)備（鍵盤(pán)）、輸出設(shè)備（打印機(jī)）等都屬于功能部件。

當(dāng)設(shè)備被連接并編號(hào)后，有唯一的USB地址。USB系統(tǒng)就是通過(guò)該地址對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作的。每一個(gè)USB設(shè)備通過(guò)一條或多條信道與主機(jī)通信。所有的USB設(shè)備在零號(hào)端口上有一指定的信道，USB的控制信道即與之相聯(lián)。通過(guò)這條控制信道，所有的USB設(shè)備都有一個(gè)共同的準(zhǔn)入機(jī)制，以獲得控制操作的信息。控制信道中的信息應(yīng)完整地描述USB設(shè)備，主要包括標(biāo)準(zhǔn)信息類(lèi)別和USB生產(chǎn)商的信息。3.3.6

USB系統(tǒng)設(shè)置

USB設(shè)備可隨時(shí)安裝或拆卸。所有USB設(shè)備連接在USB系統(tǒng)的某個(gè)端口上。集線器有一個(gè)狀態(tài)指示器，可指明USB設(shè)備的連接狀態(tài)。主機(jī)將所有集線器排成隊(duì)列以取回USB設(shè)備的連接狀態(tài)信號(hào)。在USB設(shè)備安裝后，主機(jī)通過(guò)設(shè)備控制信道來(lái)激活該端口，并將默認(rèn)的地址值賦給USB設(shè)備（主機(jī)對(duì)每個(gè)設(shè)備指定了唯一的USB地址），并檢測(cè)這種新裝的USB設(shè)備是下一級(jí)的集線器還是功能部件。如果安裝的是集線器，并有外設(shè)連在其端口上，上述過(guò)程對(duì)每個(gè)USB設(shè)備的安裝都要做一遍；如果屬功能部件，則主機(jī)關(guān)于該設(shè)備的驅(qū)動(dòng)軟件等將被激活。當(dāng)USB設(shè)備從集線器的端口拆除后，集線器關(guān)閉該端口，并向主機(jī)報(bào)告設(shè)備已不存在，USB系統(tǒng)軟件將準(zhǔn)確地進(jìn)行撤消處理。如果拆除的是集線器，則系統(tǒng)軟件將對(duì)集線器及連接在其上的所有設(shè)備進(jìn)行撤消處理。3.3.7

USB系統(tǒng)中的主機(jī)

USB系統(tǒng)的主機(jī)通過(guò)主機(jī)控制器與USB設(shè)備進(jìn)行交互。主要功能為：檢測(cè)USB設(shè)備的安裝或拆卸，管理主機(jī)和USB設(shè)備間的控制數(shù)據(jù)流，收集狀態(tài)和操作信息，向各USB設(shè)備提供電源。USB系統(tǒng)軟件管理USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的運(yùn)作，包括設(shè)備編號(hào)和設(shè)置、同步數(shù)據(jù)傳輸、異步數(shù)據(jù)傳輸、電源管理、設(shè)備與總線信息管理等。圖3-23

PDIUSBD12引腳結(jié)構(gòu)3.3.8

USB總線儀器

USB總線儀器的開(kāi)發(fā)一般由以下幾部分組成：硬件的設(shè)計(jì)、USB控制芯片固件的實(shí)現(xiàn)、Windows驅(qū)動(dòng)的編寫(xiě)以及應(yīng)用程序編寫(xiě)。下面介紹一種基于USB的數(shù)據(jù)采集儀。

該儀器的USB接口采用專用芯片PDIUSBD12，它是一款性價(jià)比很高的USB器件，它通常用作微控制器系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)與微控制器進(jìn)行通信的高速通用并行接口，它還支持本地的DMA傳輸。這種實(shí)現(xiàn)USB接口的標(biāo)準(zhǔn)組件使得設(shè)計(jì)者可以在各種不同類(lèi)型微控制器中選擇出最合適的微控制器，這種靈活性減小了開(kāi)發(fā)的時(shí)間、風(fēng)險(xiǎn)以及費(fèi)用。通過(guò)使用已有的結(jié)構(gòu)和減少固件上的投資，從而用最快捷的方法實(shí)現(xiàn)最經(jīng)濟(jì)的USB外設(shè)的解決方案。表3-6

