第2章 智能仪器的标准数据通信接口

第2章智能仪器的标准数据通信接口引言2.1RS-232标准串行接口总线2.2SPI总线标准2.3I2C标准总线2.4USB总线标准2.5CAN总线2.6GP-IB接口总线2.7PTR2000无线数据传输凡是配有标准通信接口的仪器和计算机，不分国家、厂家，都可以借助于一条无源电缆总线按积木式互连，灵活地组成各种不同用途的自动测试系统，以完成复杂的测试任务自动测试系统引言规范包括

机械结构：尺寸、规格等。

电气：逻辑电平、负载能力、信息编码格式等。

功能结构：引脚定义及功能、中断机制、总线主控仲裁、应用逻辑等。总线为方便计算机内外各部件的兼容，联接通道采用统一的标准化结构。它是不同模块组成系统时必须遵守的规范。典型外总线（通信总线）：RS-232、RS423、RS422、RS485I2C、SPI、USB、CAN、GPIBVXI、Centronics分类：按位置：片内总线、片外总线、内总线、外总线按功能：地址总线、数据总线、控制总线、电源和地线按传输方式：串行、并行按范围：全局总线、局部总线典型内总线（系统总线）：ISA、EISA、PCI、STD引言1.数据率——波特率（BaudRate）2.单工、半双工与全双工回顾51单片机的串行接口知识一、串行通信技术的基础知识比特率为单位时间内传输二进制代码的位数，单位为b/s。波特率即调制速率，可以理解为单位时间内传输码元符号的个数，其单位为波特（Baud）。比特率=波特率×单个调制状态对应的二进制位数3.串行传送（通信）方式及规程1）异步传送规程在异步通信中，CPU与外设之间在传送数据前必须有两项约定，即字符帧格式和波特率。注意：异步通信中，接收设备和发送设备保持相同的传送波特率，并以字符数据的起始位与发送设备保持同步。2）同步传送规程(a)单同步字符帧格式(b)双同步字符帧格式

对数字信号不加调制，以其基本形式进行的传输称之为“基带传输”。基带传输中数字信息的形式是与其通信速率有关的开关信号，覆盖相当宽广的频谱。4.基带传输5.调制/解调与调制解调器调制的本质是将频带宽度无限的数字信号转换为频带宽度有限的调制信号（模拟信号或射频信号），从而增加其可靠传输的距离。在接收端通过解调再将调制信号恢复为原来的数字信号，这一过程被称为调制解调。承担调制/解调任务的设备称之为调制解调器（Modem）。通过Modem的串行通信示意图

功能：全双工串行口、字符帧格式、软件编程二、51系列单片机串行口的功能和工作方式串行接收指令：MOVA，SBUF串行发送指令：MOVSBUF，A方式0在方式0下，串行口作同步移位寄存器用，其波特率固定为fosc/12。串行数据从RXD(P3.0)端输入或输出--低位在前高位在后，同步移位脉冲由TXD(P3.1)送出。这种方式常用于扩展I/O口。方式1是波特率可变10位异步串行通信方式，以TXD为串行数据的发送端，RXD为数据的接收端。每帧数据包括1个起始位，8个数据位和一个停止位。方式1波特率方式1波特率由定时/计数器T1的计数溢出率来决定。波特率=2SMOD×（T1溢出率）/32

方式2下，串行口为11位UART，传送波特率与SMOD有关。发送或接收一帧数据包括1位起始位0，8位数据位，1位可编程位(用于奇偶校验或多机通信中的控制位)和1位停止位1。当SMOD=0时，波特率=20

╳fosc/64=

fosc/64当SMOD=1时，波特率=21

╳fosc/64=

fosc/32方式2

方式3同样是一帧11位的串行通信方式，其通信过程与方式2完全相同，所不同的仅在于波特率。方式2的波特率只有固定的两种，而方式3的波特率则与方式1相同，即通过设置T1的初值来设定波特率。方式3华中科技大学文华学院三、串行口的编程串行口需初始化后,才能完成数据的输入、输出。其初始化过程如下:(1)按选定串行口的操作模式设定SCON的SM0、SM1两位二进制编码。(2)对于操作模式2或3,应根据需要在TB8中写入待发送的第9位数据。(3)若选定的操作模式不是模式0,还需设定接收/发送的波特率。设定SMOD的状态,以控制波特率是否加倍。若选定操作模式1或3,则应对定时器T1进行初始化以设定其溢出率。串行口初始化编程格式：

