第3章 总线接口技术介绍

工业通信网络技术和应用

（工业现场总线）主讲：莫太平mtp@前置课程：数据通信基础、计算机网络等

教材:许勇-工业通信技术-原理与应用，西安电子科技大学出版社，2012参考教材:许勇-工业通信技术-原理与应用，中国电力出版社，2008.9参考教材：阳宪惠-网络化控制系统-现场总线技术，清华大学出版社，2009.5教师:

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229-1208

教材及参考资料主要教学内容和学时分配第1章工业通信概论第2章数据通信原理及基础第3章总线接口技术介绍第4章工控机与测控仪器接口总线第5章工业通信常用技术第6章常用的工业现场总线第7章CANBus和汽车网络第8章工业以太网技术及应用3.1总线概述总线是将计算机系统中各部件连接起来的信息传输通道，通过总线可以传输数据信息、地址信息、各种控制命令和状态信息。（计算机系统角度）从通信系统来说，总线是各个应用系统之间进行信息传输的通道。优点：简化通信电路；减少各部件之间的连接线；可以统一标准，实现不同设备或部件之间的互连；简化系统设计3.1总线概述3.1总线概述总线的作用1、各部件之间关系转化为面向总线的单一关系。2、标准总线可以得到多个厂商的支持，便于生产与之兼容的软硬件。3、便于系统扩充和升级。4、便于故障诊断和维护。总线标准规范

信息传送方向：单向总线和双向总线。传送信息类型：数据总线、地址总线和控制总线。所处位置：内部总线、系统总线、外部总线。

总线分类内部总线：处理器总线和存储器总线。内部总线系统总线：各模板和系统板之间的总线，也称内部总线。Multibus总线、STD总线、VME总线、PC总线板卡与主板之间连接ISA、EISA、VESA、PCI、AGP外部总线：计算机与计算机之间、计算机与外部仪器或设备之间连接通信的总线。传输信息：串行传送、并行传送、分时传送。

总线分类总线组成及性能指标数据传输总线：地址总线、数据总线、控制总线。仲裁总线：传送控制信号和状态信号的总线，总线请求线和总线授权线；中断和同步总线：中断请求线和中断认可线。共用线：时钟信号、电源和地线等。总线性能：1、带宽MB/s2、时钟3、宽度4、信号线数5、负载能力总线连接：1、单总线，一条总线连接CPU、内存和I/O。2、双总线，增加一条连接CPU和内存。3、三总线，多条总线连接。总线组成及性能指标总线工作过程

总线请求→总线仲裁→寻址→传送数据→检错和出错处理→结束阶段

总线时序1、指令周期：读取指令、译码及执行等所需时间2、总线周期：CPU与存储器或IO口交换信息，CPU完成一次访问存储器或I/O口所需时间，一个指令周期由几个总线周期组成。3、时钟周期：CPU执行指令的基本时间计量单位。

总线工作过程

常用总线介绍PCI总线系统常用总线介绍USB总线系统通用串行总线USBUSB是一种新型的外设接口标准。USB用一个4针的插头作为标准插头，把不同的接口统一起来。USB接口允许两种传送速度，1.5MB/s为低速，12MB/s为高速。USB支持热插拔和即插即用。越来越多的外设都支持USB接口。USB可连接的外设数目多达127个。USB接口有同步、中断、批量三种数据传送模式。I2C串行总线概述I2C总线，是INTER-IC串行总线的缩写。INTER-IC意思是用于相互作用的集成电路，这种集成电路主要由双向串行时钟线SCL和双向串行数据线SDA两条线路组成。

I2C总线是PHLIPS公司推出的一种串行总线，是具备多主机系统所需的包括总线裁决和高低速器件同步功能的高性能串行总线。

I2C总线只有两根双向信号线。一根是数据线SDA，另一根是时钟线SCL。I2C总线通过上拉电阻接正电源。当总线空闲时，两根线均为高电平。连到总线上的任一器件输出的低电平，都将使总线的信号变低，即各器件的SDA及SCL都是线“与”关系。I2C串行总线概述

