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1、第5章 智能仪器的通信接口技术,5.1.1 异步通信和同步通信,串行通信按同步方式可分为异步通信和同步通信两种基本通信方式。,2. 异步通信(Asynchronous Communication)在异步通信中，数据通常是以字符或字节为单位组成数据帧进行传送的。收、发端各有一套彼此独立，互不同步的通信机构，由于收发数据的帧格式相同，因此可以相互识别接收到的数据信息。,异步通信协议规定每个数据以相同的位串形式传送，每个串行数据由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位组成。异步通信信息帧格式如图7-2所示,它用一个起始位表示字符开始，用停止位表示字符结束构成一帧。图中起始位占用一位，8位数据位，1位奇偶
2、校验位，加上这一使字符串为“1”的位为奇数（或偶数），停止位可以是1位，1位半或2位。传送时数据的低位在前，高位在后。另外字符之间允许有不定长度的空闲位（空闲位为高电平）。,(1) 起始位：在没有数据传送时，通信线上处于逻辑“1”状态。当发送端要发送1个字符数据时，首先发送1个逻辑“0”信号，这个低电平便是帧格式的起始位。其作用是向接收端表示发送端开始发送一帧数据。接收端检测到这个低电平后，就准备接收数据信号。,(2) 数据位：在起始位之后，发送端发出(或接收端接收)的是数据位，数据的位数没有严格的限制，58位均可。由低位到高位逐位传送。,(3) 奇偶校验位：数据位发送完(接收完)之后，可发送
3、一位用来检验数据在传送过程中是否出错的奇偶校验位。奇偶校验是收发双方预先约定好的有限差错检验方式之一。有时也可不用奇偶校验。,(4) 停止位：字符帧格式的最后部分是停止位，逻辑“1”电平有效，它可占1位、1.5位或2位。停止位表示传送一帧信息的结束，也为发送下一帧信息作好准备。,5.1.2 串行通信的波特率,波特率(Baud Rate)是串行通信中一个重要概念，它是指传输数据的速率, 亦称比特率。波特率的定义是每秒传输二进制数码的位数,它的单位是位/秒（b/s） 。如：波特率为1200bps是指每秒钟能传输1200位二进制数码。,波特率的倒数即为每位数据传输时间。例如：波特率为1200bps，
4、每位的传输时间为：,规定的标准波特率:50，75，110，300，600，12002400，4800，9600，19200b/s 举例： 在某异步串行通信中，传送一个字符，包括一个起始位，8个数据位，1个偶校验位，二个停止位。设波特率为1200b/s，则每秒所能传送的字符数是：1200/（1+8+1+2）=100个,5.2 串行通信标准,5.2.1 RS-232C标准,RS-232C是在异步串行通信中应用最广的总线标准，它适用于短距离或带调制解调器的通信场合。 RS-232C标准是美国EIA与BELL等公司一起开发的1969年公布的数据通信标准。它适合于数据传输速率在020000b/s范围内的
5、通信。该标准定义了数据终端设备DTE(Data Terminal Equipment)和数据通信设备DCE( Data Communication Equipment)之间的接口信号特性。其中DTE也可以是计算机，DCE一般是指调制解调器（MODEM）。它作为一种标准，目前已在微机通信接口中广泛采用，在IBM PC机上的COM1、COM2接口，就是RS-232C接口。,其逻辑电平定义为负逻辑： 对数据信息而言，逻辑“1”的电平低于-3V，逻辑“0”的电平高于+3V；也就是当传输电平的绝对值大于3V时，电路可有效地检查出来，介于-3V和+3V之间的电压无意义，低于-15V或高于+15V也认为无意
