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1、第2章 总线技术与MODBUS通信协议 2.1 概述n在计算机控制系统的设计中，除选择一种微处理器、微控制 器自行设计硬件系统或选用现有的智能仪表、DCS等系统外 ，设计者还可以根据不同的需要，选择微型计算机系统（如 PC机或工控PC机），再配以I/O扩展板卡，即可构成硬件系 统。nI/O扩展板卡是插在微型计算机系统中总线上的满足控制系 统需要的电路板。n工控PC机采用的结构是无源底板，在无源底板上具有多个 ISA或PCI总线插槽，CPU板卡为ALL-IN-ONE结构，采用工 业级电源及特制的机箱，可靠性高，可连续24小时运行，又与一般PC机兼容。 2.1.1 总线的概念及分类n采用总线结构是
2、微型计算机系统体系结构的特点之一。总 线是若干连线的集合，这些连线包括数据线和地址线、控 制时序和中断信号、电源线和地线以及未定义的备用线等 四类。n1总线定义n总线是计算机各模块间进行信息传输的通道。它包括通道 控制、仲裁方法和传输方式等内容。n2总线分类n在计算机控制系统中，一般将总线分为内部总线（又称系 统总线）和外部总线两部分。2.1.2 总线组成及总线功能n1总线组成数据总线；地址总线；控制总线；电源。n（1）数据总线n数据总线是外部设备和总线主控设备之间进行数据传送的 数据通道。n（2）地址总线n地址总线是外部设备与主控设备之间传送地址信息的通道 。n（3）控制总线n控制总线是专供
3、各种控制信号传递的通道，总线操作的各 项功能都是由控制总线完成的。n（4）电源n电源+12V、-12V、+5V、-5V，是系统必备总线，-5V用得较 少，+5V要求大电流供电。PCI总线还有3.3V电源信号，这 表现了计算机系统向低压发展的趋向，即电源的种类在向 3.3V、2.5V、1.7V方向发展。n2总线功能n总线功能是计算机总线研究的重点，计算机的A-BUS，D- BUS，C-BUS，即地址总线、数据总线和控制总线的功能如 下：数据传输功能；中断功能；多主设备支持功能；错误处理功能。2.2 内部总线内部总线是计算机内部各功能模板之间进行通信的通道， 又称为系统总线，它是构成完整计算机系统
4、的内部信息枢 纽。由于ISA总线已淘汰，下面仅介绍比较流行的STD总 线、PCI总线及LPC接口总线。 2.2.1 STD总线nSTD（Standard）总线最早在1978年由Pro-Log公司和 Mostek公司共同推出，1987年被批准为国际标准IEEE961。 n1STD总线的特点nSTD总线是56根并行计算机总线，采用小模板结构，尺寸 为165114mm，插入标准的56芯插座，全部56根引脚线 都有确切的定义。nSTD总线的优点是：模块化的总体设计布局，允许系统设计 者选取所需的功能模块解决具体问题；开放式的系统结构， 使用户可根据需要选用各种功能模板，像搭积木一般任意拼 装出自己所需
5、的计算机系统；拥有丰富的I/O功能，使之能 广泛地应用于工业控制的各个领域；模板的小尺寸设计，消 除了冲击和震动的影响等。n2STD总线的信号分配nSTD总线定义了8位/16位微处理器兼容的总线标准，对模板 尺寸、总线连接器和插脚分配，信号定义和电气标准等都作 了规定。 n其56根引线（插脚）按功能可分为五大类：逻辑电源线6根（引线16）；数据总线8根（引线714）；地址总线16根（引线1530）；控制总线22根（引线3152）；辅助电源线4根（引线5356）。2.2.2 PCI总线n1概述n制订PCI总线的目标是建立一种工业标准的、低成本的、 允许灵活配置的、高性能局部总线结构；它既为今天的