MOVSCON，#控制状态字；写方式字且TI=RI=0 (MOVPCON，#80H) ；波特率加倍 (MOVTMOD，#20H) ；T1作波特率发生器 (MOVTH1，#X) ；选定波特率 (MOVTL1，#X) (SETBTR1) (SETBEA) ；开串行口中断 (SETBES)华中科技大学文华学院发送查询方式：…；初始化部分略TRAM：MOVSBUF，@R0；发送一个字符WAIT：JBCTI，NEXT ；等待发送结束 SJMPWAITNEXT：INC R0 ；准备下一次发送 SJMPTRAM接收查询方式：…；初始化部分略WAIT：JBCRI，NEXT ；查询等待SJMPWAITNEXT：MOV@R0，SBUF ；保存接收数据

INC R0 ；准备下一次接收 SJMPWAIT华中科技大学文华学院发送中断方式： ORG 0023H ；串行口中断入口 AJMPSINTMAIN： … ；初始化编程TRAM： MOV SBUF，@R0；发送第一个字符 SJMP $ ；等待中断

SINT： CLRTI ；中断服务程序 MOV SBUF，@R0；发送下一个字符DJNZR7，NEXT；数据块未发送完继续CLREASJMPTENDNEXT：INC R0TEND：RETI华中科技大学文华学院接收中断方式： ORG 0023H ；串行口中断入口 AJMPRINTMAIN： … ；初始化编程 SJMP $ ；等待中断RINT： CLRRI ；中断服务程序 MOV @R0，SBUF；保存接收数据 DJNZR7，NEXT；数据块未接收完继续CLREASJMPTENDNEXT：INC R0TEND：RETIRS-232C标准定义了数据通信设备（DCE）与数据终端设备（DTE）之间进行串行数据传输的接口信息，规定了接口的电气信号和接插件的机械要求。RS-232C对信号开关电平规定如下：一、RS-232C标准串行接口总线1.总线描述驱动器的输出电平为逻辑“0”：+5~+15V；逻辑“1”：-5~-15V。接收器的输入检测电平逻辑“0”：>+3V；逻辑“1”：<-3V。

RS-232C采用负逻辑，噪声容限可达2V。表2RS-232C标准串行接口总线的常用信号

计算机与智能设备通过RS-232C标准总线直接互连传输数据是很有实用价值的，一般使用者需要熟悉互连接线的方法。

2.RS-232C接口的常用系统连接图1带RS-232C接口的通信设备连接

图3全双工最简系统连接

图2

全双工标准系统连接

图4调制解调器通信系统连接图

3.电平转换RS-232C不能和TTL电平直接相连，使用时必须进行电平转换。常用的电平转换芯片有：MAX232和MAX233MAX232典型接线图MAX233典型接线图虽然RS-232C使用很广泛，但它存在着一些不足，主要有：（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电路，共模抑制性能较差，抗干扰能力弱。二、RS-422A与RS-423A标准串行接口总线

RS-423A与RS-232C兼容，单端输出驱动，双端差分接收。正信号逻辑电平为+200mV～+6V，负信号逻辑电平为-200mV～-6V。在传输速率和传输距离上都优于RS-232C。

RS-422A与RS-232C不兼容，双端平衡输出驱动，双端差分接收，从而使其抑制共模干扰的能力更强，传输速率和传输距离比RS-423A更好。图6(a)RS-423A电路连接；(b)RS-422A电路连接

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。四、RS-485标准串行接口总线RS-485标准串行接口总线实际上是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：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。通过RS-485总线进行多站互连的原理如图14所示。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）。图14RS-485总线多站互连原理图

