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1、1五、五、五、五、I I I I2 2 2 2C C C C总线总线总线总线 1I2C总线概述总线概述 I2C总线(Inter Integrate Circuits Bus)(SDA数据线和SCL)连接多个具有I2C总线接口的器件,在器件之间进行数据传送。I2C总线数据传送速率最高可达400kbit/s,主要用于单片机的系统扩展和多机通信。为此,I2C总线接口的外围器件。2 I I2 2C C总线具有以下特征总线具有以下特征: : 1)一个完整的I2C总线系统至少由一个微处理器和其他外围器件如存储器、I/O扩展口、显示驱动器等组成。系统与各种器件的连接最简单,成本最低。 2) I2C总线是一种
2、无中心主机的多主机总线,它可以在主机和分机之间双向传送数据。各主机可以任意同时发送而不破坏总线上的数据。33) I2C总线通信是一种同步通信。同步时钟允许器件通过总线以不同波特率通信,同时它还可以用作停止和开始串行口发送的应答。4) I2C总线系统通常用于控制而无需高速数据传送。5) I2C总线系统支持NMOS、CMOS、HCMOS等多种制造工艺。6) I2C总线可以用于测试和错误诊断。 42 2 2 2I I I I2 2 2 2C C C C总线的结构总线的结构总线的结构总线的结构 I I2 2C C总线由串行数据线总线由串行数据线(SDA)(SDA)与串行时钟线与串行时钟线(SCL)(S
3、CL)构成构成, , 总线上可以接若干个单片微机和外围器总线上可以接若干个单片微机和外围器件件, ,每一个器件可由一个唯一的地址确定每一个器件可由一个唯一的地址确定, ,总线上的硬件资源由各个总线上的硬件资源由各个CPUCPU共享。共享。I I2 2C C总线用于单片机总线用于单片机的系统扩展时的系统扩展时, ,总线上只有一个总线上只有一个CPUCPU。这种串行系统扩展方式比并行的系统扩展方式占用。这种串行系统扩展方式比并行的系统扩展方式占用I/OI/O线少线少, ,硬件结构紧凑、合理、体积小硬件结构紧凑、合理、体积小, ,但工作速度较慢。但工作速度较慢。 5I I2 2C C总线还可以用于多
4、机系统。在这种系统中总线还可以用于多机系统。在这种系统中, ,单片机之间可以直接通信单片机之间可以直接通信, ,也可以通过公共存储也可以通过公共存储器间接通信。图器间接通信。图1111为为I I2 2C C系统的典型结构。系统的典型结构。 图图11 I11 I2 2C C总线总体典型结构总线总体典型结构 6 I2C总线上的主器件是在时钟线(SCL)上产生时钟脉冲,在数据线(SDA)上产生寻址信号、开始条件、停止条件,建立数据传输的器件,任何被寻址选中的器件都被看成是从器件。单片微机在I2C总线上既可做主器件(主发送或主接收),也可做从器件(从发送或从接收)。而外围器件一般只能做从器件(从发送或
5、从接收)。7 I I2 2C C总线上不论任何器件都能作为发送器或接收器工作。发送或接收取决于器件功能和软件总线上不论任何器件都能作为发送器或接收器工作。发送或接收取决于器件功能和软件的设置。显然的设置。显然LCD(LCD(液晶显示器液晶显示器) )驱动器仅能做接收器驱动器仅能做接收器, ,而单片微机、存储器既可做发送器也可做接而单片微机、存储器既可做发送器也可做接收器。收器。 8 工作过程中工作过程中, ,数据线数据线(SDA)(SDA)上的信息通常是成组的双向传送。通信开始时上的信息通常是成组的双向传送。通信开始时, ,若总线空闲若总线空闲, ,主器主器件产生通信的开始条件件产生通信的开始
6、条件( (在在SCLSCL高电平时高电平时,SDA,SDA产生负跳变产生负跳变) )。通信结束。通信结束, ,主器件产生一个通信结束主器件产生一个通信结束条件条件( (在在SCLSCL高电平时高电平时,SDA,SDA产生正跳变产生正跳变),),停止工作并释放总线。起停止工作并释放总线。起/ /停条件总是由主机产生停条件总是由主机产生, ,一旦一旦开始开始, ,总线被认为处于忙态。停止后总线被认为处于忙态。停止后, ,总线又处于闲态。总线又处于闲态。 9通信中,CPU只对相关的特殊功能寄存器进行操作,数据的移位、发送或接收以及总线忙/闲状态检测都是由I2C接口硬件完成。而不带I2C接口的微处理器
7、就只得以每个时钟期间2次的速率对SDA线采样,才能了解总线忙/闲情况的变化。 串行数据线上的数据在时钟脉冲为高期间必须保持稳定,数据线上的数据只能在串行时钟线(SCL)上的时钟信号为低时发生改变。 10 串行数据(SDA)和串行时钟(SCL)线都需要通过一个上拉电阻连到电源线上。当总线空闲时,两线均处于高电平。为完成线与功能,连到总线上的器件都必须是漏极开路或集电极开路输出。图12是I2C总线器件的线与结构, I2C总线上数据传送速度可高达100kbit/s,快速模式为400kbit/s; I2C总线电容量为400pF,因此总线上可连接器件的数量是有限的。 11图图图图12 I12 I12 I
8、12 I2 2 2 2C C C C总线器件的线与结构总线器件的线与结构总线器件的线与结构总线器件的线与结构 12 3 3I I2 2C C总线的数据传输总线的数据传输（1）数据格式 通信过程中, I2C总线传输的数据由字节组成,其数据量的大小没有限制。数据中每个字节长度为8位,每个字节后面须紧跟一个应答位。数据在SDA线上传输时,首先传送最高有效位(MSB)。 13若一个接收器已经完成了一些其他的功能后还不能接收到一个完整的数据字节时(如内部中断服务功能),它会把串行时钟线保持为低电平,以迫使发送器进入等待状态。当接收器为接受下一个数据字节做好准备并释放SCL线后,数据传输方可继续。 14
9、数据传输格式如图数据传输格式如图1313所示。出现开始条件后所示。出现开始条件后, ,首先首先, ,由主器件发出从器件地址。此地址长由主器件发出从器件地址。此地址长7 7位位, ,第第8 8位是从器件的数据方向位位是从器件的数据方向位(R/W,(R/W,即读即读/ /写写),),其中其中00表明是发送表明是发送( (写写) )；11表明对数据的需求表明对数据的需求( (读读) )。数据传输过程以主器件产生停止条件而中止。若主器件仍希望在总线上通信。数据传输过程以主器件产生停止条件而中止。若主器件仍希望在总线上通信, ,不产生停止条件不产生停止条件, ,就可以再次发出开始信号和从机地址。就可以再
10、次发出开始信号和从机地址。 15图图图图13 I13 I13 I13 I2 2 2 2C C C C总线的数据传输格式总线的数据传输格式总线的数据传输格式总线的数据传输格式 16 根据数据方向位根据数据方向位(R/W)(R/W)的状态。的状态。I I2 2C C总线上的数据传送方式可分为二类总线上的数据传送方式可分为二类: :1)1)数据从主器件数据从主器件( (发送器发送器) )传送到从器件传送到从器件( (接收器接收器) )。从器件发送的第一个字节是从器件地址及数据。从器件发送的第一个字节是从器件地址及数据传送方向位传送方向位1,1,接着是许多数据字节。从器件每收到一个字节后送一个应答位。
11、接着是许多数据字节。从器件每收到一个字节后送一个应答位。 17 2) 2)数据从从器件数据从从器件( (发送器发送器) )传送到主器件传送到主器件( (接收器接收器) )。主器件发送第一个字节对从器件寻址并设。主器件发送第一个字节对从器件寻址并设置数据传送方向位置数据传送方向位00。从器件回送一个应答位。从器件回送一个应答位, ,接着由从器件把许多数据字节传送给主器件。主接着由从器件把许多数据字节传送给主器件。主器件除了最后一字节外器件除了最后一字节外, ,在收到每一个字节后回送一个应答位。在收到每一个字节后回送一个应答位。 18图图图图12 I12 I12 I12 I2 2 2 2C C C
12、 C总线器件的线与结构总线器件的线与结构总线器件的线与结构总线器件的线与结构 19 R/W R/W方式在一次数据传送过程内是可以发生改变的。要改变传输方向方式在一次数据传送过程内是可以发生改变的。要改变传输方向, ,需重复开始条件和从机需重复开始条件和从机地址地址, ,而而R/WR/W位必须反向。在第一个应答位出现后位必须反向。在第一个应答位出现后, ,主发送器就变成了主接收器主发送器就变成了主接收器, ,同时从接收器变成同时从接收器变成从发送器。应答位仍由从器件产生从发送器。应答位仍由从器件产生, ,停止条件由主器件产生。停止条件由主器件产生。 20 （2 2 2 2）数据识别）数据识别）数
13、据识别）数据识别 I I2 2C C总线系统中主器件在传送每一个字节后都在总线系统中主器件在传送每一个字节后都在SCLSCL线上产生一个识别相关时钟脉冲线上产生一个识别相关时钟脉冲(ACK)(ACK)。在识别相关时钟脉冲期间在识别相关时钟脉冲期间, ,发送器释放发送器释放SDASDA线线( (保持为高保持为高),),而接收器将而接收器将SDASDA线拉为低电平发出应答位线拉为低电平发出应答位信号。这样在识别相关时钟脉冲持续期间信号。这样在识别相关时钟脉冲持续期间,SDA,SDA线将稳定地维持低电平。线将稳定地维持低电平。 21 被选中的接收器在每一个字节被接收后将被迫产生一个应答位。当一从接收
14、器没产生应答时被选中的接收器在每一个字节被接收后将被迫产生一个应答位。当一从接收器没产生应答时, ,如因为它正在完成一些实时功能而来不及接收如因为它正在完成一些实时功能而来不及接收, ,数据线就必须由从机抬高。主器件随后产生停止数据线就必须由从机抬高。主器件随后产生停止信号废止这次传输。信号废止这次传输。 若从接收器识别出了从器件地址若从接收器识别出了从器件地址, ,但过一段时间后又不能再从这次传输中收到数据字节但过一段时间后又不能再从这次传输中收到数据字节, ,则此则此时从器件在第一个字节后不产生应答位时从器件在第一个字节后不产生应答位, ,使使SDASDA线维持为高线维持为高, ,于是主器
15、件必须废除本次的传输于是主器件必须废除本次的传输, ,发出发出停止信号。停止信号。 22 若传输中有主接收器参与,则它在最尾端一个字节后不产生一应答位,而向从发送器发出一个数据结束信号。这时从发送器则释放SDA线以允许主器件发出停止信号。 23 4 4 4 4数据传输中的器件同步与竞争数据传输中的器件同步与竞争数据传输中的器件同步与竞争数据传输中的器件同步与竞争（1 1）器件的同步）器件的同步 所有能在所有能在I I2 2C C总线上传输信息的主器件都产生它自己的时钟信号总线上传输信息的主器件都产生它自己的时钟信号, ,并送到时钟线并送到时钟线(SCL)(SCL)上。为上。为解决总线上的器件相