6、义。因此，实际工作时应保证电平在（5-15V）之间。 显然，EIA-RS-232C是用正负电压来表示逻辑状态的，与TTL以高低电平表示逻辑状态的规定不同。因此，为了能够同终端的TTL器件连接，必须在EIA-RS-232C与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。,(1) 电气特性,图7.4 微机9针D形串口连接器,(2) 端子定义,TXD (Transmitted data) ： 为发送数据信号。串行数据传送信号由该脚发出送上通信线路到MODEM (DTEDCE) ，在不传送数据时该脚为逻辑1。 RXD (Received data) ： 接收数据信号，来自通信线路的串行数据信号由该脚进入系统
7、(DCEDTE) GND： 地信号，是其它引脚的参考电位信号。,一类为基本数据传送信号有TXD,RXD,GND,零调制解调器连接,这种方法只适于15m以内的串行通信,（3）电平转换,由于RS-232C信号电平与 TTL电平不兼容，因此，为了与TTL器件连接必须进行信号电平转换。实现这种电平转换的电路称为RS-232C接口电路。一般有两种形式：一种是采用运算放大器、晶体管、光电隔离器等器件组成的电路来实现；另一种是采用专门集成芯片(如MC1488、MC1489、MAX232等)来实现。,MAX232接口电路,MAX232芯片是MAXIM公司生产的具有两路接收器和驱动器的IC芯片，其内部有一个电源
8、电压变换器，可以将输入+5V的电压变换成RS-232C输出电平所需的12V电压。所以采用这种芯片来实现接口电路特别方便，只需单一的+5V电源即可。,图 MAX232引脚图,PC机与89C51单片机串行通信电路,图 用MAX232实现串行通信接口电路图,（1）数据传输速率低,一般低于20kb/s。 （2）传输距离短,一般局限于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。 （3）有25芯D型插针和9芯D型插针等多种连接方式,不利于标准化设计。 （4）信号传输电路为单端非对称接口电路,即一根信号线和一根地线。共模抑制性能较差,抗干扰能力弱。,5.2.2 RS-422标准,
9、RS-232C虽然应用广泛，但其存在以下不足：,为了弥补这些不足，EIA公布了适应于远距离传输的RS-422（平衡传输线）和RS-423(不平衡传输线)标准。,为改进RS-232，RS-422定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到10Mb/s，传输距离延长到4000英尺（速率低于100kb/s时），并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器。1.特点： （1）采用平衡发送器和差动接收器，由于是双线传输，大大提高了抗共模干扰的能力。两条传输线的电位差决定逻辑电平: AA-BB+2V，表示“0” （2）传输速率 10Mbps（15m时）90Kbps（1200m时）,RS422A与TTL电平转换最
10、常用的是传输线驱动器SN75174、MC3487和传输线接收器SN75175、MC3486。,2.电平转换,5.2.3 RS-485标准,RS-485实际是RS-422A的变型,它是为了适应用最少的信号线实现多站互连,构建数据传输网的需要而产生的。它与RS-422A的不同之处在于： 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。 抗干扰能力强，传送距离远，传输速率高。数传率：100Kbps 1.2K
11、m 9.6Kbps 15Km10Mbps 15m RS-485用于多个设备互连,构建数据传输网十分方便,而且,它可以高速远距离传送数据。因此,许多智能仪器都配有RS-485总线接口,为网络互连,构成分布式测控系统提供了方便。,图5-11 RS-485总线多站互连原理图,在同一对信号线上,RS-485总线可以连接多达32个发送器和32个接收器。最近几年问世的一些RS-485接口芯片,可以连接更多的发送器和接收器（128或256个）。,RS-485串行总线接口标准以差分平衡方式传输信号，具有很强的抗共模干扰的能力。逻辑“0”以两线间的电压差为+2V+6V表示；逻辑“1”以两线间的电压差为-2V-6