PDIUSBD12管腳信號(hào)圖3-24

USB數(shù)據(jù)采集儀硬件框圖

下面分別詳細(xì)說(shuō)明各部分的主要特點(diǎn)。

（1）USB總線接口。USB總線接口采用的是PDIUSBD12，見(jiàn)圖3-25。高性能USB接口器件集成了SIE、FIFO存儲(chǔ)器、收發(fā)器以及電壓調(diào)整器，可與任何微控制器/微處理器實(shí)現(xiàn)高速并行接口（2Mb/s），直接內(nèi)存存取DMA操作，雙電源操作3.3V或擴(kuò)展的5V電源，在批量模式和同步模式下均可實(shí)現(xiàn)1Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。選用PDIUSBD12控制芯片可以方便地與微控制器接口。無(wú)論是DSP還是MCU和ARM，都可以方便地與它接口，并升級(jí)系統(tǒng)。

（2）微控制器單元。P89C51RD2HBA是PHILIPS公司推出基于8051核的單片機(jī)。它內(nèi)部有64KB的Flash存儲(chǔ)器，支持串行在系統(tǒng)編程（ISP）和在應(yīng)用中編程（IAP）。該器件的1個(gè)機(jī)器周期由6個(gè)時(shí)鐘周期組成，因此運(yùn)行速度是傳統(tǒng)80C51的兩倍。該單片機(jī)有4組8位I/O口、3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、多個(gè)中斷源、4個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)嵌套結(jié)構(gòu)、1個(gè)增強(qiáng)型UART。考慮到該芯片可以利用ISP和IAP方便地下載程序，可以實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)可編程，并最大限度減小了額外的元器件開(kāi)銷(xiāo)和電路板面積。而且它的速度是相同晶振頻率8051單片機(jī)的兩倍，可以大大地提高系統(tǒng)整體的運(yùn)行速度。

（3）數(shù)據(jù)采集部分。ADS7809是TI公司的16位、100kHz的采樣率、單+5V電源A/D芯片。它是電容式逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器。片內(nèi)帶有+2.5V基準(zhǔn)源，最大功耗小于100mW。與同類(lèi)16位A/D相比，ADS7809具有較高的穩(wěn)定性，而且功耗較低，采樣率也能滿足要求。

2.數(shù)據(jù)采集儀的固件程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集儀的固件程序主要由兩部分構(gòu)成：A/D采集數(shù)據(jù)程序和USB與主機(jī)通信程序。圖3-26系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

固件程序采用在中斷程序中置相應(yīng)標(biāo)志位，在主循環(huán)程序中處理數(shù)據(jù)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和USB通信的功能。系統(tǒng)軟件中的后臺(tái)程序ISR（中斷處理程序）和前臺(tái)主循環(huán)程序之間的數(shù)據(jù)交換是通過(guò)標(biāo)志位和數(shù)據(jù)緩存區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖3-26所示。這種結(jié)構(gòu)，主循環(huán)不關(guān)心數(shù)據(jù)是來(lái)自USB還是其他渠道，它只檢查循環(huán)緩沖區(qū)內(nèi)需要處理的新數(shù)據(jù)，這樣主循環(huán)程序?qū)Ｗ⒂跀?shù)據(jù)的處理，而ISR能夠以最大可能的速度進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。采用這種稱為前后臺(tái)的處理方式可以節(jié)省微處理器的開(kāi)銷(xiāo)，高效地利用微處理器資源。

（1）A/D數(shù)據(jù)采集程序。設(shè)備得到主機(jī)啟動(dòng)命令后啟動(dòng)A/D。A/D采集數(shù)據(jù)后經(jīng)過(guò)串并轉(zhuǎn)換并將數(shù)據(jù)推入FIFO，當(dāng)FIFO半滿時(shí)發(fā)出中斷請(qǐng)求，微控制器響應(yīng)中斷，置相應(yīng)的標(biāo)志位。前臺(tái)主循環(huán)程序查詢標(biāo)志位，進(jìn)行讀數(shù)操作。

（2）USB與主機(jī)通信程序。USB最初被設(shè)計(jì)成可以處理對(duì)傳輸速率、響應(yīng)時(shí)間和錯(cuò)誤校正有不同要求的很多類(lèi)型的外設(shè)。數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟煌?lèi)型處理不同的需要，一個(gè)外設(shè)可以支持它最適合的傳輸類(lèi)型。PDIUSBD12芯片包括控制端點(diǎn)、中斷端點(diǎn)和主端點(diǎn)，它們分別完成控制傳輸、中斷傳輸和同步傳輸。