16、互之间的竞争问题解决总线上的器件相互之间的竞争问题, ,必须由总线协议确定一个同步时钟。同步时钟是利用必须由总线协议确定一个同步时钟。同步时钟是利用I I2 2C C接口连到时钟线上的器件的接口连到时钟线上的器件的 线与线与 来完成的。时钟上一个由高到低的变化会使有关的器件对来完成的。时钟上一个由高到低的变化会使有关的器件对 空空格格00开始计数。开始计数。24若器件若器件A A的时钟变低的时钟变低, ,它就开始控制时钟线它就开始控制时钟线(SCL)(SCL)为为 低低 状态状态, ,直至时钟直至时钟 高高 状态的到来。如果其他状态的到来。如果其他器件器件( (如如B)B)的时钟仍然处于低电平
17、的时钟仍然处于低电平, ,那么那么A A时钟由低到高变化也不可能改变时钟线时钟由低到高变化也不可能改变时钟线(SCL)(SCL)的的 低低 状态状态, ,时钟线将被具有最长时钟线将被具有最长 空格空格00的器件维持为的器件维持为 低低 。此时。此时, ,具有较短具有较短 空格空格00的器件会进入高电平的的器件会进入高电平的等待状态。等待状态。 25 图图1414为同步时钟形成示意图为同步时钟形成示意图, ,从图中可看出从图中可看出, ,当所有器件都已计数完当所有器件都已计数完 空格空格00时时, ,时钟线被释放时钟线被释放由由 低低 变变 高高,这时器件时钟和时钟线这时器件时钟和时钟线(SCL
18、)(SCL)的状态完全一样的状态完全一样, ,并且所有器件都开始对并且所有器件都开始对 标志标志11计数。计数。第一个结束第一个结束 标志标志11的器件将再次将时钟线降为的器件将再次将时钟线降为 空格空格00状态。状态。 26图图图图14 14 14 14 同步时钟的形成同步时钟的形成同步时钟的形成同步时钟的形成 这种方法产生的同步时钟线这种方法产生的同步时钟线(SCL)(SCL)的时钟的时钟, ,其其 空格空格00由具有最长由具有最长 空格空格00的器件决定的器件决定, ,而时钟而时钟的的 标志标志11由具有最短时钟由具有最短时钟 标志标志11的器件决定。的器件决定。 27 （2 2）器件的
19、竞争）器件的竞争 I I2 2C C总线上接有多个微处理器时总线上接有多个微处理器时, ,意味着多个主器件可能会同时开始它们的数据传输意味着多个主器件可能会同时开始它们的数据传输, ,多器件多器件的数据传输会在的数据传输会在SCLSCL线高电平期间线高电平期间, ,在在SDASDA线上发生竞争问题。为避免竞争造成数据传输混乱线上发生竞争问题。为避免竞争造成数据传输混乱, I, I2 2C C总线硬件中设置了竞争裁决电路。竞争期间总线硬件中设置了竞争裁决电路。竞争期间SCLSCL线上的时钟信号是所有主器件产生的时钟信号线上的时钟信号是所有主器件产生的时钟信号 线线与与 的结果。所以若有两个或更多
20、的主器件欲通过的结果。所以若有两个或更多的主器件欲通过I I2 2C C总线传输信息总线传输信息, ,在其他器件输出在其他器件输出00时时, ,产生产生11的器件将失去对总线的控制权。的器件将失去对总线的控制权。 28 当一个主器件发送出高电平当一个主器件发送出高电平, ,而另一个主器件同时发送低电平时而另一个主器件同时发送低电平时, ,数据线数据线(SDA)(SDA)就会发生竞争。就会发生竞争。发送高电平的主器件会因为总线上的电平不能与自己的发送电平保持一致而关断自己的数据输出发送高电平的主器件会因为总线上的电平不能与自己的发送电平保持一致而关断自己的数据输出, ,其关断过程不影响取胜主器件
21、的数据传输。其关断过程不影响取胜主器件的数据传输。 图图1515描述了两个主器件的竞争过程。描述了两个主器件的竞争过程。 29图图图图15151515多主器件的竞争多主器件的竞争多主器件的竞争多主器件的竞争 表表1 消息的表示法消息的表示法30 I I2 2C C总线的控制仅取决于竞争胜利的主器件发送的数据和地址总线的控制仅取决于竞争胜利的主器件发送的数据和地址, ,因此因此, ,总线上的主器件既没有总线上的主器件既没有中心主机中心主机, ,也没有任何优先级别。也没有任何优先级别。 器件的竞争可能持续许多位。器件竞争首先进行地址位的比较器件的竞争可能持续许多位。器件竞争首先进行地址位的比较,
22、,当多个主器件同时选中同一当多个主器件同时选中同一个从器件时个从器件时, ,竞争将继续进行数据比较。竞争将继续进行数据比较。I I2 2C C总线上用于竞争的地址与数据信息在竞争期间是不会总线上用于竞争的地址与数据信息在竞争期间是不会丢失的。丢失的。 31 参与器件竞争的主器件会产生一连串的时钟脉冲参与器件竞争的主器件会产生一连串的时钟脉冲, ,直至竞争失败时刻、字节的结束直至竞争失败时刻、字节的结束, ,才停止发才停止发送时钟。具有从器件功能的主器件若在选址阶段竞争失败送时钟。具有从器件功能的主器件若在选址阶段竞争失败, ,它有可能被竞争胜利的主器件选中为它有可能被竞争胜利的主器件选中为从器
23、件从器件, ,因此该器件必须停止时钟发送因此该器件必须停止时钟发送, ,马上转入从接收器模式。马上转入从接收器模式。 32 （3 3）器件的握手应答）器件的握手应答 所谓握手应答所谓握手应答, ,是是I I2 2C C总线系统利用时钟同步机制总线系统利用时钟同步机制, ,使接收器与快速数据传送协调地工作。使接收器与快速数据传送协调地工作。 在以字节为单位的传输过程中在以字节为单位的传输过程中, ,器件可能被用于快速接收或快速发送数据器件可能被用于快速接收或快速发送数据, ,这时它需要一定的这时它需要一定的时间来存储收到的字节或准备下一个要发送的字节。时间来存储收到的字节或准备下一个要发送的字节
24、。 33因此因此, ,从器件在接收完一个字节与应答位后从器件在接收完一个字节与应答位后, ,应使应使SCLSCL线保持为低电平线保持为低电平, ,以迫使主器件进入等待状态以迫使主器件进入等待状态, ,直至从器件为下一个字节的传送作好准备为止。直至从器件为下一个字节的传送作好准备为止。 以位传输时以位传输时, ,可以延长每一个时钟空格可以延长每一个时钟空格00时期而使总线的时钟变慢时期而使总线的时钟变慢, ,使任何主器件的速度都得使任何主器件的速度都得适应传输器件的运行速度。适应传输器件的运行速度。 34 5 5 5 5数据传输的寻址数据传输的寻址数据传输的寻址数据传输的寻址（1 1）字节的定义
25、）字节的定义 I I2 2C C总线系统规定总线系统规定: :信号开始后的第一字节用于寻址信号开始后的第一字节用于寻址, ,以确定哪一个从器件被主器件选定。第以确定哪一个从器件被主器件选定。第一字节中头一字节中头7 7位组成了从器件的地址位组成了从器件的地址, ,第八位规定了数据的走向。若第八位规定了数据的走向。若LSBLSB为为0,0,意味着主器件要向选意味着主器件要向选中的从器件写信息中的从器件写信息: :若若LSBLSB为为1,1,则主器件要从从器件读信息。则主器件要从从器件读信息。 35 地址发送后地址发送后, ,系统上的每个器件都必须将第一字节的头系统上的每个器件都必须将第一字节的头
26、7 7位与各自的地址相比较。地址匹配位与各自的地址相比较。地址匹配时时, ,器件将认为自己被主器件选中器件将认为自己被主器件选中, ,并按照并按照R/WR/W位决定自己是从发送还是从接收。位决定自己是从发送还是从接收。 36 从器件地址由固定与可编程两部分构成。地址的固定部分为器件名称从器件地址由固定与可编程两部分构成。地址的固定部分为器件名称,PHILIPS,PHILIPS公司已予规公司已予规定定; ;而可编程部分则决定了系统中最多可连结这种器件的个数。例如而可编程部分则决定了系统中最多可连结这种器件的个数。例如, ,某器件地址有某器件地址有3 3位可编程位可编程位位, ,则同一个则同一个I
27、 I2 2C C总线上可连接总线上可连接8 8个这样的器件。个这样的器件。 七位地址为七位地址为0000000,0000000,用作全呼叫地址用作全呼叫地址; 11110; 11110被保留用于从器件的被保留用于从器件的1010位寻址。位寻址。 37（2 2）全呼叫地址）全呼叫地址 能选中所有器件的地址叫全呼叫地址。图能选中所有器件的地址叫全呼叫地址。图1616为全呼叫格式。为全呼叫格式。 38 当主器件进行全地址呼叫时当主器件进行全地址呼叫时, ,除被设计为不响应这个地址的器件外除被设计为不响应这个地址的器件外, ,其余所有的器件都应作出其余所有的器件都应作出识别响应并以从接收器的身份行动。
28、当采用全呼叫地址时识别响应并以从接收器的身份行动。当采用全呼叫地址时, ,第二个字节定义要产生的操作。第二个字节定义要产生的操作。 I I2 2C C总线系统对全呼叫地址中第二个字节的含义根据其最低位是总线系统对全呼叫地址中第二个字节的含义根据其最低位是00还是还是1,1,有不同定义。有不同定义。 391)LSB1)LSB位为位为“ “0 0” ” LSB LSB位为位为“ “0 0” ”时时, ,第二字节规定如下第二字节规定如下: : 00000110(06H): 00000110(06H):由硬件复位并写从器件地址的可编程部分。在收到这两字节时由硬件复位并写从器件地址的可编程部分。在收到这
29、两字节时, ,所有被设计成所有被设计成对全呼叫地址反应的器件都复位并获得其地址的可编程部分。对全呼叫地址反应的器件都复位并获得其地址的可编程部分。 40 00000100(04H): 00000100(04H):仅由硬件写从器件地址的可编程部分。所有被硬件定义了其地址可编程部分仅由硬件写从器件地址的可编程部分。所有被硬件定义了其地址可编程部分的器件的器件( (被设计能对全呼叫地址有回应被设计能对全呼叫地址有回应) )在收到两字节序列后在收到两字节序列后, ,将锁存这可编程部分将锁存这可编程部分, ,但器件并不复但器件并不复位。位。 H00000000(00H):H00000000(00H):此
30、代码禁止用作第二字节。此代码禁止用作第二字节。其余的代码是不固定的其余的代码是不固定的, ,器件必须忽视这些代码。器件必须忽视这些代码。 412)LSB2)LSB位为位为“ “1 1” ” 当当LSBLSB位为位为11时时, ,这两字节序列是硬件全呼叫这两字节序列是硬件全呼叫, ,由一个硬件主器件发送由一个硬件主器件发送( (如键盘扫描器如键盘扫描器) )。因为。因为硬件主器件预先并不知道信息要传送到哪一个从器件硬件主器件预先并不知道信息要传送到哪一个从器件, ,因而不能被编程来发送一个要求的从器件因而不能被编程来发送一个要求的从器件地址。它只能产生这种硬件全呼叫自己的地址地址。它只能产生这种
31、硬件全呼叫自己的地址, ,从而把自己推荐给系统。被连到总线上的智能器从而把自己推荐给系统。被连到总线上的智能器件件, ,如微处理器等如微处理器等, ,能认出保存在第二字节中的硬件主器件的地址能认出保存在第二字节中的硬件主器件的地址( (高七位高七位),),从而能控制来自硬件从而能控制来自硬件主器件的信息。该硬件主器件也能主器件的信息。该硬件主器件也能( (若能若能) )作为一个从器件作为一个从器件, ,此时的从器件地址和主器件地址相同。此时的从器件地址和主器件地址相同。 42（3 3）数据传输的起始字节）数据传输的起始字节 智能检测系统的单片机可以用两种方式连到智能检测系统的单片机可以用两种方
