第四章智能仪器通信接口

1、 4.1 GPIB通用接口总线通用接口总线 4.2 GPIB接口电路的设计接口电路的设计 4.3 串行通信总线串行通信总线 4.4 串行通信接口电路的设计串行通信接口电路的设计第第4章章 智能仪器通信接口智能仪器通信接口 智能仪器一般都设置通信接口，以便能够实现程控，方便用户智能仪器一般都设置通信接口，以便能够实现程控，方便用户构成自动测试系统。为了使不同厂家生产的任何型号的仪器都可以构成自动测试系统。为了使不同厂家生产的任何型号的仪器都可以直接用一条无源电缆连接起来，世界各国都在按同一标准设计智能直接用一条无源电缆连接起来，世界各国都在按同一标准设计智能仪器的通信接口电路。目前国际上采用的仪

2、器标准接口有仪器的通信接口电路。目前国际上采用的仪器标准接口有GP-IBGP-IB，CAMACCAMAC，RS232RS232，USBUSB等，等， 本章将对智能仪器普遍使用的本章将对智能仪器普遍使用的GP-IBGP-IB标准和最基本的串行总线标准和最基本的串行总线RS-232RS-232标准予以介绍。标准予以介绍。 4.1 GPIB通用接口总线通用接口总线 4.1.1 GP-IB 标准接口系统概述标准接口系统概述 GPIB即通用接口总线即通用接口总线（General Purpose Interface Bus） 是国际通用的仪器接口是国际通用的仪器接口标准。目前生产的智能仪器几标准。目前生产

3、的智能仪器几乎无例外地都配有乎无例外地都配有GPIB标准标准接口。接口。HP 设计 HP-IB196519751987199019921993HP-IB成为IEEE488IEEE488.1-1987IEEE488.2SCPI被引入IEEE488修订IEEE488.2NI提出HS488Standard Commands for Programmable Instruments国际通用的仪器接口标准最初由美国国际通用的仪器接口标准最初由美国HP公司研制，称为公司研制，称为HP-IB标准。标准。 1975年年IEEE在此基础上加以改进，将其规范化为在此基础上加以改进，将其规范化为IEEE488标准标

4、准予以推荐。予以推荐。1977年年IEC又通过国际合作命名为又通过国际合作命名为IEC625国际标准。国际标准。1987年，年，IEEEstd 488.1-1987，IEEBstd 488.2-1987此后，这同一标准便在文献资料中使用了此后，这同一标准便在文献资料中使用了HPIB，IEEE488，GPIB，IECIB等多种称谓，但日渐普遍使用的名称是等多种称谓，但日渐普遍使用的名称是GPIB。 4.1.1 GP-IB 标准接口系统概述标准接口系统概述 GP-IB标准标准包括接口与总线两部分：接口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，用于对传输的信息进行发送、接收、编码和译

5、码；总线部分总线部分是一条无源的多芯电缆，用做传输各种消息。将具有GP-IB接口的仪器用GP-IB总线连接起来的标准接口总线系统如图所示。 一、一、 GP-IB标准接口系统的基本特性标准接口系统的基本特性 在一个GP-IB标准接口总线系统标准接口总线系统中，要进行有效的通信联络至少有“讲者讲者”、“听者听者”、“控者控者”三类仪器装置。 讲者讲者是通过总线发送仪器消息的仪器装置（ 如测量仪器、数据采集器、计算机等），在一个GP-IB系统中，可以设置多个讲者， 但在某一时刻，只能有一个讲者在起作用。 听者听者是通过总线接收由讲者发出消息的装置（如打印机、信号源等），在一个GP-IB系统中，可以设

6、置多个听者，并且允许多个听者同时工作。 控者控者是数据传输过程中的组织者和控制者，例如对其他设备进行寻址或允许“讲者”使用总线等。控者通常由计算机担任，GPIB系统不允许有两个或两个以上的控者同时起作用。一、一、 GP-IB标准接口系统的基本特性标准接口系统的基本特性 控者、讲者、听者被称为系统功能的三要素，对于系统中的某控者、讲者、听者被称为系统功能的三要素，对于系统中的某一台装置可以具有三要素中的一个、两个或全部。一台装置可以具有三要素中的一个、两个或全部。GP-IBGP-IB系统中的系统中的计算机一般同时兼有讲者、听者与控者的功能。计算机一般同时兼有讲者、听者与控者的功能。 （1） 可以

7、用一条总线互相连接若干台装置，以组成一个自动测试系统。 系统中装置的数目最多不超过系统中装置的数目最多不超过15台，互连总线的台，互连总线的长度不超过长度不超过20m。（2） 数据传输采用并行比特（位）、串行字节（位组）双向异步传输方式，其最大传输速率不超过1兆字节每秒。（3） 总线上传输的消息采用负逻辑。低电平（0.8V）为逻辑“1”，高电平（2.0V）为逻辑“0”。（4） 地址容量。单字节地址：31个讲地址，31个听地址；双字节地址：961个讲地址，961个听地址。（5） 一般适用于电气干扰轻微的实验室和生产现场。 一、一、 GP-IB标准接口系统的基本特性标准接口系统的基本特性 GP-I

8、BGP-IB标准接口系统的基本特性如下：标准接口系统的基本特性如下：总线上传递的各种信息通称为消息。带标准接口的智能仪器按功能可分为仪器功能和接口功能两部分，所以消息也有仪器消息和接口消息之分。所谓接口消息是指用于管理接口部分完成各种接口功能的信息，它由控者发出而只被接口部分所接收和使用。仪器消息是与仪器自身工作密切相关的信息，它只被仪器部分所接收和使用，虽然仪器消息通过接口功能进行传递，但它不改变接口功能的状态。接口消息和仪器消息的传递范围如图所示。 二、二、 GPIB标准接口的总线结构标准接口的总线结构 二、二、 GPIB标准接口的总线结构标准接口的总线结构 GPIB总线接口有两种：IEE