每个接到I2C总线上的器件都有唯一的地址。主机与其它器件间的数据传送可以是由主机发送数据到其它器件，这时主机即为发送器。由总线上接收数据的器件则为接收器。

在多主机系统中，可能同时有几个主机企图启动总线传送数据。为了避免混乱，I2C总线要通过总线仲裁，以决定由哪一台主机控制总线。在80C51单片机应用系统的串行总线扩展中，我们经常遇到的是以80C51单片机为主机，其它接口器件为从机的单主机情况。主机：初始化发送、产生时钟信号和终止发送的器件，它可以是发送器或接收器。主机通常是微处理器。从机：被主机寻址的器件，它可以是发送器或接收器，I2C串行总线概述一、数据位的有效性规定

I2C总线进行数据传送时，时钟信号为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，只有在时钟线上的信号为低电平期间，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。I2C总线的数据传送二、起始和终止信号

SCL线为高电平期间，SDA线由高电平向低电平的变化表示起始信号；SCL线为高电平期间，SDA线由低电平向高电平的变化表示终止信号。I2C总线的数据传送I2C总线中唯一违反上述数据有效性的是被定义为起始（S）和停止（P）条件。起始和终止信号都是由主机发出的。在起始信号产生后，总线就处于被占用的状态；在终止信号产生后，总线就处于空闲状态。连接到I2C总线上的器件若具有I2C总线的硬件接口，则很容易检测到起始和终止信号。对于不具备I2C总线硬件接口的有些单片机来说，为了检测起始和终止信号，必须保证在每个时钟周期内对数据线SDA采样两次。I2C总线的数据传送

接收器件收到一个完整的数据字节后，有可能需要完成一些其它工作，如处理内部中断服务等，可能无法立刻接收下一个字节，这时接收器件可以将SCL线拉成低电平，从而使主机处于等待状态。直到接收器件准备好接收下一个字节时，再释放SCL线使之为高电平，从而使数据传送可以继续进行。I2C总线的数据传送三、数据传送格式（1）字节传送与应答每一个字节必须保证是8位长度。数据传送时，先传送最高位（MSB），每一个被传送的字节后面都必须跟随一位应答位（即一帧共有9位）。I2C总线的数据传送由于某种原因从机不对主机寻址信号应答时（如从机正在进行实时性的处理工作而无法接收总线上的数据），它必须将数据线置于高电平，而由主机产生一个终止信号以结束总线的数据传送。如果从机对主机进行了应答，但在数据传送一段时间后无法继续接收更多的数据时，从机可以通过对无法接收的第一个数据字节的“非应答”通知主机，主机则应发出终止信号以结束数据的继续传送。当主机接收数据时，它收到最后一个数据字节后，必须向从机发出一个结束传送的信号。这个信号是由对从机的“非应答”来实现的。然后，从机释放SDA线，以允许主机产生终止信号。I2C总线的数据传送（2）数据帧格式

I2C总线上传送的数据信号是广义的，既包括地址信号，又包括真正的数据信号。每次数据传送总是由主机产生的终止信号结束。但是，若主机希望继续占用总线进行新的数据传送，则可以不产生终止信号，马上再次发出起始信号对另一从机进行寻址。在起始信号后必须传送一个从机的地址（7位）;第8位是数据的传送方向位（R/W）:用“0”表示主机发送数据（T），用“1”表示主机接收数据（R）。I2C总线的数据传送A、主机向从机发送数据，数据传送方向在整个传送过程中不变。有阴影部分表示数据由主机向从机传送，无阴影部分则表示数据由从机向主机传送。A表示应答，/A表示非应答（高电平）。S表示起始信号，P表示终止信号。