32、式连到I I2 2C C总线上。若单片机内部有硬件总线上。若单片机内部有硬件I I2 2C C总线接口总线接口, ,则它可以被编程仅响应来自则它可以被编程仅响应来自I I2 2C C总线的中断申请总线的中断申请; ;若单片机内部没有若单片机内部没有I I2 2C C总线接口总线接口, ,它必须通过软它必须通过软件不断地监视总线。显然单片机用于监视和终端查询的时间越多件不断地监视总线。显然单片机用于监视和终端查询的时间越多, ,它能用于完成其预期功能的它能用于完成其预期功能的时间越少。时间越少。 43因此因此, ,快速带硬件接口的器件与依靠软件查询的慢速单片机二者的速度是不同的。此时快速带硬件接
33、口的器件与依靠软件查询的慢速单片机二者的速度是不同的。此时, ,数据传输数据传输之前要加上一个比平常长得多的开始过程。这个过程包括之前要加上一个比平常长得多的开始过程。这个过程包括: :一个开始信号一个开始信号(S)(S)、一个开始字节、一个开始字节(01H)(01H)、一个识别时钟脉冲、一个识别时钟脉冲(ACK)(ACK)和一个重复的开始信号和一个重复的开始信号(Sr)(Sr)。数据传输的起始格式如图。数据传输的起始格式如图1717所示。所示。 44图图图图17 17 17 17 数据传输的起始字节格式数据传输的起始字节格式数据传输的起始字节格式数据传输的起始字节格式 45 请求总线访问的主
34、器件发送信号请求总线访问的主器件发送信号S S后后, ,再发送开始字节再发送开始字节01H01H。而另一个单片机可用较低的采。而另一个单片机可用较低的采样速度去对样速度去对SDASDA线采样线采样, ,直到开始字节中的直到开始字节中的“ “0 0” ”被发现为止。发现被发现为止。发现SDASDA线上有低电平后线上有低电平后, ,单片机单片机转换到一个较高的采样速度去查找第二个开始信号转换到一个较高的采样速度去查找第二个开始信号SrSr。SrSr条件用于同步条件用于同步, ,当它被接收到时当它被接收到时, ,硬件硬件接收器使复位接收器使复位, ,此时开始字节失去作用。此时开始字节失去作用。 开始
35、字节后开始字节后, ,会产生一个相关的识别时钟脉冲会产生一个相关的识别时钟脉冲(ACK),(ACK),配合总线的字节运行格式配合总线的字节运行格式, ,禁止任何器禁止任何器件对开始字节作出识别响应。件对开始字节作出识别响应。 466 6 6 6总线器件的输入总线器件的输入总线器件的输入总线器件的输入/ / / /输出电气特性输出电气特性输出电气特性输出电气特性 I I2 2C C总线器件有固定的总线器件有固定的1.5V1.5V、3V3V输入电平输入电平, ,每一个器件都可以有自己的合适的电源。每一个器件都可以有自己的合适的电源。 总线的上拉电阻必须连到一个总线的上拉电阻必须连到一个+5V+5V
36、 10%10%的电源上。对于输入电平与电源电压的电源上。对于输入电平与电源电压VDDVDD有关的有关的I I2 2C C总总线器件线器件, ,必须采用同一个电源必须采用同一个电源, ,而且上拉电阻也必须接到该电源上。当固定输入电平的器件和输而且上拉电阻也必须接到该电源上。当固定输入电平的器件和输入电平与电源电压入电平与电源电压VDDVDD有关的器件混用时有关的器件混用时, ,后者必须采用同一个后者必须采用同一个+5V+5V10%10%电源电源, ,而且总线的上拉而且总线的上拉电阻也必须接到该电源上。电阻也必须接到该电源上。 47输入电平规定为输入电平规定为: :1)1)低电平的噪声极限为低电平
37、的噪声极限为0.1VDD0.1VDD。2)2)高电平的噪声极限为高电平的噪声极限为0.2 VDD0.2 VDD。3)3)高达高达300300的串行阻抗的串行阻抗(Rs)(Rs)可被用于防止可被用于防止SDASDA与与SCLSCL线上的高压尖峰脉冲的飞弧。线上的高压尖峰脉冲的飞弧。 48 在一个标准的在一个标准的I I2 2C C总线系统中总线系统中, ,串行电阻串行电阻(Rs)(Rs)和上拉电阻和上拉电阻(Rp)(Rp)的阻值的大小取决于电源电压、的阻值的大小取决于电源电压、总线容量和总线上联接的器件数总线容量和总线上联接的器件数( (输入电流输入电流+ +漏电流漏电流) )。I I2 2C
38、C总线器件的总线器件的SDASDA与与SCLSCL两插脚的最大电容两插脚的最大电容量是量是10pF,10pF,每根总线上的允许最大电容是每根总线上的允许最大电容是400pF(400pF(包括导线本身的电容和连到它的插脚间的电容包括导线本身的电容和连到它的插脚间的电容) )。 49六、六、六、六、VXIVXIVXIVXI总线系统总线系统总线系统总线系统 1979年,美国MOTOROLA公司公布了一份关于68000微处理机专用总线的使用说明书,即著名的VERSA总线。在公布VERSA总线的同时,也研究开发了一种新的印刷线路板标准EUROCARD标准,即IEC2973标准。 50 VXI VXI总线
39、总线(VMEbus Extensions for instrumentation)(VMEbus Extensions for instrumentation)是是19811981年由年由MOTOROLAMOTOROLA、MOSTEKMOSTEK和和SIGNETICSSIGNETICS三大公司共同宣布的支持具有三大公司共同宣布的支持具有EUROCARDEUROCARD模件尺寸、基于模件尺寸、基于VERSAVERSA总线的接插件系列的标准总线的接插件系列的标准总线。不久之后总线。不久之后, ,全世界许多计算机和仪器仪表公司加入全世界许多计算机和仪器仪表公司加入VXIVXI总线联合体。总线联合体。
40、VXIVXI总线是总线是VEMVEM总线在检总线在检测技术领域的扩展。为适应当代智能检测技术的发展测技术领域的扩展。为适应当代智能检测技术的发展,1987,1987年又对标准进行了更新年又对标准进行了更新, ,允许用户将不允许用户将不同厂家的模块用于一个系统的同一机箱内同厂家的模块用于一个系统的同一机箱内, ,从而为智能检测系统的设计提供了极为方便的途径。从而为智能检测系统的设计提供了极为方便的途径。 51 1 1 1 1VXIVXIVXIVXI总线的特点总线的特点总线的特点总线的特点 VXIVXI总线具有高速通信和易于组合的优点总线具有高速通信和易于组合的优点, ,集中了智能仪器、个人仪器和
41、自动测试系统的集中了智能仪器、个人仪器和自动测试系统的许多特长许多特长, ,已在智能检测系统中获得广泛应用。已在智能检测系统中获得广泛应用。 52 (1)高速传输 实时检测、实时控制、实时任务处理对检测速度的要求越来越高,采用VXI总线的检测系统可把主机架上的一些仪器作为一个整体来处理,系统内的信息通过背板上的印制总线来传递。由于可采用插件对插件的本地通信方式,并且可组成多CPU的分布式系统,最高传输速率可达40Mbit/s以上。 53 (2)模块式结构 VXI总线系统可采用不同国度、不同厂商的插件式仪器和其他插件式器件组成智能检测系统。VXI总线系统内的所有器件都是插件式的,对插件和主机架的
42、尺寸都有严格的规定。 54 (3) (3)小型便携小型便携 智能检测系统的一个发展方向是小型化、便携式、易于互连。在采用智能检测系统的一个发展方向是小型化、便携式、易于互连。在采用VXIVXI总线的检测系总线的检测系统中统中, ,插件和机架的尺寸已有严格规定插件和机架的尺寸已有严格规定,VXI,VXI总线印制在主机架背板的多层印刷电路板中总线印制在主机架背板的多层印刷电路板中, ,插件插件与背板上与背板上VXIVXI总线用确定的连接器连接总线用确定的连接器连接, ,使系统在机械与电气上相容。由于系统内所有的插件使系统在机械与电气上相容。由于系统内所有的插件都固定在一个或几个主机架内都固定在一个
43、或几个主机架内, ,系统有紧凑的整体性和小型便携性。系统有紧凑的整体性和小型便携性。 55 (4)灵活性强 VXI总线系统将标准化与灵活性和谐地统一起来,不仅可由一个或几个插件组成一个器件,也允许一个插件包含一个或多个器件,甚至允许存储器等器件为多个器件所公用,从而使智能检测系统的结构更开放,便于组成多CPU的分布式系统。 56 对对VXIVXI系统的控制系统的控制, ,可由主机架外的可由主机架外的PCPC机或联于计算机网络的计算机实施机或联于计算机网络的计算机实施, ,连接方式可采用连接方式可采用RS-RS-232232接口或直接采用微机总线。此外接口或直接采用微机总线。此外,VXI,VXI
44、总线为检测系统提供了数据传输、中断、时钟、触发、总线为检测系统提供了数据传输、中断、时钟、触发、本地总线、模拟信号线、多种电源线等多种总线本地总线、模拟信号线、多种电源线等多种总线, ,因此因此, VXI, VXI总线系统既适用于数字仪器总线系统既适用于数字仪器, ,又适用又适用于模拟仪器于模拟仪器, ,还便于传递还便于传递8 8位、位、1616位、位、2424位、位、3232位等多种形式的数据。位等多种形式的数据。 VXIVXI系统便于组成系统便于组成 积木积木 式智能检测系统式智能检测系统, ,易于更换技术上较陈旧的插件易于更换技术上较陈旧的插件, ,增添新的插件增添新的插件, ,保持保持
45、系统的先进性系统的先进性, ,实现系统的升级。实现系统的升级。 572 2 2 2VXIVXIVXIVXI系统的组成系统的组成系统的组成系统的组成 采用采用VXIVXI总线的智能检测系统通常称为总线的智能检测系统通常称为VXIVXI系统。每台主机架构成一个系统。每台主机架构成一个VXIVXI子系统子系统, ,每个子系每个子系统包含最多统包含最多1313个器件，个器件，VXIVXI系统最多可包含系统最多可包含256256个器件个器件, ,一个器件是一个单独的插件一个器件是一个单独的插件, ,也可根据系也可根据系统的实际需要统的实际需要, ,在一个插件上安放多个器件在一个插件上安放多个器件, ,或
46、由多块插件组成一个器件。插件与或由多块插件组成一个器件。插件与VXIVXI总线通过总线通过连接器连接。连接器连接。 58 符合VXI系统要求的插件插入主机架并与连接器接牢后方可工作。插件尺寸有10cm16cm、23.3cm16cm、23.3cm34cm、36.7cm34cm等几种。为大尺寸插件设计的主机架,允许插入小尺寸的插件。 连接器均为3排,每排32个引脚,因此连接器都是96插脚的DIN接插件。 不同尺寸的插件可选用不同的主机架,每台主机可容纳13个插件。 59 3 3 3 3VXIVXIVXIVXI系统的总线结构系统的总线结构系统的总线结构系统的总线结构 在在VXIVXI系统中系统中,