9、E488和IEC625IEEE488为24芯接口，IEC625为25芯接口 二、二、 GPIB标准接口的总线结构标准接口的总线结构 总线是一条总线是一条2424芯电缆，其中芯电缆，其中1616条为信号线，其余为地线及屏蔽条为信号线，其余为地线及屏蔽线。电缆两端是双列线。电缆两端是双列2424芯叠式结构插头。芯叠式结构插头。（1） 8条双向数据总线（条双向数据总线（DIO1DIO8）作用：传递仪器消息和大部分接口消息，包括数据、命令和地址。由于这一标准没有专门的地址总线和控制总线，因此必须用其余两组信号线来区分数据总线上信息的类型。（2） 3条数据挂钩联络线（条数据挂钩联络线（DAV，NRFD和

10、和NDAC）作用：控制数据总线的时序，以保证数据总线能正确、有节奏地传输信息，这种传输技术称为三线挂钩技术。 （3）5条接口管理控制线（条接口管理控制线（ATN，IFC，REN，EOI和和SRQ）作用：控制GPIB总线接口的状态 二、二、 GPIB标准接口的总线结构标准接口的总线结构 1616条信号线按功能可分为以下三组：条信号线按功能可分为以下三组： DAV（DATA VALID）数据有效线： 当数据线上出现有效的数据时，讲者置DAV线为低（负逻辑），示意听者从数据线上接收数据。NRFD（NOT READY FOR DATA）数据未就绪线： 只要被指定为听者的听者中有一个尚未准备好接收数据，

11、NRFD线就为低，示意讲者暂不要发出信息。NDAC（NOT DATA ACCEPTED）数据未收到线： 只要被指定为听者的听者中有一个尚未从数据总线上接收完数据，NDAC就为低，示意讲者暂不要撤掉数据总线上的信息。 三、三、 三线挂钩原理三线挂钩原理 在在GPGPIBIB系统中，每传递一个字节的数据信息，源方（讲者与系统中，每传递一个字节的数据信息，源方（讲者与控者）与受方（听者）之间都要进行一次三线挂钩过程。控者）与受方（听者）之间都要进行一次三线挂钩过程。三条挂钩联络线的定义如下：三条挂钩联络线的定义如下： （1） 听者使NRFD呈高电平，表示已做好接收准备，总线上所有听者是“线或线或”连

12、接至NRFD线上，因此只要有一个听者未做好准备，NRFD就呈低电平。（2） 讲者发现NRFD呈高电平后，就把数据放在DIO线上，并令DAV为低电平，表示DIO线上的数据已经稳定且有效。（3） 听者发现DAV线呈低电平，就令NRFD呈低电平，表示准备接收数据。（4） 在接收数据的过程中，NDAC线一直保持低电平，直至每个听者都接收完数据，才上升为高电平。所有听者也是“线或线或”接到NDAC线上。（5） 当讲者检出NDAC为高，就令DAV为高，表示总线上的数据不再有效。（6） 听者检出DAV为高电平，就令NDAC再次变为低电平， 以准备进行下一个循环过程。 假定地址已发送，听者和讲者均已受命。三线

13、挂钩过程如下：假定地址已发送，听者和讲者均已受命。三线挂钩过程如下：显然，三线挂钩显然，三线挂钩技术可以协调快慢不技术可以协调快慢不同的设备可靠地在总同的设备可靠地在总线上进行信息传递。线上进行信息传递。 4.1.2 接口功能与接口消息接口功能与接口消息 一、一、 仪器功能与接口功能仪器功能与接口功能 自动测试系统中的任何一个仪器装置都分为两部分：一、仪器设备本身，它产生该仪器装置所具备的仪器功能仪器功能；二、接口部分，它产生该仪器装置所需要的接口功能接口功能。仪器功能的任务仪器功能的任务：把收到的控制信息变成仪器设备的实际动作，如调节频率、调节信号电平、改变仪器的工作方式等等，这与常规仪器设

14、备的功能基本相同，不同测量仪器的仪器功能存在很大差异。 接口功能的任务：接口功能的任务：完成系统中各仪器设备之间的通讯，确保系统正常工作。为保证接口系统的标准化和相容性，各仪器设备接口的设计为保证接口系统的标准化和相容性，各仪器设备接口的设计必须遵照必须遵照GPIB标准的各项有关规定，不能自行规定标准以外的标准的各项有关规定，不能自行规定标准以外的任何新的接口功能。任何新的接口功能。 4.1.2 接口功能与接口消息接口功能与接口消息 二、二、 接口功能的配置接口功能的配置 一、前述的控者功能（控者功能（C）、讲者功能（）、讲者功能（T）和听者功能（听者功能（L）是一个自动测试系统中必不可少的三

15、种最基本的功能。二、为使系统可靠进行三线挂钩，又设置了源挂钩功能（源挂钩功能（SH）和受者挂受者挂钩功能（钩功能（AH）。）。源挂钩功能源挂钩功能为讲者功能和控者功能服务，它利用DAV控制线向受者挂钩功能表示发送的数据是否有效； 受者挂钩功能受者挂钩功能主要为听者功能服务。它利用NRFD和NDAC控制线向源挂钩功能表示是否已经接收到数据。以上五种基本接口功能为系统提供了在正常工作期间使数据准确可靠传输的能力。但仅此还是不够的，为了处理测试过程中可能遇到的各种问题，GPIB又增加了五种具有相应管理能力的接口功能。GPGPIBIB标准把全部逻辑功能概括为十种接口功能：标准把全部逻辑功能概括为十种接