在总线的一次数据传送过程中，可以有以下几种组合方式：I2C总线的数据传送B、主机在第一个字节(寻址字节)后，立即由从机读数据。

在从机产生响应时，主机从发送变成接收，从机从接收变成发送。之后，数据由从机发送，主机接收，每个应答由主机产生，时钟信号仍由主机产生。若主机要终止本次传输，则发送一个非应答信号(A)，接着主机产生停止条件。C、在传送过程中，当需要改变传送方向时，起始信号和从机地址都被重复产生一次，但两次读/写方向位正好反相。I2C总线的数据传送四、总线的寻址I2C总线协议有明确的规定：采用7位的寻址字节（寻址字节是起始信号后的第一个字节）。（1）寻址字节的位定义D7～D1位组成从机的地址。D0位是数据传送方向位，为“0”时表示主机向从机写数据，为“1”时表示主机由从机读数据。I2C总线的数据传送

如一个从机的7位寻址位有4位是固定位，3位是可编程位，这时仅能寻址8个同样的器件，即可以有8个同样的器件接入到该I2C总线系统中。

从机的地址由固定部分和可编程部分组成。在一个系统中可能希望接入多个相同的从机，从机地址中可编程部分决定了可接入总线该类器件的最大数目。I2C总线的数据传送（2）寻址字节中的特殊地址

固定地址编号0000和1111已被保留作为特殊用途。

I2C总线的数据传送

起始信号后的第一字节的8位为“00000000”时，称为通用呼叫地址。通用呼叫地址的用意在第二字节中加以说明。格式为：第二字节为

06H时，所有能响应通用呼叫地址的从机器件复位，并由硬件装入从机地址的可编程部分。能响应命令的从机器件复位时不拉低SDA和SCL线，以免堵塞总线。第二字节为04H时，所有能响应通用呼叫地址并通过硬件来定义其可编程地址的从机器件将锁定地址中的可编程位，但不进行复位。I2C总线的数据传送如果第二字节的方向位为“1”，则这两个字节命令称为硬件通用呼叫命令。在这第二字节的高7位说明自己的地址。接在总线上的智能器件，如单片机或其他微处理器能识别这个地址，并与之传送数据。硬件主器件作为从机使用时，也用这个地址作为从机地址。格式为：在系统中另一种选择可能是系统复位时硬件主机器件工作在从机接收器方式，这时由系统中的主机先告诉硬件主机器件数据应送往的从机器件地址，当硬件主机器件要发送数据时就可以直接向指定从机器件发送数据了。I2C总线的数据传送（3）起始字节

不具备I2C总线接口的单片机，则必须通过软件不断地检测总线，以便及时地响应总线的请求。单片机的速度与硬件接口器件的速度就出现了较大的差别，为此，I2C总线上的数据传送要由一个较长的起始过程加以引导。起始字节是提供给没有I2C总线接口的单片机查询I2C总线时使用的特殊字节。I2C总线的数据传送

引导过程由起始信号、起始字节、应答位、重复起始信号（Sr）组成。请求访问总线的主机发出起始信号后，发送起始字节（00000001），另一个单片机可以用一个比较低的速率采样SDA线，直到检测到起始字节中的7个“0”中的一个为止。在检测到SDA线上的高电平后，单片机就可以用较高的采样速率，以便寻找作为同步信号使用的第二个起始信号Sr。在起始信号后的应答时钟脉冲仅仅是为了和总线所使用的格式一致，并不要求器件在这个脉冲期间作应答。I2C总线的数据传送

在多主的通信系统中。总线上有多个节点，它们都有自己的寻址地址，可以作为从节点被别的节点访问，同时它们都可以作为主节点向其它的节点发送控制字节和传送数据。但是如果有两个或两个以上的节点都向总线上发送启动信号并开始传送数据，这样就形成了冲突。要解决这种冲突，就要进行仲裁的判决，这就是I2C总线上的仲裁。I2C总线上的仲裁分两部分：SCL线的同步和SDA线的仲裁。I2C总线的数据传送I2C总线仲裁与时钟发生

SCL线的同步（时钟同步）

SCL同步是由于总线具有线“与”的逻辑功能，即只要有一个节点发送低电平时，总线上就表现为低电平。由于线“与”逻辑功能的原理，当多个节点同时发送时钟信号时，在总线上表现的是统一的时钟信号。这就是SCL的同步原理。