47、,命令、数据、地址和其他信息都是通过总线传递。印制在主机箱内的背板上的命令、数据、地址和其他信息都是通过总线传递。印制在主机箱内的背板上的VXIVXI总线通过总线通过3 3个连接器个连接器P1P1、P2P2、P3P3与器件相连。与器件相连。VXIVXI系统的总线可分为系统的总线可分为8 8种种: : 60图图图图18 VXI18 VXI18 VXI18 VXI总线连接器的总线情况总线连接器的总线情况总线连接器的总线情况总线连接器的总线情况 611)VME1)VME计算机总线。计算机总线。2)2)时钟和同步总线。时钟和同步总线。3)3)模件识别总线。模件识别总线。4)4)触发总线。触发总线。5)
48、5)相加总线。相加总线。6)6)本地总线。本地总线。7)7)星形总线。星形总线。8)8)电源总线。电源总线。3 3个连接器个连接器P1P1、P2P2、P3P3的连接情况如图的连接情况如图1818所示。所示。 62 4 4 4 4VXIVXIVXIVXI总线器件与通信总线器件与通信总线器件与通信总线器件与通信 在在VXIVXI总线系统中总线系统中, ,器件是系统的基本逻辑单元。计算机、计数器、数字仪表、信号发器件是系统的基本逻辑单元。计算机、计数器、数字仪表、信号发生器、多路开关、人机接口等生器、多路开关、人机接口等, ,都可作为器件加入都可作为器件加入VXIVXI总线系统。总线系统。 VXIV
49、XI总线对所有总线对所有VXIVXI器件都规定了一些最基本的功能器件都规定了一些最基本的功能, ,可以实现系统和存储器的自动组态。可以实现系统和存储器的自动组态。63每个每个VXIVXI器件都有一组器件都有一组 组态寄存器组态寄存器,系统通过系统通过VMEVME总线的连接器总线的连接器P1P1访问组态寄存器访问组态寄存器, ,可识别器件的可识别器件的种类、型号、生产厂家、地址空间和存储器需求等。具有这些基本能力的种类、型号、生产厂家、地址空间和存储器需求等。具有这些基本能力的VXIVXI器件称为器件称为 基于存储基于存储器的器件器的器件 。有一类器件除具有组态寄存器外。有一类器件除具有组态寄存
50、器外, ,还有一组可由系统中其他模块访问的通信寄存器还有一组可由系统中其他模块访问的通信寄存器, ,通过使用某种通信协议通过使用某种通信协议, ,可实现与系统中其他器件的通信可实现与系统中其他器件的通信, ,这类器件称为这类器件称为 基于消息的器件基于消息的器件 。 64 VXIVXI系统中系统中,ROM,ROM、RAMRAM和其他类型的存储器称为和其他类型的存储器称为“ “存储器器件存储器器件” ”。 VXIVXI器件之间的通信基于器件的分层关系器件之间的通信基于器件的分层关系, ,相互通信的器件相互通信的器件, ,一个是一个是 命令者命令者,一个是一个是 从者从者 。单单CPUCPU系统中
51、系统中,CPU,CPU器件是命令者器件是命令者, ,其他器件是从者。多其他器件是从者。多CPUCPU系统中系统中, ,分机需要通过公共接口与主机分机需要通过公共接口与主机通信。通信。 65七、七、七、七、RS-232CRS-232C接口接口接口接口 1 1概述概述 RS-232C接口是美国电子工业协会1969年公布的一种串行标准接口,已获得广泛使用。制订这种EIARS标准的最初目的是为了促进利用公用电话网络进行数据通信。66 计算机与电话网络的连接计算机与电话网络的连接, ,一般采用调制解调器一般采用调制解调器( (简称简称MODEM)MODEM)来实现。调制解调器将由逻辑来实现。调制解调器将
52、由逻辑11、00表示的一系列高、低电压转换为相应的高、低频率信号；在通信设备的另一端表示的一系列高、低电压转换为相应的高、低频率信号；在通信设备的另一端, ,另一另一个调制解调器将频率变回一系列的高、低电压个调制解调器将频率变回一系列的高、低电压, ,由此可实现计算机与电话网络的相容。由此可实现计算机与电话网络的相容。 67 利用利用PCPC机上网机上网( (如国际互联网如国际互联网INTERNET)INTERNET)实现远距离访问实现远距离访问, ,需要使用调制解调器需要使用调制解调器, ,通过电话通过电话网进行远距离的信息交换。近距离范围内网进行远距离的信息交换。近距离范围内,PC,PC机
53、与机与PCPC机、智能检测系统的分机与机、智能检测系统的分机与PCPC机机( (主机主机) )间的通信间的通信, ,可不必使用调制解调器可不必使用调制解调器, ,而采用而采用RS-232CRS-232C接口。因为一般微型计算机接口。因为一般微型计算机(PC(PC机、工控机机、工控机) )都配备有都配备有RS-232RS-232串行通信接口串行通信接口, ,所以在智能检测系统中采用所以在智能检测系统中采用RS-232RS-232串行通信是一种最简便的串行通信是一种最简便的通信方式。通信方式。 68 RS-232C RS-232C接口使用接口使用2525针针D D型转插型转插, ,定义了定义了20
54、20条可以同外界联系的信号线条可以同外界联系的信号线, ,并对它们的功能作了具并对它们的功能作了具体的规定。常用的信号线如表体的规定。常用的信号线如表5 5所示。所示。 69表表表表5 5 5 5 常用的常用的常用的常用的RS-233CRS-233CRS-233CRS-233C接口信号接口信号接口信号接口信号 70 RS-232 RS-232接口的标准电平与接口的标准电平与TTLTTL和和CMOSCMOS电平不同电平不同, ,在负载为在负载为37k37k时时,RS-232C,RS-232C接口对开关电平接口对开关电平的规定是的规定是: :(1)(1)驱动器的输出电平驱动器的输出电平逻辑逻辑0:
55、+5+15V(0:+5+15V(或或+25V)+25V)逻辑逻辑1:-5-15V(1:-5-15V(或或-25V) -25V) 71 (2)接收器的输入检测电平逻辑0: +3V逻辑1: -3V RS-232接口的通信波特率可选用50、75、150、300、600、1200、2400、4800、9600或19200。 72 2 2 2 2RS-232CRS-232CRS-232CRS-232C串行通信数据格式串行通信数据格式串行通信数据格式串行通信数据格式 RS-232CRS-232C串行通信数据格式有以下两种串行通信数据格式有以下两种: :(1)9(1)9位数据传送方式位数据传送方式如图如图1
56、9a19a所示所示, ,这种方式将所有的数据全转变为这种方式将所有的数据全转变为ASCIIASCII字符传送字符传送, ,每个每个ASCIIASCII字符采用字符采用9 9位或位或1010位位传送传送, ,第第1 1位是起始位位是起始位0,0,第第2 2至第至第8 8位为位为ASCIIASCII字符位字符位, ,第第9 9位为奇偶校验位位为奇偶校验位, ,第第1010位为结束位。其位为结束位。其中起始位和结束位用于校准发送装置、接收装置的局部时钟同步中起始位和结束位用于校准发送装置、接收装置的局部时钟同步, ,使中间的每一位都能被正使中间的每一位都能被正确地接收确地接收; ;奇偶校验位用于通信
57、出错奇偶校验奇偶校验位用于通信出错奇偶校验;ASCII;ASCII字符位即传送的数据。数据传送时字符位即传送的数据。数据传送时, ,最低最低位先发送。位先发送。 73(2)11(2)11位数据传送方式位数据传送方式 如图如图19b19b所示所示, ,这种方式将所有的数据用二进制代码方式传送这种方式将所有的数据用二进制代码方式传送, ,传送的第传送的第1 1位是起始位位是起始位0,0,第第2 2至第至第9 9位为二进制数据位为二进制数据, ,第第1010位为奇偶校验位或多机通信位位为奇偶校验位或多机通信位, ,第第1111位为结束位。多机通信位用位为结束位。多机通信位用于多机通信时区分传送数据与
58、分机地址。于多机通信时区分传送数据与分机地址。 74图图图图19 RS-232C19 RS-232C19 RS-232C19 RS-232C数据传输形式数据传输形式数据传输形式数据传输形式a)9a)9a)9a)9位数据传送方式位数据传送方式位数据传送方式位数据传送方式b)11b)11b)11b)11位数据传送方式位数据传送方式位数据传送方式位数据传送方式 753 3 3 3单片机与单片机与单片机与单片机与PCPCPCPC机之间的机之间的机之间的机之间的RS-232CRS-232CRS-232CRS-232C串行通信接口串行通信接口串行通信接口串行通信接口 单片机与单片机与PCPC机之间的机之间
59、的RS-232CRS-232C串行通信接口需要完成电平移位、转换和信号反向任务。串行通信接口需要完成电平移位、转换和信号反向任务。智能检测系统采用的智能检测系统采用的RS-232CRS-232C接口可利用单片机的串行口再加上接口可利用单片机的串行口再加上RS-232CRS-232C接口电平转换及驱动接口电平转换及驱动芯片发送芯片发送( (如如MC1488)MC1488)和接收和接收( (如如MC1489),MC1489),如图如图2020所示所示. .76图图图图20 20 20 20 单片机与单片机与单片机与单片机与PCPCPCPC机间的机间的机间的机间的RS-232CRS-232CRS-2
60、32CRS-232C通信接口通信接口通信接口通信接口 77 实际使用时实际使用时, ,单片机的串行口都工作在单片机的串行口都工作在1 1、2 2、或、或3 3方式方式, ,传输数据格式为传输数据格式为9 9位位, ,由四由四TXDTXD端发端发送送,RXD,RXD端接收。此时端接收。此时, ,定时定时/ /计数器计数器1 1作为波特率发生器作为波特率发生器, ,工作于自动重装载方式。工作于自动重装载方式。 784 4 4 4自带电源的集成自带电源的集成自带电源的集成自带电源的集成RS-232CRS-232CRS-232CRS-232C接口电路接口电路接口电路接口电路 图图2020所示的所示的R
61、S-232CRS-232C接口需要多块芯片接口需要多块芯片, ,需要外接需要外接+12V+12V电源电源, ,硬件结构复杂。为方便用户硬件结构复杂。为方便用户使用使用,MOTOROLA,MOTOROLA、MAXIMMAXIM、INTERSILINTERSIL等公司相继推出了等公司相继推出了MC145407(MC145406)MC145407(MC145406)、MAXI232MAXI232、ICL232ICL232等新型等新型RS-232RS-232器件。这些器件在芯片内部设置有电源变换电路器件。这些器件在芯片内部设置有电源变换电路, ,可以将可以将+5V+5V电源电压变换成电源电压变换成+1
62、0V+10V电源电源, ,用于用于RS-232CRS-232C通信。这些器件的最大优点还在于将驱动与接收通信。这些器件的最大优点还在于将驱动与接收电路集成在同一芯片上电路集成在同一芯片上, ,使用十分方便。使用十分方便。 79八、现场总线八、现场总线八、现场总线八、现场总线 1 1现场总线的特点现场总线的特点 在计算机测控系统发展的初期,由于计算机技术尚不发达,计算机价格昂贵,人们企图用一台计算机取代控制室的几乎所有的仪表,出现了集中式数字测控系统。但这种测控系统可靠性差,一旦计算机出现故障,就会造成整个系统瘫痪。随着计算机可靠性的提高,价格的大幅度下降,出现了集中、分散相结合的集散测控(DC