16、口功能：三、五种具有相应管理能力的接口功能。服务请求功能（服务请求功能（SR）：）： 当系统中某一装置在运行时遇到某些情况时（ 例如测量已完毕、出现故障等），能向系统控者提出服务请求的能力。并行点名功能（并行点名功能（PP）：）： 系统控者为快速查询请求服务装置而设置的并行点名能力。只有配备PP功能的装置才能对控者的并行点名做出响应。远控本控功能（远控本控功能（RL）：）：选择远地和本地两个工作状态的能力。装置触发功能（装置触发功能（DT）：）： 使装置能从总线接收到触发信息，以便进行触发操作。在一些要进行触发操作或同步操作装置的接口中，必须设置DT功能。装置清除功能（装置清除功能（DC）：）

17、： 能使仪器装置接收清除信息并返回到初始状态。系统控者通过总线命令使那些配置有DC功能的装置同时或有选择地被清除而回到初始状态。 并非每台装置都必须具有十种接口功能。例如一台数字电压表要接收程控命令，也发送测量数据，因而一般应配置除控者之外的其他的九种功能；一台信号源或打印机只需“听”，所以通常只需配置AH，L， R/L和DT等接口功能。很显然，除了控者的其他所有装置都无需配置C功能。 三、三、 接口消息及编码接口消息及编码 按按用途用途来分，总线上传递的消息可分为来分，总线上传递的消息可分为接口消息接口消息和和仪器消息仪器消息两大类。两大类。按按传递的途径传递的途径来分，总线上传递的消息可分

18、为来分，总线上传递的消息可分为本地消息本地消息和和远地消息远地消息两种。两种。 远地消息是经总线传递的消息，它可以是仪器消息也可以是接口消息，远地消息是经总线传递的消息，它可以是仪器消息也可以是接口消息，用三个大写英文字母表示，如用三个大写英文字母表示，如MLA（我的听地址）。本地消息是由仪器本身（我的听地址）。本地消息是由仪器本身产生并在仪器内部传递的消息，产生并在仪器内部传递的消息， 用三个小写英文字母表示，如用三个小写英文字母表示，如pon（电源（电源开）。开）。按按使用信号线的数目使用信号线的数目来分，总线上传递的消息可又分为来分，总线上传递的消息可又分为单线消息单线消息和和多线多线消

19、息消息两种。用两条或两条以上信号线传递的消息称多线消息，例如各种通令、两种。用两条或两条以上信号线传递的消息称多线消息，例如各种通令、指令、地址数据等。通过一条信号线传输的消息称为单线消息，例如指令、地址数据等。通过一条信号线传输的消息称为单线消息，例如ATN，IFC等。等。 总线消息的分类：总线消息的分类：为确保接口的通用性，接口消息编码格式必须作出统一明确的规定。单线接口消息通过一条信号线传输消息，无需编码。多线接口消息是通过DIO线来传输的消息， 需要统一编码。多线接口消息采用了7位编码，主要分为通令、 指令地址和副令(副地址)四类，如表4-1所示。 图图4-4为一个用于数据采集的自动测

20、试系统框图。为一个用于数据采集的自动测试系统框图。系统的测试任务是测试火箭上若干部位上的压力。数百个压力传感器安系统的测试任务是测试火箭上若干部位上的压力。数百个压力传感器安置在被测火箭的各测试点上，在计算机的控制下，扫描器将顺序采集到的传置在被测火箭的各测试点上，在计算机的控制下，扫描器将顺序采集到的传感器输出信号送往电桥，电桥将输出的模拟量送给数字电压表去测量，数字感器输出信号送往电桥，电桥将输出的模拟量送给数字电压表去测量，数字电压表又将输出的数字量送给计算机处理，最后由打印机将处理后的结果打电压表又将输出的数字量送给计算机处理，最后由打印机将处理后的结果打印出来。印出来。 4.1.3

21、GPIB 标准接口系统的运行标准接口系统的运行 (1) 控制器通过控制器通过C功能发出功能发出REN，使系统中所有装置都处于控者控制之下。，使系统中所有装置都处于控者控制之下。(2) 控制器通过控制器通过C功能发出功能发出IFC，使系统中所有装置都处于初始状态。，使系统中所有装置都处于初始状态。(3) 控制器发出扫描器的听地址，扫描器接收寻址后成为听者。控制器发出扫描器的听地址，扫描器接收寻址后成为听者。(4) 控制器通过控制器通过T功能向扫描器发命令，使扫描器选择一个指定的传感器。功能向扫描器发命令，使扫描器选择一个指定的传感器。(5) 控制器发出通令控制器发出通令UNL，取消扫描器的听受命

22、状态。，取消扫描器的听受命状态。(6) 控制器发出电桥的听地址，电桥接收寻址成为听者后，接收选定传感器控制器发出电桥的听地址，电桥接收寻址成为听者后，接收选定传感器送来的数据。送来的数据。系统运行的大致工作流程如下：系统运行的大致工作流程如下：(7) 控制器发出通令控制器发出通令UNL，取消电桥的听受命状态。，取消电桥的听受命状态。(8) 控制器发出电桥的讲地址，使电桥成为讲者；又发出数字电压表控制器发出电桥的讲地址，使电桥成为讲者；又发出数字电压表的听地址，使数字电压表成为听者。于是数字电压表便测量电桥送来的听地址，使数字电压表成为听者。于是数字电压表便测量电桥送来的测量信号。的测量信号。(