当所有的节点都发送高电平时，总线才能表现为高电平。SDA仲裁SDA线的仲裁也是建立在总线具有线“与”逻辑功能的原理上的。节点在发送1位数据后，比较总线上所呈现的数据与自己发送的是否一致。是，继续发送；否则，退出竞争。SDA线的仲裁可以保证I2C总线系统在多个主节点同时企图控制总线时通信正常进行并且数据不丢失。总线系统通过仲裁只允许一个主节点可以继续占据总线。I2C总线仲裁与时钟发生仲裁过程DATA1和DATA2分别是主节点向总线所发送的数据信号；SDA为总线上所呈现的数据信号，SCL是总线上所呈现的时钟信号。I2C总线仲裁与时钟发生仲裁过程当主节点1、2同时发送起始信号时，两个主节点都发送了高电平信号。这时总线上呈现的信号为高电平，两个主节点都检测到总线上的信号与自己发送的信号相同，继续发送数据。I2C总线仲裁与时钟发生仲裁过程第2个时钟周期，2个主节点都发送低电平信号，在总线上呈现的信号为低电平，仍继续发送数据。I2C总线仲裁与时钟发生仲裁过程在第3个时钟周期，主节点1发送高电平信号，而主节点2发送低电平信号。根据总线的线“与”的逻辑功能，总线上的信号为低电平，这时主节点1检测到总线上的数据和自己所发送的数据不一样，就断开数据的输出级，转为从机接收状态。I2C总线仲裁与时钟发生仲裁过程这样主节点2就赢得了总线，而且数据没有丢失，即总线的数据与主节点2所发送的数据一样，而主节点1在转为从节点后继续接收数据，同样也没有丢掉SDA线上的数据。因此在仲裁过程中数据没有丢失。I2C总线仲裁与时钟发生总结：SDA仲裁和SCL时钟同步处理过程没有先后关系，而是同时进行的。仲裁过程I2C总线仲裁与时钟发生SPI总线SPI总线是串行外围设备接口,是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线.SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线。SDO–主设备数据输出，从设备数据输入SDI–主设备数据输入，从设备数据输出SCLK–用来为数据通信提供同步时钟信号，由主设备产生CS–从设备使能信号，由主设备控制SPI接口是全双工、同步、串口、单主机。45SPI从机从主机获得时钟和片选信号，因此cs和sclk都是输入信号。SPI接口在内部硬件实际上是个简单的移位寄存器,传输的数据为8位,在主器件产生的从器件使能信号和移位脉冲下,按位传输,高位在前,低位在后。SPI从机的内部结构时钟发生器

主器件MOSI

从器件MISONSSSCK

SPI总线采用3线制全双工串行通信。7654321076543210MSBbit6bit5bit4bit3bit2bit1LSBSCKMISO/MOSINSSSPI总线SPI总线如果一个SPI从机没有被选中，他的数据输出端SDO将处于高阻状态，从而与当前处于激活状态的隔离开。寻址：MOSI：Whenmaster,outline;whenslave,inlineMISO：Whenmaster,inline;whenslave,outlineSPI从机的内部结构SPI接口实际上是两个简单的移位寄存器,传输的数据为8位,在主器件产生的从器件使能信号和移位脉冲下,按位传输,高位在前,低位在后。

上升沿发送，下降沿接收。（有的器件是上升沿接收，下降沿发送）D7....D0D0....D7SPI总线在一次数据传输过程中，接口上只能有一个主机和一个从机能够通信。并且，主机总是向从机发送一个字节数据，而从机也总是向主机发送一个字节数据。