63、S)系统。80 在在DCSDCS系统中系统中, ,由测量传感器、变送器向计算机传送的信号为模拟信号由测量传感器、变送器向计算机传送的信号为模拟信号, ,下位计算机和上位计下位计算机和上位计算机之间传递的信号为数字信号算机之间传递的信号为数字信号, ,所以它是一种模拟数字混合系统。这种系统在功能和性能上所以它是一种模拟数字混合系统。这种系统在功能和性能上有了很大的提高有了很大的提高, ,曾被广泛采用。然而随着工业生产的发展曾被广泛采用。然而随着工业生产的发展, ,控制、管理水平及通信技术的提高控制、管理水平及通信技术的提高, ,相对封闭的相对封闭的DCSDCS系统已不系统已不能满足需要。能满足需
64、要。81 现场总线是现场总线是2020世纪世纪9090年代初兴起的一种先进工业测控技术年代初兴起的一种先进工业测控技术, ,与与DCSDCS相比有许多优点。它是一相比有许多优点。它是一种全数字化、全分散式、全开放、多点通信的底层控制网络种全数字化、全分散式、全开放、多点通信的底层控制网络, ,是计算机技术、通信技术和测控是计算机技术、通信技术和测控技术的综合及集成。技术的综合及集成。 82 仪表的智能化是现场总线的基础仪表的智能化是现场总线的基础, ,带有微处理器的仪表具有复杂的计算功能带有微处理器的仪表具有复杂的计算功能, ,能够把原能够把原DCSDCS系统中处于控制室中的信号处理和控制功能
65、分散到生产现场系统中处于控制室中的信号处理和控制功能分散到生产现场, ,从而实现测控系统的全分散性，从而实现测控系统的全分散性，简化了系统的结构简化了系统的结构, ,提高了系统的可靠性。现场设备的智能化使设备具有了数字通信的能力提高了系统的可靠性。现场设备的智能化使设备具有了数字通信的能力, ,同同原原DCSDCS系统中现场仪表与控制室的信号传递为系统中现场仪表与控制室的信号传递为010mA,420mA010mA,420mA及及15V15V模拟信号相比具有更强的抗模拟信号相比具有更强的抗干扰能力干扰能力, ,并为信息的远程传送创造了条件。并为信息的远程传送创造了条件。 83 现场总线的接线十分
66、简单现场总线的接线十分简单, ,一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备, ,因而电缆、端子、因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少槽盒、桥架的用量大大减少, ,连线设计与接头校对的工作量也大为减少。当需要增加现场控制连线设计与接头校对的工作量也大为减少。当需要增加现场控制设备时设备时, ,无需增设新的电缆无需增设新的电缆, ,可就近连接在原有的电缆上可就近连接在原有的电缆上, ,既节省了投资既节省了投资, ,也减少了设计、安装工也减少了设计、安装工作量。作量。 84 因为现场总线产品都符合统一的标准因为现场总线产品都符合统一的标准, ,用户可以自由选
67、择不同厂家的设备来集成系统用户可以自由选择不同厂家的设备来集成系统, ,不会不会为系统集成过程中不兼容的协议、接口而花费大量精力为系统集成过程中不兼容的协议、接口而花费大量精力, ,使系统集成的主动权掌握在用户手中。使系统集成的主动权掌握在用户手中。 852 2 2 2现场总线协议模型现场总线协议模型现场总线协议模型现场总线协议模型 要使不同厂家的计算机设备接入同一系统进行互联操作要使不同厂家的计算机设备接入同一系统进行互联操作, ,就必须有一套对接口、服务协议就必须有一套对接口、服务协议的规范要求。为此的规范要求。为此, ,国际标准化组织国际标准化组织ISOISO制定了开放系统互连的分层模型
68、制定了开放系统互连的分层模型(Open Systm (Open Systm Interconnection),Interconnection),简称简称OSIOSI参考模型。参考模型。 OSIOSI参考模型为不同厂家的计算机互连提供了一个共同参考模型为不同厂家的计算机互连提供了一个共同的基础和标准框架的基础和标准框架, ,并为保持相关标准的一致性和兼容性提供共同的参考。一个系统是开放的并为保持相关标准的一致性和兼容性提供共同的参考。一个系统是开放的, ,是指它可以与世界上任何地方的遵守相同标准的其他系统通信。是指它可以与世界上任何地方的遵守相同标准的其他系统通信。 86 OSI OSI参考模型
69、将开放系统的通信功能划分为七个层次参考模型将开放系统的通信功能划分为七个层次, ,将相似的功能集中在同一层中将相似的功能集中在同一层中, ,功能功能差别较大的则分层处理差别较大的则分层处理, ,每层只对相邻的上下层定义接口。每一层的功能是独立的每层只对相邻的上下层定义接口。每一层的功能是独立的, ,它将利用下它将利用下一层提供的服务一层提供的服务, ,并对上一层提供服务。当引入新技术或增加新功能时并对上一层提供服务。当引入新技术或增加新功能时, ,则可把由通信功能扩充、则可把由通信功能扩充、变更所带来的影响限制在有关的层内变更所带来的影响限制在有关的层内, ,而不必改动全部协议。而不必改动全部
70、协议。 87 如图如图2121所示所示,OSI,OSI的七个层次分别为的七个层次分别为: :物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。通常示层和应用层。通常, ,物理层、数据链路层和网络层功能称为低层功能物理层、数据链路层和网络层功能称为低层功能, ,即通信传送功能。传输即通信传送功能。传输层、会话层、表示层和应用层功能称为高层功能层、会话层、表示层和应用层功能称为高层功能, ,即通信处理功能。即通信处理功能。 88图图21 ISO/OSI21 ISO/OSI参考模型参考模型 89 现场总线中运用较多的物理层、数据链路层和应用层的
71、功能简介如下现场总线中运用较多的物理层、数据链路层和应用层的功能简介如下: :（1 1）物理层协议）物理层协议 物理层协议是网络中的最底层协议物理层协议是网络中的最底层协议, ,它为互连的物理设备提供了物理接口它为互连的物理设备提供了物理接口, ,完成物理连接和完成物理连接和传输通路的建立传输通路的建立, ,为通过物理连接的数据链路实体之间提供透明的位流传输。为通过物理连接的数据链路实体之间提供透明的位流传输。 90物理层规定了接口的机械特性物理层规定了接口的机械特性( (连接器的形状、尺寸、连接器的引脚数量及其排列情况连接器的形状、尺寸、连接器的引脚数量及其排列情况) )、电器、电器特性特性
72、( (线路上电平的高低、阻抗及阻抗匹配、传输速率及距离限制线路上电平的高低、阻抗及阻抗匹配、传输速率及距离限制) )、功能特性、功能特性( (信号线的功能信号线的功能分配和定义分配和定义) )及规程特性及规程特性( (各信号线的工作规则和时序各信号线的工作规则和时序) )。 以前讨论的以前讨论的RS-232CRS-232C标准就是物理层接口协议。常用的物理层接口协议还有标准就是物理层接口协议。常用的物理层接口协议还有:RS-422,RS-:RS-422,RS-485485等。等。 91（2 2）数据链路层协议）数据链路层协议 数据链路层协议用来处理有物理连接的站点间的通信工作数据链路层协议用来
73、处理有物理连接的站点间的通信工作, ,它的主要功能有它的主要功能有: :数据链路的建数据链路的建立和拆除、信息传输、传输差错控制及异常情况处理。立和拆除、信息传输、传输差错控制及异常情况处理。 发送方数据链路层的具体工作是接收来自高层的数据发送方数据链路层的具体工作是接收来自高层的数据, ,并将其加工成帧并将其加工成帧, ,然后经物理通道将然后经物理通道将帧发送给接收方帧发送给接收方, ,如图如图2222所示。所示。 92图图2222数据链路协议工作图数据链路协议工作图 93帧包含头、尾、控制信息、数据、校验和等部分帧包含头、尾、控制信息、数据、校验和等部分, ,校验和、头、尾部分一般由发送设
74、备的硬件校验和、头、尾部分一般由发送设备的硬件实现实现, ,数据链路层不必考虑其实现方法。当帧到达接收站时数据链路层不必考虑其实现方法。当帧到达接收站时, ,首先检查校验和。若校验和错首先检查校验和。若校验和错, ,则则向接收计算机发出校验和错的中断信息向接收计算机发出校验和错的中断信息; ;若校验和正确若校验和正确, ,确认无传输错误确认无传输错误, ,则向接收计算机发送则向接收计算机发送帧正确到达信息帧正确到达信息, ,接受方的数据链路层应检查帧中的控制信息接受方的数据链路层应检查帧中的控制信息, ,确认无误后确认无误后, ,才能将数据送往高才能将数据送往高层。层。 94（3 3）应用层协
75、议）应用层协议 应用层是应用层是OSIOSI模型的最高层模型的最高层, ,用来实现系统应用管理进程和用户应用进程。系统应用管理进用来实现系统应用管理进程和用户应用进程。系统应用管理进程用以管理系统资源程用以管理系统资源, ,如优化分配系统资源和控制资源的使用等。用户应用进程由用户的要求决如优化分配系统资源和控制资源的使用等。用户应用进程由用户的要求决定。通常的应用有数据库访问、分布计算和分布处理等。通用的应用程序有电子邮件、事务处定。通常的应用有数据库访问、分布计算和分布处理等。通用的应用程序有电子邮件、事务处理、文件传输协议和作业操作协议等。理、文件传输协议和作业操作协议等。 95 现场总线
76、是面对工业现场的底层控制网络现场总线是面对工业现场的底层控制网络, ,针对大量的传感器、控制器、执行器等针对大量的传感器、控制器、执行器等, ,一般信一般信息量不大息量不大, ,信息传输的任务相对比较简单信息传输的任务相对比较简单, ,但实时性、快速性的要求较高。为了低成本和高速度但实时性、快速性的要求较高。为了低成本和高速度, ,减少一些层间的复杂操作和转化减少一些层间的复杂操作和转化, ,现场总线采用的通信模型大都在现场总线采用的通信模型大都在OSIOSI模型的基础上进行了不同模型的基础上进行了不同程度的简化。程度的简化。 96典型的现场总线协议模型采用了典型的现场总线协议模型采用了OSI
77、OSI模型中的三个典型层模型中的三个典型层: :物理层、数据链路层和应用层物理层、数据链路层和应用层, ,省去了省去了中间的中间的3636层。或根据现场总线的特点增设了一个其它功能层层。或根据现场总线的特点增设了一个其它功能层( (如用户层或现场总线访问子层等如用户层或现场总线访问子层等) )。 目前各类现场总线产品有上百种之多目前各类现场总线产品有上百种之多, ,这里仅选最具影响的三种予以简单介绍。这里仅选最具影响的三种予以简单介绍。97 3 3 3 3PROFIBUSPROFIBUSPROFIBUSPROFIBUS总线总线总线总线 PROFIBUSPROFIBUS是是(Process Fi