23、9) 控制器又发出通令控制器又发出通令UNL，取消听受命状态。，取消听受命状态。(10) 控制器发出数字电压表的讲地址，电桥讲者资格被自动取消，控制器发出数字电压表的讲地址，电桥讲者资格被自动取消，数字电压表成为讲者。数字电压表成为讲者。 (11) 控制器使自己成为听者，于是数字电压表的测量结果就送至计算控制器使自己成为听者，于是数字电压表的测量结果就送至计算机。机。(12) 计算机处理完测量数据后，作为控者清除接口，发出打印机的听地计算机处理完测量数据后，作为控者清除接口，发出打印机的听地址。址。(13) 打印机打印计算机送来的数据。打印机打印计算机送来的数据。(14) 打印机打印完数据后，

24、控制器选择下一个压力传感器，开始新的循打印机打印完数据后，控制器选择下一个压力传感器，开始新的循环。环。 4.2 GP- IB 接口电路的设计接口电路的设计 4.2.1 GP- IB 接口芯片简介接口芯片简介 接口系统的设计归根到底是接口功能的实现问题。为了简化接接口系统的设计归根到底是接口功能的实现问题。为了简化接口设计，目前已有一些厂家成功地将口设计，目前已有一些厂家成功地将GP-IBGP-IB标准规定的全部接口功标准规定的全部接口功能制作在一块或两块大规模集成电路块上，使用很方便。通常使用能制作在一块或两块大规模集成电路块上，使用很方便。通常使用的接口芯片如表的接口芯片如表4-24-2所

25、示。所示。 （本章重点介绍（本章重点介绍Intel公司的接口芯片）公司的接口芯片）8291A具有用硬件具有用硬件实现除控者之外的其余实现除控者之外的其余全部全部9种标准接口功能；种标准接口功能；具有自动三线挂钩联络、具有自动三线挂钩联络、自动管理接口寻址等能自动管理接口寻址等能力，大大简化了接口管力，大大简化了接口管理软件的设计。理软件的设计。 由8个8位写寄存器和8个8位读寄存器组成，这些寄存器相互之间以及与接口功能和译码部件之间通过内部总线进行联系。对8291A的程控就是通过对这些寄存器组进行读写操作来完成的。例如，当8291被寻址为讲者时，就先将数据送到输出寄存器，然后。再进行挂钩操作，

26、把数据送到接口母线上，以便控者进行读取。 一、一、 8291A接口芯片接口芯片 4.2.1 GP- IB 接口芯片简介接口芯片简介 面向微处理器总线的信号端：面向微处理器总线的信号端：D0D7：双向数据总线，RS0RS2：片内寄存器的选择码输入端，CS：片选输入端，RD，WR ：读、写选通输入端，INT：中断请求输出端，TRIG： 触发输出端，CLOCK： 时钟信号输入端，RESET： 复位信号输入端，DREQ，DACK ：DMA操作请求输出端、响应信号输入端等面向面向GPIB标准接口总线的信号端：标准接口总线的信号端：DIO1 DIO8 ：8位标准接口数据总线输入输出端，DAV ，NRFD

27、，NDAC ：挂钩控制总线信号的输入输出端，ATN，IFC，REN，SRQ，EOI： 为控制管理总线的输入输出端以及双向端口。上述信号端借助于收发器收发器，便能与标准接口系统有效地交换信息。8291A：40脚双列直插封装，引脚安排如图脚双列直插封装，引脚安排如图8292接口芯片仅有控者功能，并且它必须与8291联合使用。当两者一起使用时，可以组合成具有全部十种接口功能的标准接口电路。8292实质上是一片8041单片机，片内ROM固化了一段专门的程序，使内部RAM作为专用寄存器组使用，IO端口用来提供总线的各种控制信号及辅助信号，以便与8291A有机地沟通起来，完成控者的功能。 二、二、 829

28、2控者接口芯片控者接口芯片 8292：40脚双列直插封装，引脚安排如图脚双列直插封装，引脚安排如图与微处理器相接的信号端主要有：与微处理器相接的信号端主要有：D0D7，CS，RD ，WR，RESET， A0等与与GPIB总线相接的信号端有：总线相接的信号端有：DAV（双向握手信号，IFC（接口清除信号输出端），TCI，SPI，OBFI， IBFI， SRQ，SRQ等为保证接入系统中每个仪器的接口对总线所具有的驱动能力都能符合特定的要求，接口芯片必须经总线收发器。8293总线收发器是专门为配合8291A，8292接口芯片而设计的。 三、三、 8293总线收发器总线收发器 8293内部包括9路收发

29、通道和适应不同工作模式的附加电路， 每路的收发方向可由TR来控制。接收时采用施密特电路以增强抗干扰能力，发送时选用OC方式或三态方式。8293可预置成四种模式之一。4.2.2 智能仪器的智能仪器的 GP- IB 接口设计接口设计 单独使用8291就可以为智能仪器组成功能相当齐全的GP-IB接口。 右图示出了某智能LCR测试仪的GP- IB接口原理图。仪器控制采用单片机8301， 接口电路选用8291接口芯片与四片母线收/发器MC3448相连构成。 GP-IB接口部分初始化程序流程图及接口部分初始化程序流程图及部分中断程序流程图部分中断程序流程图4.2.3 控制器的控制器的 GP-IB 接口设计