在這個(gè)系統(tǒng)中主機(jī)通過(guò)中斷傳輸給采集系統(tǒng)發(fā)送命令。主端點(diǎn)可以配置成同步傳輸或批量傳輸，主端點(diǎn)是吞吐大數(shù)據(jù)的主要端點(diǎn)。在數(shù)據(jù)采集儀中，主端點(diǎn)配置成同步傳輸，用來(lái)傳送A/D采集回來(lái)的數(shù)據(jù)。下面分別說(shuō)明各個(gè)端點(diǎn)子程序。

（1）控制端點(diǎn)子程序完成USB總線列舉過(guò)程，如圖3-27所示。當(dāng)USB接口器件（PDIUSBD12）接收到建立包，產(chǎn)生一個(gè)中斷通知微控制器，微控制器響應(yīng)中斷并通過(guò)讀D12中斷寄存器決定包是否發(fā)到控制端點(diǎn)。如果包是送往控制端點(diǎn)，MCU需要通過(guò)讀D12的最后處理狀態(tài)寄存器進(jìn)一步確定數(shù)據(jù)是否是一個(gè)建立包，第一個(gè)包必須是建立包。如果是建立包，就根據(jù)主機(jī)命令作出相應(yīng)的應(yīng)答。

（2）主端點(diǎn)子程序傳送A/D采集的數(shù)據(jù)到PC。在A/D采集完數(shù)據(jù)后，微控制器讀取A/D采集的數(shù)據(jù)并保存數(shù)據(jù)到主端點(diǎn)緩沖區(qū)，主循環(huán)程序先寫(xiě)一批數(shù)據(jù)到USB的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，置相應(yīng)的標(biāo)志位。當(dāng)主機(jī)從USB緩沖區(qū)讀數(shù)據(jù)時(shí)，中斷程序清空USB緩沖區(qū)，并把下一批要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)從主端點(diǎn)緩沖區(qū)寫(xiě)入U(xiǎn)SB緩沖區(qū)，等待主機(jī)下一次讀USB緩沖區(qū)，這樣循環(huán)反復(fù)直至完成主端點(diǎn)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)傳輸。

（3）中斷端點(diǎn)子程序完成PC向采集系統(tǒng)發(fā)送采集數(shù)據(jù)命令的功能，如圖3-28所示。中斷端點(diǎn)的緩沖區(qū)最大為16個(gè)字節(jié)，通過(guò)中斷端點(diǎn)給系統(tǒng)發(fā)送A/D的啟動(dòng)命令、通道、采樣點(diǎn)數(shù)和采樣間隔，使用中斷端點(diǎn)傳送主機(jī)發(fā)送的命令，使數(shù)據(jù)采集儀能夠快速地作出響應(yīng)。中斷端點(diǎn)子程序首先讀出USB的中斷端點(diǎn)緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)保存到主循環(huán)中斷端點(diǎn)緩沖區(qū)，之后判斷緩沖區(qū)的第一個(gè)字節(jié)是不是啟動(dòng)A/D的命令。如果是，則置相應(yīng)的標(biāo)志位，在主循環(huán)中讀取中斷端點(diǎn)緩沖區(qū)的其他數(shù)據(jù)，得到通道、采樣數(shù)和采樣間隔的信息，調(diào)用A/D采集程序，啟動(dòng)A/D。圖3-27控制端點(diǎn)子程序圖3-28中斷端點(diǎn)子程序

通過(guò)應(yīng)用USB作為數(shù)據(jù)采集儀的通信總線，使數(shù)據(jù)采集儀具有了無(wú)需外接電源、可以熱插拔等特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)測(cè)試，數(shù)據(jù)采集儀采樣速率可以達(dá)到100kb/s，可以完成一般用途的數(shù)據(jù)采集的需要。

隨著USB2.0規(guī)范的推出，USB在速度上（協(xié)議中說(shuō)明可以達(dá)到480Mb/s）有了長(zhǎng)足的發(fā)展，在USB2.0的補(bǔ)充規(guī)范中提出了USBOTG（On-The-Go）協(xié)議，可以使外設(shè)以主機(jī)的身份與其他外設(shè)相連，外設(shè)與外設(shè)可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)地通信，這給USB帶來(lái)更強(qiáng)的生命力。目前，USB廣泛的應(yīng)用在儀器儀表、計(jì)算機(jī)和消費(fèi)電子類(lèi)產(chǎn)品等領(lǐng)域。 3.4智能卡接口技術(shù)