12、V表示。接口信号电平比RS-232降低了，不容易损坏接口电路芯片。RS-485总线标准可采用MAX485芯片实现电平转换。MAX-485芯片引脚排列如图7.19所示。,MAX485输入/输出信号不能同时进行（半双工），其发送和接收功能的转换是由芯片的RE和DE端控制的。RE=0时，允许接收；RE=1时，接收端R高阻。DE=1时，允许发送；DE=0时，发送端A和B高阻。在单片机系统中常把RE和DE接在一起用单片机的一个I/O线控制收发。,;例A、B两台单片机，均采用11.0592MHz晶振。A机以2400bps波特率将p1口数据读入并发送给B机，B机正确接收后输出到p1口。 ;A、B两机的RXD
13、、TXD交叉相连并共地。两机串行口均设置为方式1，定时器T1定时初值为F4H，两机采用查询控;制方式程序如下：;A机发送;程序：ORG 0000HLJMP MAINORG 0100H MAIN: MOV TMOD,#20H;T1定时方式2MOV TL1,#0F4H ;波特率为2400bpsMOV TH1,#0F4HSETB TR1 ;启动T1MOV SCON,#40H ;串口方式1MOV P1,#0FFH MAIN1: MOV A,P1 CJNE A,#0FFH,NEXTLJMP MAIN1 NEXT:SETB P2.0 MOV SBUF,A ;启动串口发送JNB TI,$ ;等待发送完毕CL
14、R TI ;清发送中断标志LJMP MAIN1 END,;B机接收程序ORG 0000HLJMP MAINORG 0100H MAIN: MOV P1,#00HMOV TMOD,#20H;T1定时方式2MOV TL1,#0F4H ;波特率为2400bpsMOV TH1,#0F4HSETB TR1 ;启动T1MOV SCON,#50H ;串口方式1CLR P2.0 MAIN1:JNB RI,$ ;等待接收MOV A,SBUF ;读取接收数据MOV P1,ACLR RI ;清发送中断标志LJMP MAIN1END,GP-IB即通用接口总线（General Purpose Interface Bus
15、）是国际通用的仪器接口标准。 HP-IB IEEE-488 （1975 IEEE） IEC-625 (1977 IEC) IEC-IB,图5-15 GPIB插座端子,5.3 并行通信接口,GP-IB标准包括接口与总线两部分 接口部分是由各种逻辑电路组成，与各仪器装置安装在一起，用于对传送的信息进行发送、接收、编码和译码 总线部分是一条无源的多芯电缆，用作传输各种消息。,连接方式：总线式连接，仪器直接并联在总线上，相互可以直接通信而无需通过中介单元，如计算机等。 数传方式：位并行（Bit parallel） ，字节串行（Byte serial）双向异步传送方式。其最大数据传输速率为1MB/s。
16、数传距离：系统总线长度最好不超过2m设备数，而总长不允许超过20m。如果距离过长，信号可能畸变，传输的可靠性下降，数据的传输速率也就会降低。 仪器容量：由于受发送器负载能力的限制，系统内仪器最多不超过15台。 消息逻辑：总线上传输的所有消息采用负逻辑。低电平（+0.8V） 为逻辑“1”，高电平（+2.0V） 为逻辑“0”，与标准TTL电平兼容。 总线构成：由16条信号线构成，其中8条为数据线，3条为挂钩线，5条管理线 一般适用于电气干扰轻微，如实验室、生产测试环境等场合。,5.3.1 IEEE-488接口系统的基本特性,5.3.2 IEEE-488总线结构,GPIB总线是一个24脚（扁型接口插座）并行总线。其中，16根线为TTL电平信号传输线，包括8条双向数据线、3条数据传送控制线（挂钩线）、5条接口管理线，另8条为逻辑地线及屏蔽线。 （1）8条双向数据总线（DIO1DIO8），由于GPIB没有专门的地址总线和控制总线，所以8条数据总线不仅用来传送数据，还要传送控制命令和地址，即控者发出的各种通令、指令、地址和副令，讲者发送的各种测量数据。 （2）3条数据挂钩联络线（DAV,NRFD和NDAC），用以保证信息的可靠传输。 （3）接口管理线，作用是控制GP-IB总线接口状态,