30、接口设计 当8291与8292联合使用时，则可为一台微处理器系统组成GPIB控制器接口，其原理如图所示。图中，8291负责GPIB的数据总线和握手总线交换信息；8292则控制GPIB管理线中的4条(IEC，ATN，REN，SRQ)，而余下的EOI总线则由双方分管： 一、串行通信基本方式一、串行通信基本方式二、串行通信协议二、串行通信协议三、三、RS-232CRS-232C标准标准 、RS-422ARS-422A总线、总线、RS-485RS-485总线总线四、四、USBUSB介绍介绍 五、串行通信接口电路设计五、串行通信接口电路设计4.3 串行通信总线串行通信总线一、一、串行通信基本方式串行通信

31、基本方式1、数据通信方式、数据通信方式 并行通信并行通信：指利用多条数据传输线将一个数据的各位同：指利用多条数据传输线将一个数据的各位同时传送。通常以时传送。通常以8 8位、位、16 16 位或位或3232位的数据宽度同时进行传输。位的数据宽度同时进行传输。每一位都要有自己的数据传输线和发送接收器件，在时钟脉每一位都要有自己的数据传输线和发送接收器件，在时钟脉冲的作用下数据从一端送往另一端。冲的作用下数据从一端送往另一端。 特点：传输速度特点：传输速度快快，适用于，适用于短距离短距离通信。通信。 串行通信串行通信：指利用一条传输线将二进制数据一位位地顺：指利用一条传输线将二进制数据一位位地顺序

32、传送。在二个站（点对点）之间进行传送序传送。在二个站（点对点）之间进行传送 特点：是通信线路简单，利用电话或电报线路就可实现通信，特点：是通信线路简单，利用电话或电报线路就可实现通信，降低成本，适用于降低成本，适用于远距离远距离通信，但传输速度通信，但传输速度慢慢。2、串行通信的数据通路形式、串行通信的数据通路形式单工通信单工通信：信息只能向一个方向传送，单工通信。：信息只能向一个方向传送，单工通信。一、一、串行通信基本方式串行通信基本方式 半双工通信半双工通信：使用同一根传输线，既可发送数据又可接收使用同一根传输线，既可发送数据又可接收数据，但不能同时发送和接收数据，通信双方可以轮流地数据，

33、但不能同时发送和接收数据，通信双方可以轮流地进行发送和接收。进行发送和接收。 全双工通信全双工通信： 一、一、串行通信基本方式串行通信基本方式1 1同步串行通信同步串行通信 同步通信是一种连续串行传送数据的通信方式，一次通同步通信是一种连续串行传送数据的通信方式，一次通信只传输一帧信息。这里的信息帧和异步通信的字符帧不同，信只传输一帧信息。这里的信息帧和异步通信的字符帧不同，通常有若干个数据字符，数据字符由同步字符、数据字符和通常有若干个数据字符，数据字符由同步字符、数据字符和校验字符校验字符CRCCRC三部分组成。在同步通信中，同步字符可以采三部分组成。在同步通信中，同步字符可以采用统一的标

34、准格式，也可以由用户约定。用统一的标准格式，也可以由用户约定。 同步传送的速度要高于异步传送，但是它要求用同一个同步传送的速度要高于异步传送，但是它要求用同一个时钟实现发送与接收之间的同步，因此硬件要复杂。时钟实现发送与接收之间的同步，因此硬件要复杂。 一、一、串行通信基本方式串行通信基本方式 根据时钟控制数据发送和接收的方式，串行通信分为根据时钟控制数据发送和接收的方式，串行通信分为同步串行通信同步串行通信(SYNC)(SYNC)与与异步串行通信异步串行通信（ASYNCASYNC）两种方式。）两种方式。 一、一、串行通信基本方式串行通信基本方式 通信协议（通信规程）通信协议（通信规程）：是通

35、信双方约定的一些规则。包括对数据格：是通信双方约定的一些规则。包括对数据格式、同步方式，传送速度、传送步骤、检纠错方式等问题作出统一规定。式、同步方式，传送速度、传送步骤、检纠错方式等问题作出统一规定。也称通信控制规程。也称通信控制规程。异步通信协议异步通信协议起止式通信协议起止式通信协议1 1）特点：）特点：字符随机出现在数据流中字符随机出现在数据流中字符之间有不定长的空闲位字符之间有不定长的空闲位靠靠起始位和停止位起始位和停止位定界定界1 1帧数据帧数据2 2）帧格式：）帧格式：起始位起始位:1:1位位, ,低电平低电平数据位数据位:5:58 8位位, ,先低位后高位，高电平或低电平先低位

36、后高位，高电平或低电平校验位校验位:1:1位位/0/0位位, ,奇偶校验，高电平或低电平奇偶校验，高电平或低电平停止位停止位:1:1位、位、1.51.5位或位或2 2位位, ,高电平，高电平，二、二、串行通信协议串行通信协议 传送一个字符的信息格式：规定有传送一个字符的信息格式：规定有起始位、数据位、奇起始位、数据位、奇偶校验位、停止位偶校验位、停止位等，其中各位的意义如下：等，其中各位的意义如下： 起始位起始位：先发出一个逻辑：先发出一个逻辑”0”0”信号，表示传输字符的开始。信号，表示传输字符的开始。 数据位数据位：紧接着起始位之后。数据位的个数可以是：紧接着起始位之后。数据位的个数可以是

37、5 5、6 6、 7 7、8 8等，构成一个字符。通常采用等，构成一个字符。通常采用ASCIIASCII码。从最低位开始传送，码。从最低位开始传送，靠时钟定位。靠时钟定位。 奇偶校验位奇偶校验位：数据位加上这一位后，使得：数据位加上这一位后，使得“1”1”的位数应为偶的位数应为偶数数( (偶校验偶校验) )或奇数或奇数( (奇校验奇校验) )，以此来校验数据传送的正确性。，以此来校验数据传送的正确性。 停止位停止位：它是一个字符数据的结束标志。可以是：它是一个字符数据的结束标志。可以是1 1位、位、1.51.5位、位、2 2位的高电平。位的高电平。 空闲位：处于逻辑空闲位：处于逻辑“1”1”状