智能卡的英文為SmartCard，又稱集成電路卡，即IC卡（IntegratedCircuitCard），有些國(guó)家也稱之為智慧卡、微芯片卡等。它將一個(gè)專用的集成電路芯片鑲嵌于PVC（或ABS等）塑料基片中，封裝成卡的形式，其外形與覆蓋磁條的磁卡相似。IC卡的概念是20世紀(jì)70年代初提出的，法國(guó)布爾（BULL）公司于1976年首先創(chuàng)造出IC卡產(chǎn)品，并將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到金融、交通、醫(yī)療、身份證明等多個(gè)行業(yè)，它將微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合在一起，提高了人們生活和工作的現(xiàn)代化程度。IC卡芯片具有寫(xiě)入數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的能力，IC卡存儲(chǔ)器中的內(nèi)容根據(jù)需要可以有條件地供外部讀取，或供內(nèi)部信息處理和判斷。根據(jù)卡中所鑲嵌的集成電路的不同可以分成以下六類(lèi)。

（1）存儲(chǔ)卡?？ㄖ械募呻娐窞殡姴脸删幊讨蛔x存儲(chǔ)器EEPROM（Electrically

Erasable

ProgrammableRead-onlyMemory），以及地址譯碼電路和指令譯碼電路。存儲(chǔ)卡屬于被動(dòng)型卡，通常采用同步通信方式。這種卡片存儲(chǔ)方便、使用簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，在很多場(chǎng)合可以替代磁卡。但該類(lèi)IC卡不具備保密功能，用于存放不需要保密的信息。例如醫(yī)療上用的急救卡、餐飲業(yè)用的客戶菜單卡。常見(jiàn)的存儲(chǔ)卡有ATMEL公司的AT24C16、AT24C64等。

（2）邏輯加密卡?？ㄖ械募呻娐肪哂屑用苓壿嫼虴EPROM。每次讀/寫(xiě)卡之前要先進(jìn)行密碼驗(yàn)證，如果連續(xù)幾次密碼驗(yàn)證錯(cuò)誤，卡片將會(huì)自鎖，成為死卡。從數(shù)據(jù)管理、密碼校驗(yàn)和識(shí)別方面來(lái)說(shuō)，邏輯加密卡也是被動(dòng)型卡，采用同步方式進(jìn)行通信。該類(lèi)卡片存儲(chǔ)量相對(duì)較小、價(jià)格相對(duì)便宜，適用于有一定保密要求的場(chǎng)合，如食堂就餐卡、電話卡、公共事業(yè)收費(fèi)卡。常見(jiàn)的邏輯加密卡有SIEMENS公司的SLE4442、SLE4428，ATMEL公司的AT88SC1608等。

（3）CPU卡。卡中的集成電路包含微處理器單元（CPU）、存儲(chǔ)單元（RAM、ROM和EEPROM）和輸入/輸出接口單元。其中，RAM用于存放運(yùn)算過(guò)程中的中間數(shù)據(jù)，ROM中固化有片內(nèi)操作系統(tǒng)COS（ChipOperatingSystem），而EEPROM用于存放持卡人的個(gè)人信息以及發(fā)行單位的有關(guān)信息。CPU管理信息的加/解密和傳輸，嚴(yán)格防范非法訪問(wèn)卡內(nèi)信息，發(fā)現(xiàn)數(shù)次非法訪問(wèn)，將鎖死相應(yīng)的信息區(qū)（也可用高一級(jí)命令解鎖）。CPU卡的容量有大有小，價(jià)格比邏輯加密卡要高。CPU卡的良好的處理能力和上佳的保密性能，使其成為IC卡發(fā)展的主要方向。CPU卡適用于保密性要求特別高的場(chǎng)合，如金融卡、軍事密令傳遞卡等。國(guó)際上比較著名的CPU卡提供商有Gemplus、G&D、Schlumberger等。