6、系 统建立一个新的性能/价格比，又能适应将来CPU的特性 ，能在多种平台和结构中应用。nPCI局部总线是一种高性能、32位或64位地址/数据线复用 的总线。其用途是在高度集成的外设控制器器件、扩展板 和处理器系统之间提供一种内部联接机制。nPCI局部总线已形成工业标准被公布。它的高性能总线体 系结构，满足了不同系统的需求，低成本的PCI总线构成 的计算机系统，达到了新的性能/价格比的水平。因此， PCI总线被应用于多种平台和体系结构中，PCI局部总线 的多种应用如图2-1所示。服务器高档台式机低中档台式机便携机3.3V5V 自动配置 64位升级路X86结构的 Alpha AXPTM 未来CPU
7、处理器系列 处理器系列图2-1 PCI局部总线应用nPCI总线规范为几种产品的生产建立了高性能局部总线标准 。PCI规范提供了参数选择，以便能达多种性能/价格指标， 允许在不同的系统和部件级应用。n2PCI引脚n为了管理数据和寻址、接口控制、仲裁以及系统运行，PCI 接口对单个目标设备需要至少47个引脚，对主控设备最少需 要49个引脚。按功能组划分的引脚如图2-3所示，左边为所 需引脚，右边为可选引脚。JTAG(IEEE 1149.1)支持高速缓存中断64位扩展PAR64 REQ64# ACK64#地址与数据CLK RST#REQ# GNT#PERR# SERR#PRAPCICOMPLIANT
8、DEVICEAD3100C/BE74#C/BE30#AD6332接口控制接口控制出错报告仲裁（只主控用）系统FRAME# TRDY# IRDY# STOP# DEVSEL# IDSELLOCK# INTA# INTB# INTC# INNTD#SBO# SDONE TDI TDO TCK TMS TRST#图2-3 PCI引脚2.2.3 PC104总线nPC104是一种嵌入式总线规范，是ISA（IEEE996）标准 的延伸。PC104是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控 制总线。IEEE协会将它定义为IEEE-P996.1，PC104实质 上就是一种紧凑型的IEEEP996，其信号定义和PC/
9、AT基 本一致，但电气和机械规范完全不同，是一种优化的、小 型的、堆栈式结构的嵌入式控制系统。其外形尺寸为 90mm96mm，典型模块的功耗为12W，在嵌入式系统 领域得到了广泛的应用。n另外，还有PC104 plus总线，它为单列三排120个总线引 脚，有效信号和控制线与PCI总线完全兼容。2.3 外部总线n外部总线主要用于计算机系统与系统之间或计算机系统与 外部设备之间的通信。外部总线又分为两类：一类是各位 之间并行传输的并行总线，如IEEE-488；另一类是各位 之间串行传输的串行总线，如RS-232C、RS-485等。 2.3.1 IEEE-488总线n1IEEE-488总线概述nIE
10、EE-488是美国惠普（Hewlett-Packard）公司1970年开 发的测量仪器接口总线，命名为惠普HP-IB。IEEE以惠普 HP-IB为基础，制定了IEEE-488标准接口总线（又称GP- IB，General purpose Interface Bus）。n各类外设，如打印机、绘图仪、磁盘驱动器、数字转换器 、电压表、电源、信号发生器等都可以使用这种总线。nIEEE-488总线上连接的设备有三种：控者、讲者和听者 ，它们之间用一条24线的无源电缆互连，如图2-4所示。设备A控者 讲者听者计算机设备D听者打印机设备B讲者 听者数字电压表 1设备C讲者 听者数字电压表 2DIO1DIO
11、8 DAV NRFDNDACIFCATNSRQRENEOI数据线接口 管理线数据 控制线图2-4 IEEE_488总线的连接引线名称说明引线名称说明 1DIO1数据输入/输出13DIO5数据输入/输出2DIO214DIO63DIO315DIO74DIO416DIO85EOI结束或识别17REN远程选择地逻辑 地6DAV数据有效18GND7NRFD未准备好接收数据19GND8NDAC未接收完数据20GND9IFC接口清除21GND10SRQ服务请 求22GND11ATN注意23GND12GND屏蔽地24GND表2-2 IEEE-488总线的引线分配nIEEE-488总线各引线定义如表2-2所示。