RS-485接口常用通信芯片：SN75176、MAX485左图：MAX485引脚图下图：典型连接电路RS-485方式构成的多机通信原理：

RS-485/RS-232接口电路：实现RS-485电平和RS-232电平之间的切换表4几种串行标准的比较

特性参数RS-232CRS-423RS-422RS-485工作模式单端发单端收单端发双端收双端发双端收双端发双端收在传输线上允许的驱动器和接收器的数目一个驱动器一个接收器一个驱动器10个接收器一个驱动器10个接收器32个驱动器32个接收器最大电缆长度15m1200m(1kbit/s)1200m(90kbit/s)1200m(100kbit/s)最大数据率20kbit/s100kbit/s(12m)10Mbit/s(12m)10Mbit/s(12m)驱动器输出（最大电压值）±25v±6v±6v-7v~+12v驱动器输出（信号电平）±5v（带负载）±15V（未带负载）±3.6v（带负载）±6v（未带负载）±2v（带负载）±6v（未带负载）±1.5v（带负载）±5v（未带负载）驱动器负载阻抗3k~7kΩ450Ω100Ω54Ω驱动器电源开路电流（高阻状态）Vmax/300ΩΩ（开路）±100μA（开路）±100μA（开路）±100μA（开路）接收器输入电压范围±15v±10v±12v-7v~+12v接收器输入灵敏度±3v±200mv±200mv±200mv接收器输入阻抗2kΩ~7kΩ4kΩmin4kΩmin12kΩmin图

传输距离与传输速率的关系

RS-422A与RS-485的传输距离与传输速率之间的关系如图所示速率（b/s）×距离（m）≤100M隔离：将各站的串行通信接口电路与其他站进行电气隔离，如图所示。图光电隔离的RS-485总线抗静电放电冲击：静电放电会影响电路的正常工作或导致器件损坏，解决的办法是选用带静电放电保护的RS-485接口器件，例如MAX1487E、MAX483E-491E、SN75LBC184等。另一个办法是在传输信号线上加箝位电路。传输线的铺设及屏蔽：（1）传输线单独铺设，不与交流动力线一起铺设在同一条电缆沟中；（2）强信号线与弱信号线避免平行走向，尽量使两者正交；（3）尽量使信号线离干扰线远一些，一般为干扰导线内径的40倍以上；（4）尽量采用带有屏蔽层的双绞线，将屏蔽层良好地接地。完整的SPI系统的特性：一、SPI总线标准介绍☆全双工、三线同步传送；☆主、从机工作方式；☆可程控的主机位传送频率、时钟极性和相位；☆发送完成中断标志；☆写冲突保护标志。SPI总线标准SPI外围扩展示意图SPI系统时钟的极性和相位关系二、利用模拟SPI扩展串行E2PROMSPI总线标准93C46引脚排列指令起始位操作代码地址数据说明DIDO读110A5A4A3A2A1A0—D7~D0读地址为A7~A0写101A5A4A3A2A1A0D7~D0RDY/BSY写地址为A7~A0擦除111A5A4A3A2A1A0RDY/BSY擦除地址A7~A0擦写允许10011××××高阻擦写禁止10000××××高阻片写10010××××D7~D0RDY/BSY片擦除10001××××RDY/BSYSPI总线标准93C46指令表（8位结构）SPI总线标准读指令（READ）读指令的时序SPI总线标准写指令（READ）写指令的时序SPI总线标准90C46与80C51单片机的接口与编程1)利用80C51单片机的串行口实现的接口SPI总线标准2）利用软件仿真SPI实现的接口三、利用模拟SPI扩展其它的串行接口芯片SPI总线标准1.串行时钟芯片HT1380与单片机接口电路SPI总线标准2.串行LED显示接口MAX7219MAX7219与单片机接口电路SPI总线标准3.串行模拟量输入芯片MAX1458串行A/D芯片MAX1458与单片机接口电路一、I2C标准总线介绍I2C总线标准I2C串行总线只有二根信号线，一根是双向的数据线SDA，另一根是时钟线SCL。I2C总线系统示意图I2C总线外围扩展示意图I2C总线标准I2C数据传输协议（1）总线不忙（SCL和SDA保持高电平）；（2）数据传送开始（SCL保持高电平，SDA发生一个由高电平到低电平的变化决定起始条件）；（3）数据传送停止（SCL保持高电平，SDA发生一个由低电平到高电平的过程，称为停止条件）；（4）数据有效。启动和停止信号在SCL为1时SDA1-->0代表startSDA0-->1代表stopI2C总线上一位数据的传送时序SDA变化时SCL一定为0I2C总线标准主发送到从接收I2C总线的数据传送字节格式I2C总线标准I2C总线标准二、80C51单片机模拟I2C总线应用实例PCF8574引脚说明I2C总线标准PCF8574及PCF8574A控制字节的配置I2C总线标准读操作I2C总线标准写操作I2C总线标准PCF8574应用和编程START:ACALLSTA；开始条件MOVA，#41H；PCF8574为读方式ACALLWRBYT；发送地址信号ACALLCACK；检查ACK信号JBF0，$ACALLRDBYT；读数据SWAPACPLAMOV30H，AI2C总线标准程序如下：ACALLSTOPACALLSTA；开始条件MOVA，#40H；PCF8574为写方式ACALLWRBYTACALLCACK；检查ACK信号JBF0，$MOVA，30HACALLWRBYTACALLDELAY；延时子程序ACALLSTOP；停止条件LJMPSTAI2C总线标准