（4）超級(jí)智能卡。在CPU卡的基礎(chǔ)上增加鍵盤(pán)、液晶顯示器、電源，即成為超級(jí)智能卡，有的卡上還具有指紋識(shí)別裝置。VISA國(guó)際信用卡組織試驗(yàn)的一種超級(jí)卡即帶有20個(gè)鍵，可顯示16個(gè)字符，除有計(jì)時(shí)、計(jì)算機(jī)匯率換算功能外，還存儲(chǔ)有個(gè)人信息、醫(yī)療、旅行用數(shù)據(jù)和電話號(hào)碼等。

（5）混合卡?；旌峡ㄒ泊嬖诙喾N形式，將IC芯片和磁卡同做在一張卡片上，將接觸式和非接觸式融為一體，一般都稱為“混合卡”。

（6）光卡。光卡（OpticalCard）由半導(dǎo)體激光材料組成，能夠儲(chǔ)存記錄并再生大量信息。光卡記錄格局目前形成了兩種格局：Canon型和Delta型。這兩種形式均已被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織接收為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。光卡具有體積小、便于隨身攜帶、數(shù)據(jù)安全可靠、容量大、抗干擾性強(qiáng)、不易更改、保密性好和相對(duì)價(jià)格便宜等長(zhǎng)處。

在IC卡選型時(shí)需考慮如下參數(shù)：

（1）環(huán)境溫度。如CPU卡的工作溫度在0℃以上，而MemoryCard可以工作在-20℃的低溫環(huán)境。

（2）工作電壓。SIEMENS公司的IC卡一般工作電壓在4.75~5.25V，ATMEL公司的IC卡工作電壓在2.7~5.5V。

（3）擦寫(xiě)次數(shù)。IC卡的壽命由對(duì)IC卡的擦寫(xiě)次數(shù)決定，SIEMENS公司的IC卡指標(biāo)為1萬(wàn)次擦寫(xiě)壽命，ATMEL公司的IC卡指標(biāo)為10萬(wàn)次擦寫(xiě)壽命。

（4）使用壽命。IC卡讀寫(xiě)器的使用壽命主要由兩個(gè)因素決定：讀寫(xiě)器本身器件的選擇和卡座的壽命?？ㄗ膲勖謩e由10萬(wàn)次、20萬(wàn)次和50萬(wàn)次。國(guó)內(nèi)一些制造商也生產(chǎn)了相當(dāng)數(shù)量的少于7000次壽命的卡座，主要用于IC卡收費(fèi)的終端表內(nèi)，如IC卡電表、民用水表、煤氣表等。

（5）上電操作。讀寫(xiě)器對(duì)IC卡的上電操作，僅在接到軟件發(fā)出的指令以后才能進(jìn)行，在IC卡沒(méi)有插入的情況下，應(yīng)給出上電出錯(cuò)的返回代碼。

（6）可靠性。3.4.1

IC卡的接口設(shè)備

為了使用卡片，需要有與IC卡配合工作的接口設(shè)備IFD（InterfaceDevice），或稱為讀寫(xiě)設(shè)備。IFD可以是一個(gè)由微處理器、鍵盤(pán)、顯示器與I/O接口組成的獨(dú)立設(shè)備，該接口設(shè)備通過(guò)IC卡上的8個(gè)觸點(diǎn)向IC卡提供電源并與IC卡相互交換信息。IFD也可以是一個(gè)簡(jiǎn)單的接口電路，IC卡通過(guò)該電路與通用微機(jī)相連接。IC卡上能存儲(chǔ)的信息總是有限的，因此大部分信息需要存放在接口設(shè)備或計(jì)算機(jī)中。3.4.2

IC卡存儲(chǔ)區(qū)的分配和功能

存儲(chǔ)型IC卡又分為兩種，如圖3-29所示。圖3-29

IC卡邏輯結(jié)構(gòu)

通用存儲(chǔ)器IC卡：一般均采用通用存儲(chǔ)器芯片，不完全符合或支持有關(guān)IC卡國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，沒(méi)有或很少有安全控制功能。

智能存儲(chǔ)器IC卡：采用智能存儲(chǔ)器芯片（稱為專用IC卡芯片），符合或支持有關(guān)IC卡國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，具有較為完善的安全控制功能。