78、eldbus)(Process Fieldbus)的简称。它是一种国际化的、开放的、不依赖于设备生产的简称。它是一种国际化的、开放的、不依赖于设备生产厂商的现场总线标准厂商的现场总线标准, ,由十三家工业企业及五家研究所历时两年多完成的。由十三家工业企业及五家研究所历时两年多完成的。9090年代初被定为德年代初被定为德国国家标准国国家标准(DIN19245),1998(DIN19245),1998年又成为欧洲标准年又成为欧洲标准(EN50170)(EN50170)。 98 PROFIBUS PROFIBUS协议将网络站点分为主站和从站。主站间以传递令牌的方式轮流掌握总线控制权协议将网络站点分为
79、主站和从站。主站间以传递令牌的方式轮流掌握总线控制权, ,主站与从站间的数据通信由主站决定主站与从站间的数据通信由主站决定, ,当主站得到总线的控制权当主站得到总线的控制权( (令牌令牌) )时时, ,没有外界请求也可以主没有外界请求也可以主动发送信息。从站为外围设备动发送信息。从站为外围设备, ,他们没有总线控制权他们没有总线控制权, ,仅对接收到的信息给以确认或当主站发出请仅对接收到的信息给以确认或当主站发出请求时向它发出信息。求时向它发出信息。 99 根据根据EN50170EN50170标准标准,PROFIBUS,PROFIBUS具有三种形式具有三种形式, ,即即PROFIBUS-DP,
80、 PROFIBUS-PA, PROFIBUS-FMS,PROFIBUS-DP, PROFIBUS-PA, PROFIBUS-FMS,它们分别适用于不同的领域它们分别适用于不同的领域, ,但这三种形式使用的是统一的总线访问协议。但这三种形式使用的是统一的总线访问协议。 100 PROFIBUF-DP (Decentralized Periphery PROFIBUF-DP (Decentralized Periphery 分散型外围设备分散型外围设备) )。这是一种适用于进行高速。这是一种适用于进行高速数据传输的通信连接数据传输的通信连接, ,它是专门为自动化系统与在设备级分散的它是专门为自动化
81、系统与在设备级分散的I/OI/O之间进行通信而设计的。它之间进行通信而设计的。它可取代可取代24V24V或或020mA020mA测量值的传输测量值的传输, ,并具有非常短的响应时间和极高的抗干扰性能。并具有非常短的响应时间和极高的抗干扰性能。 101 PROFIBUS-PA(Process Automation PROFIBUS-PA(Process Automation过程自动化过程自动化) )。这是一种适用于过程自动化的形式。这是一种适用于过程自动化的形式, ,它它可以使传感器和执行器接在一根共用的总线上可以使传感器和执行器接在一根共用的总线上, ,根据根据IEC1158-2IEC1158
82、-2国际标准国际标准,PROFIBUS-PA,PROFIBUS-PA采用双线采用双线进行总线供电和数据通信。由于应用了本质安全传输技术进行总线供电和数据通信。由于应用了本质安全传输技术, ,因此因此,PROFIBUS-PA,PROFIBUS-PA可以方便地运用可以方便地运用于许多对安全性要求较高的场合。于许多对安全性要求较高的场合。 102 PROFIBUS PROFIBUSFMS(Fieldbus Message SpecificationFMS(Fieldbus Message Specification现场总线报文规范现场总线报文规范) )。这是一种工业。这是一种工业通信层次结构通信层次
83、结构, ,用来解决车间级的通信任务用来解决车间级的通信任务, ,功能强大的功能强大的FMS(FMS(现场总线报文规范现场总线报文规范),),向用户提供了向用户提供了广阔的应用范围和更大的灵活性广阔的应用范围和更大的灵活性, ,同时同时PROFIBUS-FMSPROFIBUS-FMS还具有更加强大的数据通信功能。还具有更加强大的数据通信功能。 103 PROFIBUS PROFIBUS协议遵循协议遵循ISO/OSIISO/OSI模型模型, ,其通信模型由三层构成其通信模型由三层构成: :物理层、数据链路层和应用层物理层、数据链路层和应用层, ,其其结构如图结构如图2323所示。其中所示。其中PR
84、OFIBUS-DPPROFIBUS-DP使用了第使用了第1 1层、第层、第2 2层和用户接口层和用户接口, ,第第3 3层到第层到第7 7层未加定义层未加定义, ,这种结构确保数据传输的快速性这种结构确保数据传输的快速性, ,用户接口规定了用户、系统以及不同设备可调用的应用功能用户接口规定了用户、系统以及不同设备可调用的应用功能, ,并提供了并提供了RS485RS485传输技术和光纤传输技术。传输技术和光纤传输技术。 104 PROFIBUS-PA PROFIBUS-PA采用扩展的采用扩展的PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP协议协议, ,并采用了描述现场设备行为的并采用了描述现场设备
85、行为的PAPA行规行规, ,使用分使用分段式耦合器段式耦合器, ,可以方便的将可以方便的将PROFIBUS-PAPROFIBUS-PA设备集成到设备集成到PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP网络中。网络中。PROFIBUS-FMSPROFIBUS-FMS使用了使用了ISO/OSIISO/OSI模型的第模型的第1 1层、第层、第2 2层和第层和第7 7层层, ,应用层包括现场总线报文规范应用层包括现场总线报文规范(FMS)(FMS)和底层接口和底层接口(LLI),(LLI),第第2 2层层(FDL)(FDL)可完成总线存取控制和数据的可靠传输可完成总线存取控制和数据的可靠传输, ,它还为
86、它还为PROFIBUS-FMSPROFIBUS-FMS提供提供RS485RS485和光纤传输技和光纤传输技术。术。 105图图23 PROFIBUS23 PROFIBUS协议结构协议结构 106 当当PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP和和PROFIBUS-FMSPROFIBUS-FMS使用使用RS485RS485传输技术时传输技术时, ,传输介质为双绞线传输介质为双绞线, ,带转发器最多可带转发器最多可接接127127个站点个站点, ,波特率波特率9.6kb/s12Mb/s 9.6kb/s12Mb/s 。在电磁干扰很大的环境下应用。在电磁干扰很大的环境下应用PROFIBUSPROFI
87、BUS系统时可使用系统时可使用光纤以增加传输的距离。许多厂商提供专用的总线插头可进行光纤以增加传输的距离。许多厂商提供专用的总线插头可进行RS485RS485信号和光纤信号的转换。信号和光纤信号的转换。 107 PROFIBUS-PA PROFIBUS-PA使用使用IEC1158-2IEC1158-2传输方式传输方式, ,其通信速率为其通信速率为31.25kbps,31.25kbps,最大距离最大距离1.9km,1.9km,每一段上每一段上可连接的仪表台数可连接的仪表台数32(32(决定于所接入总线仪表设备的耗电量和应用的最大总线电流决定于所接入总线仪表设备的耗电量和应用的最大总线电流),),
88、可采用可采用DP/PADP/PA耦合器使耦合器使RS485RS485信号和信号和IEC1158-2IEC1158-2信号适配。图信号适配。图2424为为PROFIBUSPROFIBUS现场总线的连接结构图。现场总线的连接结构图。 108图图24 PROFIBUS24 PROFIBUS现场总线典型结构图现场总线典型结构图 109 4 4 4 4基金会现场总线基金会现场总线基金会现场总线基金会现场总线(FF)(FF)(FF)(FF) 基金会现场总线是由现场总线基金会基金会现场总线是由现场总线基金会(Fieldbus Foundation)(Fieldbus Foundation)组织开发的。它是为
89、适应组织开发的。它是为适应自动化系统自动化系统, ,特别是过程自动化系统在功能、环境与技术上的需要而设计的。得到了世界上主特别是过程自动化系统在功能、环境与技术上的需要而设计的。得到了世界上主要自动控制设备供应商的广泛支持要自动控制设备供应商的广泛支持, ,在北美、亚太、欧洲等地区具有较强的影响。其通信模型在北美、亚太、欧洲等地区具有较强的影响。其通信模型由四层构成由四层构成, ,采用了采用了ISO/OSIISO/OSI参考模型的物理层、数据链路层和应用层并增加了一层参考模型的物理层、数据链路层和应用层并增加了一层用户层用户层( (如图如图2525所示所示) )。 110图图25 FF25 F
90、F现场总线模型与现场总线模型与OSI OSI 111 FF FF现场总线的物理层遵循现场总线的物理层遵循IEC1158-2IEC1158-2和和ISA-S50.02ISA-S50.02中有关物理层的标准中有关物理层的标准, ,定义了两种速率的总定义了两种速率的总线线, ,波特率为波特率为31.25kbps31.25kbps的称为的称为H1(H1(低速低速) )标准。波特率为标准。波特率为1Mbps1Mbps和和2.5Mbps2.5Mbps的称为的称为H2H2标准。标准。H1H1支持总支持总线型和树型拓扑结构线型和树型拓扑结构, ,每段节点数最多为每段节点数最多为3232个个, ,传输距离为传输
91、距离为0.2km1.9km,0.2km1.9km,可采用总线供电可采用总线供电, ,支持本支持本质安全。质安全。H2H2支持总线型拓扑结构支持总线型拓扑结构, ,每段节点数最多为每段节点数最多为124124个个, ,传输距离为传输距离为750m750m。H1H1和和H2H2之间通过网之间通过网桥互连。桥互连。FFFF现场总线支持双绞线、电缆、光缆、和无线电等多种传输介质。图现场总线支持双绞线、电缆、光缆、和无线电等多种传输介质。图2626为为FFFF现场总线的现场总线的拓扑结构图。拓扑结构图。 112图图26 FF26 FF现场总线的拓扑结构图现场总线的拓扑结构图 113 FF FF现场总线的
92、数据链路层完成总线通信中的链路活动调度现场总线的数据链路层完成总线通信中的链路活动调度, ,数据的接收发送数据的接收发送, ,活动状态的探活动状态的探测、响应测、响应, ,总线上各设备间的链路时间同步等工作。每一段总线上有一个链路活动调度器总线上各设备间的链路时间同步等工作。每一段总线上有一个链路活动调度器LASLAS。链路活动调度器链路活动调度器LASLAS拥有总线上设备的清单拥有总线上设备的清单, ,由它来掌握总线上各设备对总线的操作。由它来掌握总线上各设备对总线的操作。 114任何时刻每个总线段上只有一个链路主设备任何时刻每个总线段上只有一个链路主设备( (有能力成为有能力成为LASLA
