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1、机械电子学,罗华，傅波，刁燕，等 著 机械工业出版社,机电一体化系统中的数字化检测与控制,第6章 总线、接口与通信目录,6.1 数字电路片间总线 6.2 串行通信总线与接口 6.3 工业现场总线 6.4 工业无线通信 6.5 两轮自平衡机器人中的总线和通信,概 述,机电一体化系统中外部设备之间、同一设备不同装置之间、同一装置内部独立芯片之间都要进行信息的传递与交换。 信息的传递与交换的过程就叫做通信(Communication)。用来实现通信过程的系统称为通信系统。,工业数据通信系统由数据信息的发送设备、接收设备、传输介质、传输报文、通信协议等几个部分组成。,总线,总线(Bus)：是将信息以一
2、个或多个源部件传送到一个或多个目的部件的一组传输线。通俗的说，就是多个部件间的公共连线，用于在各个部件之间传输信息，实现设备之间的信息共享和交换，通常用速度来描述总线频率，单位是MHz。,总线的分类,（1） 片内总线是集成电路芯片内部用于连接各功能单元电路的信息通路，如CPU芯片内部连接ALU、寄存器、控制器等部件的信息通路，属于电路级的互连，一般是大型专业芯片设计公司和国际组织的设计范畴。 （2） 片间总线(Chip Bus)又称元件级总线，是指一个微处理器应用系统中连接各芯片的总线。属于芯片级的互连，如I2C、SPI总线等。 （3） 内总线(Internal Bus)又称系统总线或板级总线
3、，是微机系统内部各部件（插板）之间的信息传输通路。属于插件板级的互连，如ISA、PCI、STD、PXI等。 （4） 外总线(External Bus)又称通信总线，是微机系统之间或微机系统与其他系统(仪器系统、控制系统、自动测试系统等)之间信息传输的通路。属于设备级的互连，如IEEE1394、RS485、USB、CAN、无线通讯等等。,接口,接口(Interface)是指那些用于控制微机系统与外部设备，或外部设备与系统设备之间的数据交换和通信的硬件电路。,如通常所说的RS485，包含的就是RS485的协议和RS485接口电路两个部分。从某种意义讲，机电系统的设计，就是根据设备功能要求选择了通讯
4、方式、速度、总线类型、器件后所进行的接口设计。,概述,6.1数字电路片间总线,微机内部各外围芯片与处理器之间的总线，用于芯片级的互连。 传统的片间总线均采用并行方式，一般包括地址总线、数据总线和控制总线，即所谓的三总线结构。 近年来串行总线的传输速度已经有了明显的提高，由于抗干扰能力更强、传输距离更远，采用串行方式的片间总线逐步占据了主导地位，如I2C总线、SPI总线、SCI总线等。,6.1.1 I2C总线,I2C(Inter-Integrated Circuit)总线产生于20世纪80年代，是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备，是近年来在微电子通信控制
5、领域广泛采用的一种新型总线标准，能用于替代标准的并行总线。,6.1.1 I2C总线,6.1.1 I2C总线,I2C总线的特点： （1） 只有串行数据线SDA和串行时钟线SCL两条总线线路，任何时候时钟信号都由主控器件产生； （2） 每个连接到总线的器件，都可以通过唯一的地址和一直存在的简单主/从关系软件设定地址，主机可以作为主机发送器或主机接收器； （3） I2C总线是具备总线仲裁和高低速设备同步等功能的高性能多主机总线； （4） 串行的8位双向数据传输位速率，在标准模式下可达100Kbit/s，快速模式下可达400Kbit/s，高速模式下可达3.4Mbit/s； （5） I2C总线上理论上可
6、以允许的最大设备数，是以总线上所有器件的电容总和不超过400pF为限。 （6） I2C总线最主要的优点是其简单性和有效性。由于接口直接在组件之上，因此I2C总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互连成本。,6.1.2 SPI总线,SPI(Serial Peripheral Interface)总线是Motorola公司提出的一个同步串行外设接口。用于CPU与各种外围器件进行全双工、同步串行通信。这些外围器件可以是简单的TTL移位寄存器，复杂的LCD显示驱动器，闪存(Flash RAM)，网络控制器，A/D与D/A转换子系统或其他的微处理器。SPI总线系统可直接与各个厂