12、 n2IEEE-488总线的信号分配nIEEE-488总线电缆是一条24线的无源电缆线，包括16根信号 线和8根地线。其中16根信号线分成三组：8根双向数据总线 、3根数据字节传送控制总线和5根接口管理总线，均为低电 平有效。总线传输方式是按位并行、字节串行、三线握手、 双向异步。n满足IEEE-488总线标准的接口芯片有MC68488，8291A等。n随着微处理器技术与数据通信技术的迅速发展，串行通信已 越来越多地用在工业过程计算机控制系统中。相比之下， IEEE-488等并行总线的应用范围则小些。 2.3.2 串行通信基础n1. 串行异步通信数据格式n无论是RS-232还是RS-485，均
13、可采用串行异步收发数据格 式。n串行异步收发（UART）通信的数据格式如图2-5所示。n2. 连接握手n连接握手过程是指发送者在发送一个数据块之前使用一个 特定的握手信号来引起接收者的注意，表明要发送数据， 接收者则通过握手信号回应发送者，说明它已经做好了接 收数据的准备。n连接握手可以通过软件，也可以通过硬件来实现。n3. 确认n接收者为表明数据已经收到而向发送者回复信息的过程称 为确认。停止位停止位D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7起始位奇偶位数据位图2-5 串行异步通信数据格式n4. 差错检验n数据通信中的接收者可以通过差错检验来判断所接收的数 据是否正确。冗余数据校验、奇偶
14、校验、校验和、循环冗 余校验等都是串行通信中常用的差错检验方法。 2.3.3 RS-232C串行通信接口n1. RS-232C端子nRS-232C的连接插头早期用25针EIA连接插头座，现在用 9针的EIA连接插头座，其主要端子分配如表2-3所示。端脚方向符号功能25针9针23输出TXD发送数据32输入RXD接收数据47输出RTS请求发送58输入CTS为发 送清零66输入DSR数据设备 准备 好75GND信号地81输入DCD数据信号检测204输出DTR229输入RI表2-3 RS-232C主要端子n(1) 信号含义n 从计算机到MODEM的信号nDTR数据终端（DTE）准备好：告诉MODEM计
15、算机已 接通电源，并准备好。nRTS请求发送：告诉MODEM现在要发送数据。n 从MODEM到计算机的信号nDSR数据设备（DCE）准备好：告诉计算机MODEM已 接通电源，并准备好了。nCTS为发送清零：告诉计算机MODEM已作好了接收数 据的准备。nDCD数据信号检测：告诉计算机MODEM已与对端的 MODEM建立连接了。nRI振铃指示器：告诉计算机对端电话已在振铃了。n 数据信号nTXD发送数据。nRXD接收数据。n(2) 电气特性nRS-232C的电气线路连接方式如图2-6所示。驱动器DR中间连接电缆接收器接口信号地线图2-6 RS-232的电气连接 n接口为非平衡型，每个信号用一根导
16、线，所有信号回路共 用一根地线。信号速率限于20kbps内，电缆长度限于15m 之内。由于是单线，线间干扰较大。其电性能用12V标 准脉冲。值得注意的是RS-232C采用负逻辑。 在数据线上：传号Mark=-5-15V，逻辑“1”电平空号Space=+5+15V，逻辑“0”电平 在控制线上：通On=+5+15V，逻辑“0”电平断Off=-5-15V，逻辑“1”电平nRS-232C的逻辑电平与TTL电平不兼容，为了与TTL器件 相连必须进行电平转换。n由于RS-232C采用电平传输，在通信速率为19.2kbps时， 其通信距离只有15m。若要延长通信距离，必须以降低通 信速率为代价。n2. 通信接口的连接n当两台计算机经RS-232C口直接通信时，两台计算机之间 的联络线可用图2-8表示。n3. RS-232C电平转换器n为了实
