智能仪器设计与实现05 智能仪器的标准数据通信接口

第5章 智能仪器的标准数据通信 接口
• • • • 5.1 串行数据通信 5.1.1 串行通信的基本概念 1.数据传送速率——波特率(Baud rate) 2.单工、半双工与全双工
图5.1 全双工、半双工、单工示意图
• (1)单工(Simplex)方式：仅允许数据单方向 传送； • (2)半双工(Half-Duplex)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(Full-Duplex)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。 • 3.串行传送(通信)方式及规程 • (1)异步传送规程
信息，输出LLC帧和 接口控制信息至 LLC子层。 • 总 之 ， CAN 具 有 如 下主要特性：
图5.23 CAN总线上的电平表示
• 1)多主站依据优先权进行总线访问； • 2)无破坏性的基于优先权的仲裁； • 3)借助接收过滤的多地址帧传送；
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4)远程数据请求； 5)配置灵活性； 6)全系统数据相容性； 7)错误检测和出错信令； 8)发送期间若丢失仲裁或由于出错而遭破坏 的帧可自动重发送； • 9)暂时错误和永久性故障节点的判别以及故 障节点的自动脱离。 • 5.4.2 CAN总线有关器件介绍 • 1.Intel 82527 CAN通信控制器
图5.24 82527功能框图
• 其主要特性可概括如下： • 支持CAN2.0B规范，包括标准和扩展数据 帧和远程帧； • 可程控全局屏蔽，包括标准和扩展标识符；
• 具有15个信息缓冲区，每个信息长度为8字 节，包括14个TX/RX缓冲区，1个带可程控 屏蔽的RX缓冲区； • 可变CPU接口，包括多路8位总线(Intel或 Motorola方式)，多路16位总线，8位非多路 总线(同步/异步)，串行接口(如SPI)； • 可程控速率并有可程控时钟输出； • 可变中断结构； • 可设置输出驱动器和输入比较器结构； • 两个8位双向I/O口。
• 在用做数字输入时，可设置为由输入端变 化而引起CAN报文自动发送； • 两个分辨率为10位的准模拟量(分配脉冲调 制PDM)输出； • 具有6路模拟输入通道的10位A/D转换器； • 两个通用比较器。 • 3)工作特性 • 电源电压为5V±4%，典型电耗20mA； • 工作温度范围为-40～+125℃； • 采用28脚小型表面封装。
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2.带有CAN总线接口的微控制器及I/O器件 (1)8位微控制器P8XC592 (2)CAN总线I/O器件82C150 1)CAN接口功能 符 合 具 有 严 格 的 位 定 时 的 CAN 技 术 规 范 2.0A和2.0B； • 全集成内部时钟振荡器(不需要晶振)，位速 率为20~125kbps； • 具有位速率自动检测和校正功能； • 有4个可编程标识符位，在一个CAN总线系
图5.9 RS—485总线多站互连原理图
• 速率(bps)×距离(m)≤100M • 1.传输线的选择和阻抗匹配 • 2.隔离
• 3.抗静电放电冲击 • 4.传输线的铺设及屏蔽
图5.10 传输距离与传输 速率关系
图5.11 光电隔离的RS—485总线
• 5.2 并行数据通信 • 5.2.1 Centronics标准并行接口
图5.15 8291A引脚及内部结构图
(a)VXI系统模板尺寸
(b)VXI系统连接器及总线分布 图5.16
图5.17 VXI总线通信规程示意图
• 5.3 USB总线技术 • USB总线具有以下主要特征： • (1)用户易用性：电缆连接和连接头采用单 一模型，电气特性与用户无关，并提供了 动态连接、动态识别等特性；
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低电流待机方式(可有效降低功耗)； 掉电自动关闭输出； 可支持多达110个节点相连接。 5.4.3 CAN总线的应用
图5.25 82C250功能框图
• 5.2.2 GP.IB(IEEE—488)总线
图5.12 GP-IB自动测试系统
• 1.控制器的操作 • 2.三线挂钩操作 • 5.2.3 VXI总线 (VMEbus Extensions for Instrumentation)
图5.13 GP-IB 连接器及信号
图5.14 GP-IB总线的三 线挂钩操作
图5.4 带RS—232C接口的通信设备连接
图5.5 全双工标准系统连接
• 3.电平转换 • 4.计算机接口 • 5.1.3 RS—422A 与 RS—423A标准串行接 口总线
图5.6 全双工最简系统连接
图5.7 调制解调器通讯系统连接图
• 虽然，RS—232C使用很广 泛，但它存在着一些固有 的不足，主要有： • 数据传输速率慢，一般低 于20kbps； • 传送距离短，一般局限于
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(2)同步传送规程 4.基带传输 5.调制/解调与调制/解调器 5.1.2 RS—232标准串行接口总线