93、S的设备的设备) )为链路活动调度器为链路活动调度器, ,由它调由它调度网络站点间的周期和非周期通信。度网络站点间的周期和非周期通信。FFFF现场总线提供的数据传输方式有现场总线提供的数据传输方式有: :无连接数据传输、发无连接数据传输、发行数据定向连接传输和请求行数据定向连接传输和请求/ /响应数据定向连接传输。响应数据定向连接传输。 115 FF FF现场总线的应用层分为现场总线访问子层现场总线的应用层分为现场总线访问子层FASFAS和现场总线信息规范子层和现场总线信息规范子层FMSFMS。 FASFAS的基本的基本功能是确定数据访问的关系模型和规范功能是确定数据访问的关系模型和规范,FA
94、S,FAS提供三种虚拟通信关系提供三种虚拟通信关系: :客户客户/ /服务器虚拟通信关系、服务器虚拟通信关系、报告分发虚拟通信关系和发布报告分发虚拟通信关系和发布/ /预定接收型虚拟通信关系。现场总线信息规范子层预定接收型虚拟通信关系。现场总线信息规范子层FMSFMS规定了访规定了访问应用进程的报文格式及服务。问应用进程的报文格式及服务。 116 FF FF现场总线的用户层规定了标准的功能模块、对象字典和设备描述现场总线的用户层规定了标准的功能模块、对象字典和设备描述, ,供用户组成所需要的供用户组成所需要的应用程序应用程序, ,并实现网络管理和系统管理。用户层规定了并实现网络管理和系统管理。
95、用户层规定了2929个标准的功能模块个标准的功能模块, ,其中其中1010个为基本功个为基本功能块能块, ,另另1919个是为先进控制规定的标准附加功能块。个是为先进控制规定的标准附加功能块。 117 5 5 5 5LONWORKSLONWORKSLONWORKSLONWORKS总线总线总线总线 LONWORKSLONWORKS总线是美国总线是美国EchelonEchelon公司于公司于19911991年推出的技术和产品年推出的技术和产品, ,为新一代的智能化低成本现为新一代的智能化低成本现场测控产品。主要应用于工业自动化、机械设备控制等领域场测控产品。主要应用于工业自动化、机械设备控制等领域
96、, ,是当前最为流行的现场总线之一。是当前最为流行的现场总线之一。 118 LONWORKS LONWORKS采用采用LONTALKLONTALK通信协议通信协议, ,该协议遵循该协议遵循ISO/OSIISO/OSI参考模型参考模型, ,它提供了它提供了OSIOSI所定义的全部所定义的全部7 7层服务层服务, ,使其具有很强的网络功能使其具有很强的网络功能, ,被誉为通用控制网络被誉为通用控制网络, ,这在所有现场总线中是独一无二的。这在所有现场总线中是独一无二的。其各层的作用及所提供的服务如图其各层的作用及所提供的服务如图2727所示。所示。 119图图27 LONWORKS27 LONWO
97、RKS模型模型 120 LONWORKS LONWORKS技术的核心是技术的核心是Neuron(Neuron(神经元神经元) )芯片。它内含芯片。它内含3 3个个8 8位位CPU,CPU,一个一个CPUCPU为介质访问控制处为介质访问控制处理器理器, ,处理处理LONTALKLONTALK协议的第一层和第二层。一个协议的第一层和第二层。一个CPUCPU为网络处理器为网络处理器, ,实现实现LONTALKLONTALK的第的第3 3层到第层到第6 6层层的功能。另一个的功能。另一个CPUCPU为应用处理器为应用处理器, ,执行用户的程序及用户程序所调用的操作系统服务。这样在一执行用户的程序及用户
98、程序所调用的操作系统服务。这样在一个神经元芯片上就能完成网络和控制功能。个神经元芯片上就能完成网络和控制功能。LONWORKSLONWORKS给使用者提供一个完整的开发平台给使用者提供一个完整的开发平台, ,包含有包含有节点开发工具节点开发工具NodeBuilderNodeBuilder和网络管理工具和网络管理工具LonBuilderLonBuilder及网络开发语言及网络开发语言Neuron CNeuron C等。等。 121 LONWORKS LONWORKS的物理层采用的物理层采用RS485RS485通信标准通信标准, ,总线可以根据不同的现场环境选择不同的收发器和介总线可以根据不同的现
99、场环境选择不同的收发器和介质质, ,传输介质可以是传输介质可以是: :电源线、双绞线、同轴电缆、光缆、无线电和红外线。使用双绞线时的最高电源线、双绞线、同轴电缆、光缆、无线电和红外线。使用双绞线时的最高传输速率为传输速率为1.25Mbit/s,1.25Mbit/s,最大传输距离为最大传输距离为1.2km1.2km。LONWORKSLONWORKS可以构成总线型、星型、环型和混合型可以构成总线型、星型、环型和混合型等典型的网络结构等典型的网络结构, ,能实现网络拓扑结构的自由组合能实现网络拓扑结构的自由组合, ,可以通过网关实现不同现场总线的互联。图可以通过网关实现不同现场总线的互联。图2828
100、为采用为采用LONWORKSLONWORKS现场总线构成的工业现场网络。现场总线构成的工业现场网络。 122图图28 LONWORKS28 LONWORKS现场总线网络现场总线网络 123 综上所述综上所述, ,各类现场总线都有各自的特点各类现场总线都有各自的特点, ,鉴于现场总线的国际统一标准尚未出台鉴于现场总线的国际统一标准尚未出台, ,那么那么, , 在选用现场总线产品时在选用现场总线产品时, ,应根据自己的要求和实际情况应根据自己的要求和实际情况( (如如: :规模的大小、环境条件、传输信号规模的大小、环境条件、传输信号情况及现场设备情况等情况及现场设备情况等),),结合各种现场总线的
101、特色来合理选择产品。结合各种现场总线的特色来合理选择产品。 124九、数据采集接口九、数据采集接口九、数据采集接口九、数据采集接口 一个微型计算机数据采集系统如图29所示,它的输入信号分为模拟信号和数字信号两类。模拟信号是由模拟类的传感器输出的信号经放大调理后得到的,数字信号则是由数字类传感器输出的数字信号或开关信号得到的。 本节主要讨论两方面的内容:数据采集的输入缓冲电路。可编程的输入输出电路。125图图29 29 微型计算机数据采集系统框图微型计算机数据采集系统框图 126 1 1 1 1数字信号的采集数字信号的采集数字信号的采集数字信号的采集 由于数据采集接口是直接挂在计算机总线上的由于
102、数据采集接口是直接挂在计算机总线上的, ,所以要求该接口保证只有在计算机读取其信号所以要求该接口保证只有在计算机读取其信号时接口与总线接通时接口与总线接通, ,而其它时间接口都必须与总线断开而其它时间接口都必须与总线断开, ,以确保计算机能正常工作。输入接口一般以确保计算机能正常工作。输入接口一般采用三态缓冲器或带有锁存器的三态缓冲器。图采用三态缓冲器或带有锁存器的三态缓冲器。图3030所示是采用三态缓冲器所示是采用三态缓冲器74LS24474LS244的输入接口电的输入接口电路。当片选信号为高电平时路。当片选信号为高电平时, ,三态缓冲器为高阻状态三态缓冲器为高阻状态, ,总线与接口相当于断
103、开。当片选信号为低电总线与接口相当于断开。当片选信号为低电平时平时, ,三态缓冲器将输入数据送给总线。三态缓冲器将输入数据送给总线。 127图图30 30 用缓冲器构成的输入接口用缓冲器构成的输入接口 128 计算机通过输出接口把命令和一些经过处理后的信息送给外部设备。由于计算机的写周期计算机通过输出接口把命令和一些经过处理后的信息送给外部设备。由于计算机的写周期非常短非常短, ,信息出现在总线上的时间一般只有几百个毫微秒。因此输出接口必须采用数据锁存器信息出现在总线上的时间一般只有几百个毫微秒。因此输出接口必须采用数据锁存器, ,使计算机输出的数据保存足够长的时间以满足外部设备的取用。一般锁
104、存器具有很高的输入阻使计算机输出的数据保存足够长的时间以满足外部设备的取用。一般锁存器具有很高的输入阻抗抗, ,所以不必再考虑其与总线的隔离。所以不必再考虑其与总线的隔离。 129 图图3131是采用锁存器是采用锁存器74LS37374LS373作为数字信号的输出接口。作为数字信号的输出接口。74LS37374LS373内部是八个内部是八个D D触发器触发器, ,触发器触发器的时钟连接在一起作为锁存器的片选信号。当片选信号为高电平时的时钟连接在一起作为锁存器的片选信号。当片选信号为高电平时, ,计算机输出的数字通过总计算机输出的数字通过总线写入锁存器。当片选信号为低电平时线写入锁存器。当片选信
105、号为低电平时, ,锁存器保持原来的数据不变。锁存器保持原来的数据不变。 130图图31 31 用锁存器构成的输出接口用锁存器构成的输出接口 131 可编程的并行输入输出接口芯片可编程的并行输入输出接口芯片, ,是微机接口中最常用的芯片是微机接口中最常用的芯片, ,它们的特点是硬件连接简单它们的特点是硬件连接简单, ,接口功能强接口功能强, ,使用灵活。使用灵活。 图图3232是是IntelIntel公司生产的公司生产的8255A8255A可编程并行输入输出接口芯片的内部结构图。它由三部分组可编程并行输入输出接口芯片的内部结构图。它由三部分组成成: : 132图图32 8255A32 8255A
106、内部结构框图内部结构框图 133 （1 1）与微机接口部分）与微机接口部分 通过数据缓冲器与数据总线相连通过数据缓冲器与数据总线相连, ,缓冲器是一个缓冲器是一个8 8位双向三态缓冲器。所有的输入输出数据位双向三态缓冲器。所有的输入输出数据以及对以及对82558255发出的控制字和从发出的控制字和从82558255读入的状态信息读入的状态信息, ,都是通过这个缓冲器传送的。都是通过这个缓冲器传送的。 ( (读读) )、 ( (写写) )、 ( (片选片选) )及及RESETRESET为系统控制信号线。为系统控制信号线。 134 2 2）与外设的接口部分）与外设的接口部分 这一部分共有三个这一部
107、分共有三个8 8位的端口位的端口:A:A口、口、B B口和口和C C口口, ,其中其中C C口又可分为口又可分为C C口上半部和口上半部和C C口下半部。口下半部。A,BA,B和和C C三个端口的工作模式可通过程序来选择三个端口的工作模式可通过程序来选择, ,分别是模式分别是模式0 0、模式、模式1 1和模式和模式2 2。 模式模式0:0:为基本的输入输出工作模式。这种方式不需要选通信号。任何一个端口都可以通过编为基本的输入输出工作模式。这种方式不需要选通信号。任何一个端口都可以通过编程设定为输入或输出端口程设定为输入或输出端口, ,作为输入端口时都有三态缓冲器功能作为输入端口时都有三态缓冲器