IC卡一般分為四個(gè)存儲(chǔ)區(qū)：

（1）公開(kāi)的（不保密的）存儲(chǔ)區(qū)：內(nèi)含公用信息，注入發(fā)行標(biāo)識(shí)符，持卡人的賬號(hào)等。

（2）外部不可讀的存儲(chǔ)區(qū)：存儲(chǔ)的內(nèi)容供內(nèi)部決策用，如PIN值，該值是在卡片發(fā)行時(shí)進(jìn)行個(gè)人或處理寫(xiě)入的，用戶在輸入正確的PIN值后，允許輸入新PIN值進(jìn)行修改，但在任何情況下，都不允許將存儲(chǔ)在卡中的PIN值向外界傳送。在本存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)還可能存放秘鑰。

（3）保密存儲(chǔ)區(qū)：內(nèi)含賬面余額、允許卡使用的服務(wù)類(lèi)型及限額等。當(dāng)持卡人輸入正確的PIN值后，允許讀取本存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)，并根據(jù)應(yīng)用情況寫(xiě)入正確數(shù)據(jù)（如修改余額）。

（4）記錄區(qū)：內(nèi)含每次交易細(xì)節(jié)，稱為日志，可供查詢。除了存儲(chǔ)器卡外，在其他IC卡中還有邏輯電路或微處理器，提供安全可靠的服務(wù)。3.4.3接觸型IC卡及接口

接觸式IC卡是指通過(guò)IC卡讀寫(xiě)設(shè)備的觸點(diǎn)與IC卡的觸點(diǎn)接觸后進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO7816對(duì)此類(lèi)卡的機(jī)械特性、電器特性等進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)定。

1.國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IC卡接觸點(diǎn)分布

IC卡接觸點(diǎn)引腳及觸點(diǎn)功能如圖3-30和表3-7所示。圖3-30

IC卡接觸點(diǎn)引腳圖表3-7觸點(diǎn)功能表

2.接觸式IC卡讀卡器的硬件設(shè)計(jì)

IC卡主要通過(guò)卡本身插入讀卡器終端，與上位機(jī)或遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)交換信息，如圖3-31所示，即IC卡發(fā)送和響應(yīng)上位機(jī)命令的過(guò)程示意圖。圖3-31

IC卡命令發(fā)送及響應(yīng)過(guò)程圖3-32

IC卡與單片機(jī)的接口電路

3.接觸式IC卡讀卡器的軟件設(shè)計(jì)

圖3-33識(shí)卡流程圖3.4.4非接觸型IC卡及接口

非接觸式IC卡又稱射頻卡，它成功地將射頻識(shí)別技術(shù)和IC卡技術(shù)結(jié)合起來(lái)，解決了無(wú)源和免接觸的難題，是電子器件領(lǐng)域的一大突破。非接觸式IC卡與IC卡讀卡器之間無(wú)機(jī)械觸點(diǎn)，通過(guò)無(wú)線電波來(lái)完成讀寫(xiě)操作，二者之間的通信頻率為13.56MHz，滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO10536系列規(guī)定。非接觸式IC卡操作快捷、抗環(huán)境污染、抗靜電能力、設(shè)備無(wú)需經(jīng)常維護(hù)，一般用在使用頻繁、信息量相對(duì)較少、可靠性要求較高的場(chǎng)合，如電子交易，門(mén)禁系統(tǒng)，防偽，各種電、水、熱能和煤氣計(jì)量表的預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)，乃至寵物識(shí)別等系統(tǒng)。

1.非接觸式IC卡系統(tǒng)構(gòu)成

與接觸式IC相比，非接觸式IC卡內(nèi)嵌芯片除CPU、邏輯單元、存儲(chǔ)單元外，增加了射頻收發(fā)電路。非接觸式IC卡本身是無(wú)源卡，當(dāng)讀寫(xiě)器對(duì)卡進(jìn)行讀寫(xiě)操作時(shí)，讀寫(xiě)器發(fā)出的信號(hào)由兩部分疊加組成：一部分是電源信號(hào)，該信號(hào)由卡接收后，與本身的L/C產(chǎn)生一個(gè)瞬間能量來(lái)供給芯片工作。另一部分則是指令和數(shù)據(jù)信號(hào)，指揮芯片完成數(shù)據(jù)的讀取、修改、儲(chǔ)存等，并返回信號(hào)給讀寫(xiě)器。

非接觸式IC卡系統(tǒng)一般由控制器、讀寫(xiě)器、IC卡組成，框圖見(jiàn)圖3-34所示