7、家生产的多种标准外围器件直接接口。SPI总线在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚和印制板PCB布局空间，现在越来越多的芯片直接集成了这种通信协议以方便应用。,SPI总线在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚和印制板PCB布局空间，现在越来越多的芯片直接集成了这种通信协议以方便应用。,6.1.2 SPI总线,SPI总线接口以主从设备模式和同步串行模式进行实现MCU之间以及MCU与各种外围设备之间的通信。总线接口的四条线是：串行时钟线（SCK）、主机输入/从机输出数据线（MISO）、主机输出/从机输入数据线（MOSI）、低电平有效从机选择线SS。其中主设备必须为MCU，从设备可以是M
8、CU，也可以是其他带有SPI接口的芯片。SPI总线四条线对应四个接口信号，它们分别为： （1） MISO (Master In Slave Out)：主机输入、从机输出信号。该信号在主设备中作为输入而在从设备中作为输出，亦即在一个方向上发送串行数据。 （2） MOSI (Master Out Slave In)：主机输出、从机输入信号。该信号在主设备中作为输出。从设备中作为输入，亦即在另一个方向上发送串行数据。 （3） SCK (Serial Clock)：串行时钟信号。SCK信号使通过MOSI和MISO的数据保持同步。SCK由主设备产生，输出给从设备。SCK的时钟频率决定了整个SPI总线的传
9、输速度，在用MCU作为主设备时，一般可通过对SPI控制寄存器编程，来选择不同的时钟频率。 （4） SS (Slave Select)：从机选择信号。此信号用于选择一个从机，它应该在数据发送之前变为低电平，并且必须在整个传送过程中维持为稳定的低电平。主机的SS线应接高电平。,6.1.2 SPI总线,SPI接口的基本结构,SPI的基本结构相当于两个8位移位寄存器的首尾相接，构成16位的环形移位寄存器 Xicor公司的SPI串行器件传输速度能达到5MHz,6.1.2 SPI总线,SPI总线的优点： 全双工方式工作；既可以当主机或也可以作为从机；提供频率可编程时钟；发送结束中断标志；写冲突保护；总线竞
10、争保护等。 SPI总线的缺点： （1） 缺乏数据流控机制。无论主机还是从机均不对消息进行确认，主机无法知道从机是繁忙还是空闲。 （2） 没有多主器件协议，必须采用很复杂的软件和外部逻辑来实现多主机架构。 （3） 每个从器件需要一个单独的从选择信号。总信号数最终为n+3个，其中n是总线上从器件的数量。在SPI总线上添加新的从机也不方便。对于额外添加的每个从机，都需要一条新的从机选择线（作为片选信号）或解码地址逻辑。,6.1.2 SPI总线,应用实例：基于SPI总线的高精度压力测试系统,6.2串行通信总线与接口,6.2.1 串行通信总线简介,并行通信总线主要用于主机与高速外设之间进行信息交互，传输
11、距离很短；而串行通信总线主要用于主机与低速设备进行数据传输，通信距离较长。随着计算机与外围设备性能的大幅度提升，并行通信总线已经不能满足双方的数据传输要求，原因是排线之间干扰严重，连接器与电缆结构复杂，成本较高。 串行通信总线的信号线数目少，干扰较小，连接器与电缆结构简单，在大幅度提升总线频率后，可达到很高的传输速度，所以现在串行通信总线已经逐渐取代并行通信总线，成为微型计算机与外围设备进行数据传输的主要手段。,6.2.1 串行通信总线简介,并行通信通常是将数据字节的各位用多条数据线同时进行传送。由于并行通信是一个字节同时传输，因此传输速度快，且控制简单；同样是应为一个字节同时传输，因此传输线
