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1、第八章 总线和数据通信技术,本章内容,1. 内总线,3. 现场总线,重点：,2. 通用、串行接口总线,返 回,4. 蓝牙技术、以太网、电力线载波通信,主要有并行通信接口、串行通信接口、现场总线接口和以太网接口等。为方便各种仪器之间的通信，一般采用标准通信接口。,下 页,上 页,主要接口方式,返 回,在实际的测量和控制过程中，智能仪器和智能仪器之间、智能仪器与计算机之间需要进行各种信息的交换和传输，这种信息的交换和传输通过仪器的通信接口按照一定的协议实现。,是各仪器之间或仪器与计算机之间进行信息交换和传输的联络装置,通信接口,第八章 总线和数据通信技术,下 页,上 页,返 回,注意：,本章介绍智
2、能仪器较常用的标准总线，主要有总线、GP-IB通用接口总线、RS232C串行总线、RS422/485串行总线、USB通用串行总线、CAN总线等 。,下 页,上 页,返 回,一般由芯片制造厂商定义，对外提供的连线均通过芯片的管脚实现，对智能仪器设计的影响不大。内部总线的种类相对较为统一，下节介绍的 总线是其中的典型代表。,片内总线,外部总线的种类则比较广泛，由于涉及智能仪器与智能仪器之间，智能仪器和通用计算机之间通信的问题，根据通信性质、通信技术和通信距离的不同，有多种多样的总线可供选择,GP-IB通用并行总线、RS-232C、RS-485和USB (Universal Serial Bus)
3、等串行总线、CAN现场总线。总线在多个领域应用广泛。,举例：,下 页,上 页,返 回,总线,按数据传输特点,划分,并行总线,串行总线,指多个数据位同时传输或接收，可分为不同位数（宽度）的并行总线（如8位、16位等），当距离较近而且要求传输速率较高时通常采用此总线传输方式,数据逐位传输，发送或接收数据最多只需两根导线，其一用于发送，另一用于接收；串行通信采用不同的工作方式，还可将发送和接收二线合一，具有经济实用的特点，当设备距离较远时通常采用串行总线方式。,下 页,上 页,返 回,相同条件下： 串行传输速度并行传输速度,注意：,下 页,上 页,返 回,上述的各种外部总线都有很多厂商推出了相应的通
4、信接口，有些接口已经直接在芯片级予以实现，使用非常方便。除了这些标准总线接口之外，在无线通信领域，蓝牙技术正逐步为人们所采用；借助分布广阔的电力传输线进行载波通信的方式仍在继续发展；借鉴通用计算机构建局域网中占主导地位的以太网技术，工业以太网也出于蓬勃发展阶段。随着新技术、新的通信手段的发展，新的通信接口还会不断涌现。,综述：,下 页,上 页,返 回,. 内总线,内总线（System Bus）,又称局部总线，是系统内部 各模块的公共信息通道,各模块的设计可通用化； 具有互换性，损坏一部分只须更换该部分即可； 只要留有足够的插口，随时可扩展系统的功能； 改变其中一些模块可以改变仪器的功能,采用内
5、总线的优点：,目 前 常 用 的 内 总 线,S-100,STD,是美国公司1976年提出适应于Intel 8080CPU系列的总线，共100条，其中16条数据线；24条地址线；11条控制线；8条DMA线；8条状态线；8条矢量中断线；9条电源线地线；16条其他用途信号线；主要缺陷是布线不太合理、时钟信号位于控制信号中间，容易产生干扰、地线少、引脚多、几何尺寸大、易变形，目前已极少用。,是美国Pro-log公司1979年提出用于工业控制微型计算机的标准系统总线。按工业现场标准设计，具有较好的兼容性，电路板采用小板结构，高度模块化，结构简单，品种齐全，价格低廉，性能良好。支持多微处理器系统。共56