38、态，表示当前线路上没有数据传送。状态，表示当前线路上没有数据传送。D0PD1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3起始位起始位空闲位空闲位停止位停止位为了确保传输正确，异步串行通信采用为了确保传输正确，异步串行通信采用相反极性的起始相反极性的起始位和结束位位和结束位来提供时间基准；来提供时间基准；异步通讯，发送和接收双方必须使用相同的字符数据帧异步通讯，发送和接收双方必须使用相同的字符数据帧格式，否则会造成数据错误，进而导致通信失败。格式，否则会造成数据错误，进而导致通信失败。异步通信通常用于信息传送量不太大、传输速度不太高异步通信通常用于信息传送量不太大、传输速度不太高的场合，如每秒的场合

39、，如每秒5050115200115200位。位。波特率用于描述串行通讯数据传送速率，规定为：每秒波特率用于描述串行通讯数据传送速率，规定为：每秒钟传送二进制数码的位数，单位为波特，即：钟传送二进制数码的位数，单位为波特，即：1 1波特波特=1=1位位/ /秒，通常用秒，通常用bpsbps表示表示接收时钟和发送时钟：接收时钟和发送时钟：接收和发送双方通过时钟信号对传送的数据进行接收和发送双方通过时钟信号对传送的数据进行定位及采样。定位及采样。接收和发送时钟能够用来控制通信设备接收和发接收和发送时钟能够用来控制通信设备接收和发送字符数据速度。送字符数据速度。该时钟信号通常由外部时钟电路产生。该时钟

40、信号通常由外部时钟电路产生。收收/发时钟发时钟直接决定了通信线路上数据传输的直接决定了通信线路上数据传输的速率，对于收发双方之间数据传输的同步有速率，对于收发双方之间数据传输的同步有十分重要的意义。十分重要的意义。发送数据发送数据时，在时，在发送时钟的下降沿发送时钟的下降沿，发送设备将，发送设备将移位寄存器中保存的数据串行移位输出；移位寄存器中保存的数据串行移位输出；接收数据接收数据时，在时，在接收时钟的上升沿接收时钟的上升沿，接收器对接，接收器对接收数据采样，即数据位检测。从而，获得了最大的收数据采样，即数据位检测。从而，获得了最大的时钟频率偏差容限。时钟频率偏差容限。 在智能仪器中，数据通

41、信若采用异步串行通在智能仪器中，数据通信若采用异步串行通信。在设计通信接口时，必须根据需要选择标准信。在设计通信接口时，必须根据需要选择标准接口，并考虑传输介质、电平转换等问题。采用接口，并考虑传输介质、电平转换等问题。采用标准接口后，能够方便地把单片机和外设、测量标准接口后，能够方便地把单片机和外设、测量仪器等有机地连接起来，从而构成一个测控系统。仪器等有机地连接起来，从而构成一个测控系统。 异步串行通信接口主要有：异步串行通信接口主要有：RS-232C； RS-449， RS-422A， RS-423A和和RS-485。三、三、 RS-232C RS-232C标准标准 、RS-422ARS

42、-422A总线、总线、RS-485RS-485总线总线 1 1RS-232CRS-232C标准标准 RS-232CRS-232C是使用最早、应用最多的一种异步串行通信总线标是使用最早、应用最多的一种异步串行通信总线标准。它是美国电子工业协会（准。它是美国电子工业协会（EIAEIA）19621962年公布、年公布、19691969年最年最后修定而成的。其中后修定而成的。其中RSRS表示表示Recommended StandardRecommended Standard，232232是是该标准的标识号，该标准的标识号，C C表示修改的次数。表示修改的次数。 RS-232CRS-232C主要用来定义

43、计算机系统的一些数据终端设备主要用来定义计算机系统的一些数据终端设备（DTEDTE：Data Terminal EquipmentData Terminal Equipment ）和数据通信设备）和数据通信设备（DCEDCE：Data Communication EquipmentData Communication Equipment ）之间的电气性）之间的电气性能能。MCS-51MCS-51单片机与单片机与PCPC机的通信也是采用该种类型的接口。机的通信也是采用该种类型的接口。由于由于MCS-51MCS-51系列单片机本身有一个全双工的串行接口，因系列单片机本身有一个全双工的串行接口，因此

44、该系列单片机用此该系列单片机用RS-232CRS-232C串行接口总线非常方便。串行接口总线非常方便。三、三、 RS-232C RS-232C标准标准 、RS-422ARS-422A总线、总线、RS-485RS-485总线总线 （1）主要特点）主要特点数据传输速率不超过数据传输速率不超过20kbit/s;传输距离最好小于传输距离最好小于15m;每个信号只有一根导线，两个传输方向共用一个信每个信号只有一根导线，两个传输方向共用一个信号地线；号地线；只适用于点对点通信；只适用于点对点通信；电气上与电气上与TTL电平不同，与电平不同，与TTL电路接口时必须经过电路接口时必须经过电平转换电路；电平转换

45、电路；（2）RS-232C信息格式标准信息格式标准 RS-232C采用串行格式，该标准规定采用串行格式，该标准规定:信息的开信息的开始为起始位始为起始位,信息的结束为停止位信息的结束为停止位;信息本身可以是信息本身可以是5、6、7、8位再加一位奇偶位。如果两个信息之间位再加一位奇偶位。如果两个信息之间无信息，则写无信息，则写“1”，表示空。，表示空。 RS-232C信息格式信息格式 （3 3）RS-232CRS-232C电气标准和机械连接电气标准和机械连接RS-232C是一种标准接口，是一种标准接口，D型插座，采用型插座，采用25芯引脚或芯引脚或9芯引脚的连接器，如图所示。芯引脚的连接器，如图