108、功能, ,作为输出端口时作为输出端口时, ,都有数据锁存都有数据锁存器功能。器功能。 135 模式模式1:1:为应答式输入输出工作模式。为应答式输入输出工作模式。A A口和口和B B口作为口作为8 8位输入或输出端口位输入或输出端口,C,C口作为口作为A A口和口和B B口口输入输出的应答信号。输入输出的应答信号。 模式模式2:2:为应答式双向输入输出工作模式。此时为应答式双向输入输出工作模式。此时A A口作为双向输入输出端口口作为双向输入输出端口,C,C口中的口中的5 5位作为位作为相应的应答信号相应的应答信号, ,余下的余下的B B口和口和C C口仍可处于模式口仍可处于模式0 0工作方式。
109、工作方式。136 （3 3）逻辑控制部分）逻辑控制部分 82558255的编程选择是将控制字写入控制寄存器来实现的。的编程选择是将控制字写入控制寄存器来实现的。 8255A8255A可编程并行输入输出接口芯片的具体使用方法可参阅有关微机原理及接口方面的书可编程并行输入输出接口芯片的具体使用方法可参阅有关微机原理及接口方面的书籍。籍。 137 2. 2. 2. 2. 模拟信号的采集模拟信号的采集模拟信号的采集模拟信号的采集 将模拟信号送给计算机进行处理将模拟信号送给计算机进行处理, ,必须先对模拟信号进行模数必须先对模拟信号进行模数(A/D)(A/D)转换转换, ,将连续的模拟信将连续的模拟信号
110、转换为离散的数字信号。号转换为离散的数字信号。 当系统要对多路模拟信号进行采集时当系统要对多路模拟信号进行采集时, ,如果不要求高速采样如果不要求高速采样, ,一般选用公用的采样一般选用公用的采样/ /保持器、保持器、放大器及放大器及A/DA/D转换器等转换器等, ,对各路模拟量进行分时采集对各路模拟量进行分时采集, ,以简化电路以简化电路, ,降低成本。为此需要使用多路降低成本。为此需要使用多路模拟开关模拟开关, ,轮流把各路模拟信号与测量通道接通轮流把各路模拟信号与测量通道接通, ,从而实现分时采集。从而实现分时采集。 138 在数据采集系统中应用较多的是集成模拟电子开关在数据采集系统中应
111、用较多的是集成模拟电子开关, ,它的优点是体积小它的优点是体积小, ,切换速率快切换速率快, ,无抖无抖动动, ,工作可靠工作可靠, ,容易控制。它的缺点是导通电阻较大容易控制。它的缺点是导通电阻较大, ,输入电压、电流容量有限输入电压、电流容量有限, ,动态范围小。动态范围小。 集成模拟开关的工作原理可由图集成模拟开关的工作原理可由图3333所示的模拟开关结构示意图来说明所示的模拟开关结构示意图来说明, ,输入输入S S0 0SS7 7八个模拟八个模拟信号信号, ,输出输出S Sm m一个模拟通道。通道是否接通一个模拟通道。通道是否接通, ,哪一个通道接通由片选信号和通道地址哪一个通道接通由
112、片选信号和通道地址A A0 0，A Al l, ,和和A A2 2, ,来决定。来决定。 139当片选信号为当片选信号为11时禁止所有的时禁止所有的8 8个通道接通。当片选信号为个通道接通。当片选信号为“ “0 0” ”时时, ,由由A A0 0AA2 2的状态决定哪一的状态决定哪一个通道接通。信号和个通道接通。信号和A A0 0，A Al l, A, A2 2, ,可由计算机通过接口电路给出可由计算机通过接口电路给出, ,所以多路模拟开关什么时间闭所以多路模拟开关什么时间闭合合, ,哪一个通道的开关闭合哪一个通道的开关闭合, ,完全可以由计算机的程序控制。完全可以由计算机的程序控制。 140
113、图图33 33 八选一模拟开关结构示意图八选一模拟开关结构示意图 141 在不同的数据采集系统中在不同的数据采集系统中, ,放大器的选择是不同的。在简单的系统中放大器就是一个起缓放大器的选择是不同的。在简单的系统中放大器就是一个起缓冲作用的电压跟随器。在较为高档的系统中可以选用程控放大器冲作用的电压跟随器。在较为高档的系统中可以选用程控放大器, ,它的放大倍数可由计算机通它的放大倍数可由计算机通过接口输出的一组数码控制。这样采集系统就可以根据各通道模拟量的大小而选择不同的放大过接口输出的一组数码控制。这样采集系统就可以根据各通道模拟量的大小而选择不同的放大倍数倍数, ,即使是对同一模拟通道在其
114、信号强或弱时也可以选用不同放大倍数即使是对同一模拟通道在其信号强或弱时也可以选用不同放大倍数, ,即实现自动换档。即实现自动换档。 142 采样采样/ /保持器是用来保证保持器是用来保证A/DA/D转换器在将模拟量转换成数字量的过程中其输入信号保持不变转换器在将模拟量转换成数字量的过程中其输入信号保持不变, ,以得到较高的转换精度。以得到较高的转换精度。 A/DA/D转换器是模拟信号采集系统的核心部件转换器是模拟信号采集系统的核心部件,A/D,A/D转换器的性能在很大程度上决定着数据采集转换器的性能在很大程度上决定着数据采集系统的性能系统的性能, ,描述描述A/DA/D转换器的两个最重要的指标
115、转换器的两个最重要的指标, ,一个是一个是A/DA/D转换器的位数转换器的位数, ,一个是一个是A/DA/D转换器的转转换器的转换时间或转换速率。这两个指标也直接决定着数据采集系统的分辨率和最高采祥频率。换时间或转换速率。这两个指标也直接决定着数据采集系统的分辨率和最高采祥频率。 143 很多很多A/DA/D转换器的数字信号输出端本身就具有三态缓冲器仪（如转换器的数字信号输出端本身就具有三态缓冲器仪（如ADC0809,AD574ADC0809,AD574等）。它们等）。它们可以直接和计算机的数据总线相连。在设计接口时主要考虑控制线的连接。如果选用的可以直接和计算机的数据总线相连。在设计接口时主
116、要考虑控制线的连接。如果选用的A/DA/D转转换器不具备三态输出缓冲器（如换器不具备三态输出缓冲器（如ADC1210ADC1210）则其数据线不能直接连到数据总线上）则其数据线不能直接连到数据总线上, ,必须外加三态必须外加三态缓冲器。缓冲器。 1443 3 3 3地址译码电路地址译码电路地址译码电路地址译码电路 在计算机系统中在计算机系统中, ,许多存储器、接口都挂在总线上许多存储器、接口都挂在总线上, ,但在任一时刻只能有一个存储器或接但在任一时刻只能有一个存储器或接口通过总线输出数据口通过总线输出数据, ,或者只能有一个或几个单元读入数据或者只能有一个或几个单元读入数据, ,否则就会造成
117、混乱。某一个接口能否则就会造成混乱。某一个接口能否把它的数据送到数据总线上或从数据总线上读数否把它的数据送到数据总线上或从数据总线上读数, ,就看它与数据总线相连的三态缓冲器或锁就看它与数据总线相连的三态缓冲器或锁存器是否接收到片选信号存器是否接收到片选信号, ,而此片选信号是否出现则是由计算机的程序决定的。而此片选信号是否出现则是由计算机的程序决定的。 145当计算机执行从某一个接口当计算机执行从某一个接口“ “读数据读数据” ”这样一条指令时这样一条指令时, ,首先把这个接口的地址放到地址总线首先把这个接口的地址放到地址总线上上, ,并使读控制线并使读控制线( )( )变为低电平变为低电平
118、, ,各接口的译码电路会对地址线上的地址进行译码各接口的译码电路会对地址线上的地址进行译码, ,只有地只有地址号与地址总线上的被选地址一致的那个接口被选中址号与地址总线上的被选地址一致的那个接口被选中, ,于是该接口上的数字信号就送到数据总于是该接口上的数字信号就送到数据总线上供计算机读取。同样计算机向接口线上供计算机读取。同样计算机向接口 写数据写数据 也有类似的过程。可见译码电路是接口电路的也有类似的过程。可见译码电路是接口电路的一个重要组成部分。一个重要组成部分。 146 一个计算机系统可用于一个计算机系统可用于I/OI/O接口的地址是很多的接口的地址是很多的, ,而一块接口板或一个数据
119、采集系统只用而一块接口板或一个数据采集系统只用到几个至几十个地址到几个至几十个地址, ,例如例如PCPC机的机的XTXT总线中总线中, ,地址线地址线A A0 0AA9 9用于对用于对I/0I/0端口寻址端口寻址, ,寻址范围达寻址范围达1K,1K,而而一块数据采集板只用一块数据采集板只用8 8个接口地址个接口地址( (用用A A0 0AA2 2译码得到译码得到8 8个地址个地址),),在这种情况下地址译码可分两部在这种情况下地址译码可分两部分进行。分进行。 147图图3434用数值比较器构成的高位译码电路用数值比较器构成的高位译码电路 148 对高位地址对高位地址A A3 3AA9 9可采用
120、数值比较器进行译码可采用数值比较器进行译码, ,图图3434所示电路为采用数值比较器所示电路为采用数值比较器74ALS52074ALS520构构成的译码电路成的译码电路, ,数值比较器的功能是当它的两组输入完全相等时输出为低电平数值比较器的功能是当它的两组输入完全相等时输出为低电平, ,否则输出为高电否则输出为高电平。在这个具体电路中只有当平。在这个具体电路中只有当A A3 3AA9 9这这7 7个二进制数码与地址开关个二进制数码与地址开关S S0 0SS6 6所设置的所设置的7 7个对应的数都个对应的数都相等时相等时Q Q才会输出低电平。才会输出低电平。149如果在设置接口地址时如果在设置接
121、口地址时, ,将地址选择开关中的将地址选择开关中的S S6 6, S, S5 5和和S S1 1接通接通, ,其它开关断开其它开关断开, ,那么只有当那么只有当A A4 4, A, A8 8和和A A9 9为为“ “1 1” ”而而A A3 3,A,A5 5,A,A6 6和和和和A A7 7为为“ “0 0” ”时为低电平时为低电平, ,即只有地址为即只有地址为时时,Q,Q才为低电平。才为低电平。 低位地址采用集成地址译码器来进行译码低位地址采用集成地址译码器来进行译码, ,例如选用例如选用3-83-8译码器译码器74LS13874LS138作为译码电路如图作为译码电路如图3535所示。所示。
122、 150图图35 74LS13835 74LS138译码电路译码电路 151 当片选信号为高电平时当片选信号为高电平时, ,芯片未被选中芯片未被选中, ,所有所有8 8个输出端都为高电平。当片选信号为低电平个输出端都为高电平。当片选信号为低电平时时, A, A0 0,A,A1 1和和A A2 2三位二进制数共有三位二进制数共有8 8个状态个状态, ,每种状态都对应某一个输出端为低电平而其它输出端每种状态都对应某一个输出端为低电平而其它输出端为高电平为高电平, ,当片选信号采用前面数值比较译码电路的输出信号当片选信号采用前面数值比较译码电路的输出信号Q Q时时, ,则只有当地址为则只有当地址为310H317H310H317H时时, ,输出输出Y Y0 0YY7 7才会一一对应地变为低电平。才会一一对应地变为低电平。 152 将最终的译码结果将最终的译码结果Yo,YYo,Y1 1再和计算机的读、写信号相再和计算机的读、写信号相 或或 作为输入接口三态缓冲器的片作为输入接口三态缓冲器的片选选, ,或输出接口锁存器的片选或输出接口锁存器的片选, ,就能保证计算机与各接口数据交换的正常进行。就能保证计算机与各接口数据交换的正常进行。