6、条线，其中6条逻辑电源线； 8条数据线；16条地址线；22条控制线；4条辅助电源线。适合于8位机，80年代开始在我国流行，现在应用较少.,广泛应用于系统内部模块或芯片之间的内总线，在单片机系统中应用广泛,下 页,上 页,返 回,下 页,上 页,返 回,总线概述,8.2.1,（InterIntegrated Circuit）总线是由,Philips公司于80年代推出的二线串行通信总线，通过串行数据线SDA（Serial Data）和串行时钟线SCL（Serial Clock）两根线将多个具有,总线接口的器件,连到总线上,使信息在,器件之间传递。总线上数据,的传输速率在标准模式下可达100kbit
7、/s，在快速模式下可达400kbit/s，在高速模式下可达3.4Mbit/s。总线长度可达25英尺，并且能支持40个组件。由于接口嵌入组件，所以占用空间小，减少了电路板的空间，降低了互联成本。,下 页,上 页,返 回,(1)二线制总线，通过SDA及SCL两线在连接到总线上 的器件之间传送信息，根据地址识别各器件。 (2)无中心主机的多主机总线，可在主机和分机之间双 向传送数据。各主机可任意同时发送而不破坏总线 上的数据。 (3)同步通信总线，同步时钟允许器件通过总线以不同 波特率通信，同时还可用作开始和停止串行口的应 答信号。,总线具有下述特点：,下 页,上 页,返 回,(4)系统中所有外围器
8、件及模块采用器件地址及引脚 地址的编址方式。 (5)器件间总线简单，结构紧凑，总线上增加器件不 影响系统的正常工作，系统可修改和可扩展性 好。即使有不同时钟速度的器件连接到总线上， 也能很方便地确定总线的时钟。 (6)支持NMOS、COMS、HCMOS等多种制造工 艺，并可用于测试和错误诊断。,下 页,上 页,返 回,总线的术语,8.2.2,构成,SDA（串行数据线）,SCL（串行时钟线）,注意：,总线上可以接若干个单片微机和外围器件，每个器件可由唯一的地址确定，,总线根据地址识别各器件。,下 页,上 页,返 回,发 送 总线上的其他器件处于听的状态， 查看自己是否被寻址；,下 页,上 页,返
9、 回,(4)器件1发送方向位，告诉器件2是发送还是接收 数据； (5)器件2发送应答位，表示其是否识别出地址， 是否准备好； (6)若器件2准备好，器件1发送/接收数据；每发 送一个字节数据后，接收器件发送一个应答 位,表示正常； (7)当所有数据传送完成后，器件1发出一位停止 信号，即SCL线高电平、SDA线由低电平跳变 到高电平，释放总线。使总线再次处于空闲状 态。,下 页,上 页,返 回,总线的竞争:,总线接有多个微处理器时，多个微处理器可能在起始条件的最小持续时间内同时产生起始条件，致使总线上产生一个规定的起始条件，即在SCL线高电平期间，有多个主器件在SDA线上发生由高到低的跳变，使
10、多个主机发生争用总线问题，多个微处理器可能会同时开始数据传输，发生竞争。,下 页,上 页,返 回,在SCL为高电平期间，器件1的SDA1和器件2的SDA2都发生了高到低的跳变，使总线的SDA发生高到低的跳变，满足启动条件，器件1和器件2可能同时开始数据传输，造成数据传输混乱。,下 页,上 页,返 回,竞争裁决:,发生竞争时，SDA线上的信号由所有主器件产生的数据信号进行“线与”裁决。,一个主机发送高电平而在另一个主机发送低电平时，发送高电平的主机因为总线上的电平与自己的电平不相同，将断开它的数据输出级，发送低电平的主机取胜。竞争可以持续多位。器件竞争首先比较地址位。,多个主器件同时选中同一个从
11、器件时，竞争继续比较数据位（如果主机是发送器），或者比较响应位（如果主机是接收器）。,当,当,下 页,上 页,返 回,如图8.5中，主机1和主机2在第一次出现不同电平时，主机1的SDA1=1，主机2的SDA2=0，“线与”后，主机1的DATA1电平与总线的SDA状态不同，断开其数据输出级，使主机1在竞争裁决中失去总线的控制权，主机2取胜。,下 页,上 页,返 回,注意：,总线的地址和数据信息由取胜的主机决定，所以在竞争过程中地址和数据信息不会丢失。而且总线上的主器件既没有中心主机，也没有任何优先级别。,下 页,上 页,返 回,竞争时的同步时钟机制:,器件1的时钟信号（CLK1）由高电平变为低电