在SPI传输中，数据是同步进行发送和接收的。数据传输的时钟基于来自主处理器的时钟脉冲，当SPI接口上有多个SPI接口的单片机时，应区别其主从地位，在某一时刻只能由一个单片机为主器件。从器件只能在主机发命令时,才能接收或向主机传送数据。其数据的传输格式是高位（MSB）在前，低位(LSB）在SPI接口的一个缺点：没有应答机制确认是否接收到数据。如果只是进行写操作，主机只需忽略收到的字节；反过来，如果主机要读取外设的一个字节，就必须发送一个空字节来引发从机的传输。SPI总线50SPI总线添加从器件：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总线上添加新的从器件也不方便。对于额外添加的每个从器件，都需要一条新的从器件选择线SPI总线51上面的上表示上升沿、下表示下降沿，sdi、sdo相对于主机而言的。

一个完整的传送周期是16位，即两个字节，因为，首先主机要发送命令过去，然后从机根据主机的命令准备数据，主机在下一个8位时钟周期才把数据读回来。SPI总线SPI总线的硬件接口电路

SPI接口的串行时钟芯片DS1302实时时钟，可对秒、分、时、日、周、月以及带闰年补偿的年进行计数；用于高速数据暂存的31×8RAM；简单的SPI三线串口；/RST引脚：复位兼片选，读/写操作时必须为高电平。单片机与DS1302的接口DS1302的内部结构DS1302的工作原理单片机开始数据传送时，必须将DS1302的/RST置高，且把包含有地址和命令信息的8位数据发送给DS1302.数据在SCLK的上升沿入，下降沿串行出；单片机对DS1302的读/写是命令字来初始化的。命令字格式：命令字节的D7必须为1，若D7=0,写保护；D6=0,表示存取日历时钟数据；D6=1,表示存取RAM数据.D5~D1指示操作单元的地址；D0=0,表示写；D0=1,表示读；DS1302的寄存器数据在SCLK的上升沿入，下降沿串行出；单字节操作：每次对DS1302的写入或读出都由命令字节引导，每次只传送1字节数据。单字节写操作：单片机通过8个sclk下降沿传送写命令字节后，在接下来的8个sclk时钟的下降沿传送一字节数据。如果有更多的sclk周期，DS1302将会忽略。单字节读操作：单字节读操作每次需16个时钟，地址字节在前8个时钟周期的上升沿输入，而数据字节在后8个时钟周期的下降沿输出。.DS1302输出的第一位数据是在命令字节最后一位的第一个下降沿处，如果有更多的sclk周期，DS1302将重新发送数据字节。多字节操作多字节操作：每次对DS1302的写入或读出都由命令字节引导，然后对时钟寄存器的7个寄存器或31个RAM依次按顺序写入/读出。多字节写操作：单片机通过8个sclk下降沿传送命令字节后，在接下来的8个sclk时钟的下降沿传送一字节数据,以次类推。多字节读操作：：单片机通过8个sclk下降沿传送命令字节后，在紧接着的的8个sclk时钟的下降沿DS1302传送一字节数据,以次类推。特殊寄存器在DS1302的时钟日历或RAM进行数据传送时，DS1302必须首先发送命令字节。若进行单字节传送，8位命令字节传送结束之后，在下8个SCLK周期的下降沿输出数据字节。DS1302与RAM相关的寄存器分为两类:一类是单个RAM单元，共31个，每个单元组态为一个8位的字节，其命令控制字为C0H～FDH，其中奇数为读操作，偶数为写操作；再一类为突发方式下的RAM寄存器，在此方式下可一次性读、写所有的RAM的31个字节。命令字为BEH和BFH写保护寄存器：写保护寄存器命令字D7D6D5D4D3D2D1D08EH或8FHWP000,0000RAM单元命令字D7RAM/CKD5D4D3D2D1R/W0单元C0H或C1H1100,000R/W1单元C2H或C3H1100,001R/W2单元C4H或C5H1100,010R/W34........31单元C6H或C7H.C8H或C9H...............FCH或FDH.1100,011R/W1100,100R/W........1111,110R/W程序举例：初始化日历寄存器片内RAM说明68H(秒)0101，00105267H(分)0011，01003466H（时）1965H（日）0164H（星期）周三63H（月）1062H（年）1161H（写保护寄存器）00h64单片机写一字节到DS1302：上升沿入，下降沿出WBYTE:(单片机将A中数据发送给DS1302)MOVR1,#08HSETBSCLKNOPLOOP1:CLRSCLKRRCA;低位在前MOVI/O,C；先把数据准备好，再上升沿SETBSCLK；上升沿入到DS1302DJNER1,LOOP1RETDS1302的寄存器多字节写模式MOV68H,#52H;把数据事先存到68H~61HMOV67H,#34HMOV66H,#19HMOV65H,#01HMOV64H,#03HMOV63H,#10HMOV62H,#11HMOV61H,#00HWRCR:CLRSCLKSETB/RSTMOVA,#8EH;写保护寄存器的命令字LCALLWBYTEMOVA,#00H;写保护寄存器的内容LCALLWBYTE

