第八章总线和数据通信技术

《第八章总线和数据通信技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第八章总线和数据通信技术（197页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第八章 总线和数据通信技术概述8.1内总线8.2通用总线8.3串行通信接口8.4首页本章内容现场总线8.5蓝牙技术8.6电力线载波通信8.8工业以太网8.71. 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

2、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8.1 概述智能仪器中的公共数字传输通道称为总线（Bus）总线按连接范围划分片内总线（局部总线） 内部总线（系统总线） 外部总线（通信总线） 主要用于芯 片级的互连 用以实现系统与 各种扩展插件板 之间的相互连接 主要用于仪 器间的互连 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

3、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CI2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) 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

4、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

5、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

6、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

7、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/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

8、 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)

9、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 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

10、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

11、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DAT

12、A1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

13、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“

14、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，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

15、）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

16、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/IPEthernet/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。Eth