12、平，将使时钟线SCL由高变低，SCL线的电平变化会使连接在其上的器件2的时钟线（CLK2）发生由高到低的变化。当CLK1由低变高时，CLK2还处于低电平，CLK1由低到高的状态变化不改变SCL的低电平状态。即低电平周期短的器件的时钟由低至高的跳变不影响SCL线的状态，器件1将进入高电平等待状态。,下 页,上 页,返 回,当CLK2上跳为高电平时，SCL结束低电平期，被释放返回高电平。此时器件1和器件2同时开始高电平期。之后，第一个由高电平变为低电平的器件又将SCL线拉成低电平，重复前面的过程。多个器件与此类同。,下 页,上 页,返 回,注意：,所有能在,产生自己的时钟信号，并传送到时钟线SCL
13、上。,总线上传输信息的主器件都能,上述连接方式能在SCL线上产生一个同步时钟，同步时钟低电平时间由时钟低电平期最长的器件确定，而时钟高电平时间由时钟高电平期最短的器件确定。发生竞争时，SCL线上的时钟信号由所有主器件产生的时钟信号“线与”决定。,下 页,上 页,返 回,通信中，CPU可对相关的特殊功能寄存器进行操作，通过指令将,总线，还可对其工作状况进行检测。,接口电路挂靠或摘离,硬件,接口电路可完成数据的移位、发送或接收及总线的盲、闲状态检测。对不带,接口的微处理器,只得以每个时钟周期2次的速率对SDA线采样，以 了解总线的忙、闲变化情况。,具有自动寻址，多主机时钟同步和仲裁等功能很强的总线
14、，用带有,总线是各种总线中使用信号线最少，并,EEPROM、各种传感器、变送器及微处理器等设计智能仪器系统十分方便、灵活，体积也小，在实际中得到广泛应用。,总线的器件如A/D、D/A、,返 回,上 页,下 页,8.4.4通用串行总线（USB）,通用串行总线(Universal Serial Bus，USB)协议是Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、Northern Telecom等七大公司于1994年共同制定并推出的串行接口总线标准，有多种规范的版本，目前使用较多的是1.1版本及2.0版本。USB2.0版于2000年4月推出，新增了高速模式。USB凭借
15、其高速度和高通用性正在逐步取代串口、并口，成为个人计算机与外围设备相连的标准接口。,返 回,上 页,下 页,1、USB总线协议特点,（1）使用方便。允许设备“即插即用”（Plug B 规定了Profibus和标准以太网之间的开放、透明通信； C 提供了一个包括设备层和系统层、独立于制造商的系统模型。,返 回,上 页,下 页,PROFInet采用以太网+TCP/IP作为低层的通信模型，采用TCP/IP协议加上应用层的RPC/DCOM来完成节点之间的通信和网络寻址。它可以同时挂接传统Profibus系统和新型的智能现场设备。现有的Profibus网段可以通过一个代理设备连接到PROFInet网络当
16、中，使整套Profibus设备和协议能够原封不动地在PROFInet中使用。传统的Profibus设备可通过代理与PROFInet上面的COM对象进行通信，并通过OLE自动化接口实现COM对象之间的调用。,返 回,上 页,下 页,(3) Ethernet/IP,Ethernet/IP是Rockwell公司对以太网进入自动化领域做出的积极响应。EtherNet/IP网络采用商业以太网通信芯片、物理介质和星形拓扑结构，采用以太网交换机实现各设备间的点对点连接，能同时支持1OMbps和100Mbps以太网商用产品。Ethernet/IP的协议由IEEE 802.3物理层和数据链路层标准、TCP/IP协议组和控制与信息协议CIP(Control Information Protocol)等3个部分组成Ethernet/IP为了提高设备间的互操作性，采用了ControlNet和DeviceNet控制网络中相同的CIP。,返 回,上 页,下 页,不同于以往的源/目的的通信模式，Ethernet/IP采用生产者/消费者(P