12、较多且平行排列，线间存在电耦合，所以在长距离传送时成本高且容易出错。,基于上述原因，并行通信适合于处理速度快且距离较近（一般不超过2m），的场合。,6.2.1 串行通信总线简介,串行通信的特点正好与并行通行相对，它是将数据字节分成位（Bit），在一条传输线上逐位逐位地传送。,6.2.2 RS-232C总线,RS-232C标准时由美国电子工业协会(Electronic Industries Association, EIA)与Bell公司等一起开发的、1969年公布的通信协议。RS-232C标准最初是为远程通信连接数据终端设备(Data Terminal Equipment, DTE)与数据通信
13、设备(Data Communication Equipment, DEC)而制定的，目前更广泛地应用于计算机与终端或外设之间的近端连接。它适合于数据传输速率在020 000b/s范围内的通信。,RS-232中的字母RS表示Recommended Standard(推荐标准)，232是识别代号，C则是标准版本号。,6.2.2 RS-232C总线,RS-232C标准规定了在串行通信时，数据终端设备DTE和数据通信设备DCE之间的接口信号。所谓“发送”和“接收”，是从数据终端设备的立场定义的。用于异步串行通信的RS-232接口信号见下表。,6.2.2 RS-232C总线,单片机与PC机RS-232通
14、讯接口电路,电缆线长度：EIA标准规定，满足被驱动电路（终端）电容特性的电缆长度最长为50英尺（约为15.25m）； RS-232C标准所允许的信号传输速率常被限制在19200b/s以内。,6.2.2 RS-232C总线,接口电气特性 RS-232C选择-15-3V和+3+15V作为信号电压而不采用TTL信号电压（0+5V），其原因是为了提高抗干扰能力和增加传送距离。由于传号和空号状态用相反的电压表示，其间有6V的差距，因此极大地提高了数据传输的可靠性。,对于数据（信息码）：逻辑“1”（传号）的电平低于-3V，逻辑“0”（空号）的电平高于+3V。对于控制信号，接通状态（ON）即信号有效的电平高
15、于+3V，断开状态(OFF)即信号无效的电平低于-3V，也就是当传输电平的绝对值大于3V时，电路可以有效地检查出来，介于-3+3V之间的电压无意义，低于-15V或高于+15V的电压也认为无意义，因此，实际工作时，应保证电平在(315)V之间。,6.2.2 RS-232C总线,RS-232接口的不足 由于RS-232接口标准出现较早，难免有不足之处，主要有以下四点： （1） 接口信号的电平值较高，易损坏接口电路的芯片；又因为与TTL电平不兼容，故需使用电平转换电路才能与TTL电路连接。 （2） 传输速率较低，在异步传输时，波特率不大于19.2kbps。 （3） 接口使用一根信号线和一根信号返回线
16、而构成共地的传输形式，容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。 （4） 传输距离有限，理论最大传输距离标准值为50m，实际上也只能用在15m左右。 （5） RS-232只允许一对一通信，严重限制了它的应用。,6.2.3 RS-422与RS-485总线,RS-422由RS-232发展而来，并改进了RS-232通信距离短、速度低的缺点。RS-422采用平衡通信接口，将传输速率提高到10Mbit/s，一条平衡总线上连接的接收器可达10台，最多可扩展至32台。RS-422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范。为扩展应用范围，EIA在RS-422的基础上制定了RS-485标准，增加了多点、双向通信能力，通常在要求通信距离为几十米至上千米时，广泛采用 RS-485收发器。RS-485收发器也采用平衡发送和差分接收，即在发送端，驱动器将TTL电平信号转换成差分信号输出。在接收端，接收器将差分信号变成TTL电平，因此具有抑制共模干扰的能力，加上接收器具有高的灵敏度，能检测低达200mV的电压，数据传输可达千米以外。,6.2.3 RS-422与RS-485总线,RS