图5.2 异步传送数据格式
图5.3 同步传送数据格式
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1.总线描述 驱动器的输出电平为： 逻辑“0”：+5~+15V 逻辑“1”：-5~-15V 接收器的输入检测电平为： 逻辑“0”：>+3V 逻辑“1”：<-3V (1)数据信号线 (2)控制信号线 2.RS—232C接口的常用系统连接
图5.21 ISO参考模型的7层体系结构
• LLC子层提供的功能 有： • (1)帧接收过滤：数据 帧内容由标识符命名。 标识符并不能指明帧 的目的地，每个接收 器通过帧接收过滤确 定此帧与己是否有关； • (2)超载通告：如果接 收器内部条件要求延 迟下一个LLC数据帧
图5.22 CAN的分层结构
• (2) 应 用 的 广 泛 性 ： 传 输 率 从 几 kbps 到 几 Mbps，乃至上百Mbps，并在同一根电缆上 支持同步、异步两种传输模式。可以对多 个USB总线设备(最多127个)同时进行操作， 利用底层协议提高了总线利用率，使主机 和设备之间可传输多个数据流和报文； • (3)使用的灵活性：允许对设备缓冲区大小 进行选择，并通过设定缓冲区的大小和执 行时间，支持各种数据传输率、支持不同 大小的数据包； • (4)容错性强：在协议中规定了出错处理和
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信息，构造MAC帧； (2)发送媒体访问管理，检查总线状态，串 行化MAC帧，插入填充位，开始发送，丢 失仲裁时转入接收方式，应答校验，错误 超载检测，发送超载帧或数据帧等。 接收部分功能包括： (1)接收媒体访问管理，由物理层接收串行 位流，重新构筑帧结构，解除填充位，错 误检测，发送应答，构造发送错误帧或超 载帧； (2)接受数据卸装，由接收帧去除MAC特定
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或LLC远程帧，则通过LLC子层开始发送超 载帧，最多可产生两个超载帧，以延迟下 一个数据帧或远程帧； (3)恢复管理：发送期间，对于丢失仲裁或 被错误干扰的帧，LLC子层具有自动重发送 功能，在发送成功完成前，帧发送服务不 被用户认可。 MAC子层按IEEE 802.3规定，具有发送部分 功能和接收部分功能。 发送部分功能包括： (1)发送数据封装，接收LLC帧和接口控制
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； • 有25芯D型插针和9芯D 型插针等多种连接方式；
图5.8
• 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； • 5.1.4 RS—485标准串行接口总线 • 它与RS—422A的不同之处在于： • 在两个设备相连时，RS—422A为全双工， RS—485为半双工； • 对于RS—422A，数据信号线上只能连接一 个发送驱动器，而RS—485却可以连接多个， 但在某一时刻只能有一个发送驱动器发送 数据。因此，RS—485的发送电路必须由使 能端E加以控制。
• 3.CAN总线收发接口电路82C250 • 82C250是CAN控制器与物理总线之间的接 口，该器件可以提供对总线的差动发送和 接收功能。主要特性如下： • 与ISO/DIS 11898标准全兼容； • 高速性(最高可达1Mbps)； • 具有抗瞬间干扰(如汽车环境下)、保护总线 能力； • 降低射频干扰的斜率控制； • 热保护； • 总线与电源及地之间的短路保护；
图5.18 USB总线拓扑结构
图5.19 USB电缆及信号
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5.3.3 5.3.4 5.3.5 5.3.6 5.3.7
USB数据流 USB的容错性能 USB设备 USB系统设置 USB系统中的主机
图5.20 USB集线器示意图
• 5.4 现场总线技术 • 5.4.1 CAN总线概述
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统上最多可连接16个82C150； 支持总线故障自动恢复； 具有通过CAN总线唤醒功能的睡眠方式； 带有CAN总线差分输入比较器和输出驱动 器。 2)I/O功能 16条可配置的数字及模拟I/O口线； 每条I/O口线均可通过CAN总线单独配置， 包括I/O方向、口工作模式和输入跳变的检 测功能；
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差错校正的机制，可以对有缺陷的设备进行 认定，对错误的数据进行校正或报告； (5)“即插即用”的体系结构：具有简单而完 善的协议，并与现有的操作系统相适应， 不会产生任何冲突； (6)性价比较高：USB虽然拥有诸多优秀的 特性，但其价格较低。USB总线技术将外设 和主机硬件进行最优化集成，并提供了低 价的电缆和连接头等。 5.3.1 USB的系统描述 5.3.2 USB总线协议