46、所示。 RS232 DB25针脚25个功能引脚仅定义了21个，21个信号分成两个信道组主信道组（第一信道）和辅信道组（第二信道）2. RS232 DB9针脚DB-25型：型：数据线数据线4条条（2，3，14，16） 控制线控制线11条条（4，5，6，8，12，13，19，20，21，22，23）定时信号线定时信号线3条条（15，17，24）地线地线2条条（1，7）备用备用5条，未定义条，未定义（9，10，11，18，25）RS-232C标准规定接口有标准规定接口有25根连线。只有以根连线。只有以下下9个信号经常使用。个信号经常使用。 引脚号引脚号信号名称信号名称方方 向向信信 号号 功功 能能

47、1 1DCDPC机机仪器仪器PC机收到远程信号（载波检测）机收到远程信号（载波检测）2 2RXDPC机机仪器仪器PC机接收数据机接收数据3 3TXDPC机机仪器仪器PC机发送数据机发送数据4 4DTR PC机机仪器仪器PC机准备就绪机准备就绪5 5GND- - 信号地信号地6 6DSRPC机机仪器仪器仪器准备就绪仪器准备就绪7 7RTSPC机机仪器仪器PC机请求发送数据机请求发送数据8 8CTSPC机机仪器仪器仪器已切换到接收状态（清除发送）仪器已切换到接收状态（清除发送）9 9RIPC机机仪器仪器通知通知PC机，线路正常（振铃指示）机，线路正常（振铃指示）RS-232C另一种常用的插头是另一

48、种常用的插头是9芯，它的引脚信号功能为芯，它的引脚信号功能为:（4）RS-232C电气特性及电平转换器电气特性及电平转换器RS-232C规定了自己的电气标准，由于它是在规定了自己的电气标准，由于它是在TTL电路之前研制的，所以电路之前研制的，所以它的电平不是它的电平不是+5V和地，而和地，而是采用负逻辑，即：是采用负逻辑，即： 逻辑逻辑“0”：+3V+15V 逻辑逻辑“1”：-3V-15V因此，因此，RS-232C不能和不能和TTL电平直接相连电平直接相连，使用时，使用时必须进行电平转换必须进行电平转换，否则将使，否则将使TTL电路烧坏，实际电路烧坏，实际应用时必须注意！实现电平转换的方法可用

49、分立元应用时必须注意！实现电平转换的方法可用分立元件，也可用集成电路芯片。件，也可用集成电路芯片。 目前较广泛地使用集成电路转换器件：目前较广泛地使用集成电路转换器件：MC1488、SN75150芯片可完成芯片可完成TTL电平到电平到 232C电平的转换，被称为总线发送器。电平的转换，被称为总线发送器。MC1489、SN75154芯片可实现芯片可实现RS-232C电平到电平到TTL电平的转换，称为总线接收器。电平的转换，称为总线接收器。MAX232芯片可完成芯片可完成TTL- RS-232C双向电双向电平转换平转换 。（5）RS-232C接口标准最大传输距离的说明接口标准最大传输距离的说明 R

50、S-232CRS-232C标准规定，若不使用标准规定，若不使用MODEMMODEM，则在码元畸变小于则在码元畸变小于4 4的的情况下，情况下，DTEDTE和和DCE DCE 之间最大传输距离为之间最大传输距离为15m15m（5050英尺）英尺）。可见这。可见这个最大的距离是在个最大的距离是在码元畸变小于码元畸变小于4 4的前提下给出的。为了保证的前提下给出的。为了保证码元畸变小于码元畸变小于4 4的要求，接口标准在电气特性中规定，驱动器的要求，接口标准在电气特性中规定，驱动器的负载电容应小于的负载电容应小于2500pF2500pF。例如，采用每。例如，采用每0.3m0.3m（约（约1 1英尺）

51、的电英尺）的电容值为容值为404050 pF50 pF的普通非屏蔽多芯电缆作传输线，则传输线的的普通非屏蔽多芯电缆作传输线，则传输线的长度，即传输距离为：长度，即传输距离为： L = 2500 pF/170 pF/m 15m L = 2500 pF/170 pF/m 15m 然而，在实际应用中，码元畸变超过然而，在实际应用中，码元畸变超过4 4，而为，而为10102020时，时，也能正常传输信息，这意味着驱动器的负载电容可以超过也能正常传输信息，这意味着驱动器的负载电容可以超过2500pF2500pF，因而传输距离可大大超过，因而传输距离可大大超过15m15m，这说明了，这说明了RS232CR

52、S232C标准所标准所规定的直接传送最大距离为规定的直接传送最大距离为15m15m是偏于保守的。是偏于保守的。 u近距离（近距离（15m以内）通信：以内）通信： 不采用调制解调器，通信双方可以直接连接，这种情不采用调制解调器，通信双方可以直接连接，这种情况下，只需使用少数几根信号线。况下，只需使用少数几根信号线。在最简单的全双工系统在最简单的全双工系统中，仅用发送数据、接收数据和信号地三根线即可中，仅用发送数据、接收数据和信号地三根线即可 。单片机之间很近距离通信接线图（单片机之间很近距离通信接线图（0modem）计算机之间近距离通信接线图（计算机之间近距离通信接线图（0modem）计算机与单