CLR/RST；中止传送

多字节写模式

CLRSCLK

SETB/RST

MOVA,#BEH;多字节写命令

LCALLWBYTE

MOVR0,#68H

MOVR2,#08HLOOP:MOVA,@R0LCALLWBYTE

DECR0

DJNER2,LOOP

CLRSCLK

CLR/RST;停止传送

RET单片机单字节读:上升沿入，下降沿出RBYTE:MOVR1,#08HMOVA,#00H

MOV@R0,A

SETBSCLK

NOPLOOP2:CLRSCLK;下降沿输出

MOVA,@R0

MOVC,I/ORRCA

MOV@R0,A

SETBSCLK

DJNER1,LOOP2

RET多字节读模式

将时钟日历寄存器的秒、分、时、日、星期、月、年以及写保护寄存器的内容分别存入单片机的6FH～68H单元RDCR：CLRSCLKSETB/RSTMOVA,#0BFH;多字节读命令LCALLWBYTEMOVR0,#6FHMOVR2,#08HLOOPR:LCALLRBYTEMOV@R0,ADECR0DJNER2,LOOPRCLRSCLKCLR/RST;停止传送RETUART是一种通用串行数据总线。UART/SCI总线串行、并行（Serial/parallel）同步、异步（Synchronous/asynchronous）点对点、总线（Point-to-point/bus）半双工、全双工（Half-duplex/full-duplex）主从式、对等式（Master-slave/equalpartners）单端信号、差分信号（Single-ended/differential）SCIEIARS-232-C美国电子工业协会正式公布的异步串行通信标准，也是目前最常用的异步串行通信标准，用来实现计算机与计算机之间、计算机与外设之间的数据通信RS-232-C电平采用负逻辑，即，逻辑1：-3～-25V,逻辑0：+3～+25V（需要电平转换）RS-232-C接口标准有22根线，采用标准25芯D型插头座；PC上使用简化的9芯D型插座多种通信应答（握手）方式：硬件握手，自应答，XON/XOFF模式波特率：300bps～4Mbps，物理层有多种实现方式（铜缆，光缆，红外，无线，微波）起始位/停止位/数据位/奇偶校验/全双工半双工模式广泛应用：Modem，20mA电流环，RS485个人计算机都有标准的RS232接口，驱动程序，超级终端SCIRS232standard

简化的9芯D型接头信号定义（硬件流量控制）

DTEDCE3TxDoutTxDTransmitData2RxDinRxDReceiveData5GNDGND7RTSoutRTSRequireToSend8CTSinCTSClearToSend6DSRinDSRDataSetReady9DCDinDCDDataCareDetected4DTRoutDTRDataTerminalReadyRS232standard

简化的9芯D型接头信号定义（自应答方式）

DTE/DCE2TxDoutTxD(TransmitData)3RxDinRxD(ReceiveData)7GNDGND(Ground)4RTSoutRTS(RequiretoSend)5CTSinCTS(CleartoSend)6DSRinDSR(DataTerminalReady)8DCDinDCD(DataCarryDetected)20DTRoutDTR(DataSetReady)RS232standard简化的9芯D型接头信号定义（无应答方式）

1protectionground2RxDinRxD(ReceiveData)3TxDoutTxD(TransmitData)5GNDGND(Ground)6DSRin