53、片机之间近距离通信接线图计算机与单片机之间近距离通信接线图计算机串口设置计算机串口设置引脚引脚号号符号符号方方向向功功 能能2TXDO发送数据发送数据3RXDI接收数据接收数据4RTSO请求发送请求发送5CTSI为发送清零为发送清零6DSRIDCE就绪就绪7GND信号地信号地8DCDI载波检测载波检测20DTRODTE就绪就绪全双工标准连接图（双交叉环回接口）全双工标准连接图（双交叉环回接口）u远距离（ ）通信：一般要加调制解调器一般要加调制解调器MODEMMODEM，通过专用电话线进行，通过专用电话线进行通信通信。如图。如图4-27所示。所示。信号的调制和解调信号的调制和解调 计算机的通信是

54、要求传送数字信号，而在进行远程数据通计算机的通信是要求传送数字信号，而在进行远程数据通信时，线路往往是借用现有的公用电话网，但是，电话网是为信时，线路往往是借用现有的公用电话网，但是，电话网是为音频模拟信号的设计的。一般为音频模拟信号的设计的。一般为3003003400Hz3400Hz，不适合于数据，不适合于数据信号。信号。 因此需要对二进制信号进行调制，以适合在电话网上传输因此需要对二进制信号进行调制，以适合在电话网上传输相应的音频信号，在接收时，需要进行解调，还原成数字信号。相应的音频信号，在接收时，需要进行解调，还原成数字信号。计算机计算机MODEMMODEMMODEMMODEM模拟信号

55、模拟信号数字信号数字信号数字信号数字信号CRTCRT1 0 1 01 0 1 010 10 10 1010 10 10 10调制电话线调制电话线）. . 什么叫调制什么叫调制? ? 所谓调制就是进行波形变换。或者说进行频谱变换，就所谓调制就是进行波形变换。或者说进行频谱变换，就是将基带数字信号的频谱变换成适合于在模拟信道中传输的是将基带数字信号的频谱变换成适合于在模拟信道中传输的频谱。频谱。）. . 作用作用: : 调制器调制器(Modulator)(Modulator)是一个波形变换器是一个波形变换器, ,它将基带数字的它将基带数字的波形变换成适合于模拟信道传输的波形。波形变换成适合于模拟信

56、道传输的波形。 解调器解调器是一个波形识别器是一个波形识别器, ,将模拟信号恢复成原来的数将模拟信号恢复成原来的数字信号。字信号。 调制器调制器解调器解调器010010010010010010010010最基本的调制方法有以下几种：最基本的调制方法有以下几种：（1 1）调幅（）调幅（AMAM）即载波的即载波的振幅振幅随基带数字信号而变化随基带数字信号而变化. . “1 1”对应有载波对应有载波 “0 0” 对应无载波对应无载波）. . 调制方法调制方法: :（2 2）调频（）调频（FMFM） 即载波即载波频率频率随数字信号而变化随数字信号而变化 “0 0”对应对应”f1f1” “1 1”对应对

57、应“f2f2”(3)(3)调相（调相（PMPM） 即载波初始相位随基带数字信号即载波初始相位随基带数字信号而变化而变化. . “ 0 0”对应相位对应相位0 0度度 “1 1”对应相位对应相位180180度度f1f2FMAM0 1 0 0 1 10度180度PMRS-232CRS-232C标准的不足：标准的不足：1 1、数据传输速率慢；、数据传输速率慢；2 2、传送距离短，一般局限于、传送距离短，一般局限于15m15m，即使使用较，即使使用较好的同轴电缆，最大距离也不应超过好的同轴电缆，最大距离也不应超过60m60m；3 3、没有规定标准的连接器，因而产生了、没有规定标准的连接器，因而产生了2

58、525 插针和插针和9 9插针等多种设计方案；插针等多种设计方案；4 4、信号传输电路为单端电路，共模抑制比小，抗、信号传输电路为单端电路，共模抑制比小，抗 干扰能力较差。干扰能力较差。2RS-422 接口标准接口标准 全称是全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性平衡电压数字接口电路的电气特性”； 接收器采用高输入阻抗和发送驱动器具有比接收器采用高输入阻抗和发送驱动器具有比RS232RS232更更强的驱动能力，故允许在相同传输线上连接多个接收强的驱动能力，故允许在相同传输线上连接多个接收节点，最多可接节点，最多可接 1010个节点个节点。 RS-422RS-422四线接口四线接口由于由于采用单

59、独的发送和接收通道采用单独的发送和接收通道, ,因因此不必控制数据方向此不必控制数据方向, ,各装置之间任各装置之间任 何必须的信号交何必须的信号交换均可以按软件方式（换均可以按软件方式（XON/XOFFXON/XOFF握手）或硬件方式握手）或硬件方式（一对单独的双绞线）实现。（一对单独的双绞线）实现。RS-422A A接口标准接口标准1.1.特点特点： （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。提高了抗共模干扰的能力。 因为是两条传输线的电位差决定逻辑电平因为是两条传输线的电位差决定逻辑电平AAAA -BB-

60、BB -2V +2V +2V，表示，表示“0 0”（2 2）传输速率）传输速率 10Mbps10Mbps（15m15m时），时）， 90Kbps90Kbps（1200m1200m时）时）2.2.连接：连接：3 3、RS-423ARS-423A接口标准接口标准uRS-423ARS-423A标准是非平衡方式传输的，即单端线传送线信标准是非平衡方式传输的，即单端线传送线信 号，规定信号参考电平为地。号，规定信号参考电平为地。u该标准规定电路中只许有该标准规定电路中只许有1 1个单端发送器，但可有多个接个单端发送器，但可有多个接收器。收器。u对共模干扰信号有较高的抑制作用，提高了通信的可靠性。对共模干