三线总线（SPI）二线总线（I2C）单电源，由2~5.5V单电源，由2~5.5V低电流,低功耗低电流,低功耗元件价格低廉元件价格低廉要求四端(除电源和地)工作要求两端(除电源和地)工作×8位和×16位数据宽度×8位数据宽度软件写保护硬件写保护时钟和信号用边沿触发时钟和信号用电平触发,具有高抗噪声输入浪涌滤波器时钟频率可达2MHz时钟包含100kHz和200kHz两种模式规程较简单规程较复杂I2C总线标准USB概况：

主机与外设的通用接口，可用于不同的设备

串行、打包传送

2根数据线＋电源＋地线两个版本：1.1（12Mb/s），2.0（480Mb/s）设备连线最长5米

即插即用必须要有USB主机存在，设备不能独立工作USB总线标准USB总线的优点：

易于使用（即插即用，可热插拔；具级联方式，并可智能识别链上外围设备的插拔；提供电源；节省硬件资源；易于连接，主板上提供2－6个USB接口，通过集线器最多可支持127个外设）传送速率可满足大多数外设要求可靠性高（能进行错误校验和控制，且由硬件实现）低成本（主板已集成USB接口；设备端的USB接口控制芯片很便宜）低功耗（不工作时能够自动进入休眠状态，并能自动恢复）USB总线标准

USB采用四线电缆，其中两根是用来传送数据的串行通道，另两根为下游设备提供电源。1、USB基本特性图1USB电缆USB电源包括电源分配和电源管理两方面内容。电源分配是指USB如何分配主机所提供的能源（总线供电设备、自供电设备）。USB系统的主机有与USB相互独立的电源管理系统，系统软件可以与主机的能源管理系统结合，共同处理各种电源事件，如挂起、唤醒等。USB总线标准USB系统的基本构架可以分为三个主要的部分：USB主机控制器/根集线器；USB集线器；USB设备。主机根集线器Hub端口USB设备HubUSB总线标准图2USB集线器示意图USB总线标准USB总线标准USB通信模型客户USB主机USB接口功能模块USB设备USB接口主机设备消息数据包位流USB总线标准USB主机的软件和硬件客户软件USB驱动程序（USBD）USB接口主控制器驱动程序（HCD）USB主机软件USB主机主机USB数据包格式（主要的）PIDUSB地址(7位)端点号CRCPID数据(1-1023字节)CRC标识包数据包PID:包的类型编号PID应答D2H：ACK5AH：NAKC3H：偶数包4BH：奇数包USB总线标准2、USB的数据传输方式控制传输中断传输

批量传输同步传输

3、USB总线协议

USB是一种轮询方式的总线，主机控制器初始化所有的数据传送。USB协议反映了USB主机与USB设备进行交互时的语言结构和规则。发送端和接收端之间的USB传输有两种类型的信道：流通道和消息信道。

USB总线标准在可靠性传输方面，USB提供了多种数据传输机制，如使用差分驱动、接收和防护，以保证信号的完整性；使用循环冗余码，以进行外设装卸的检测和系统资源的设置，对丢失和损坏的数据包暂停传输；利用协议自我恢复，以建立数据控制信道，从而使功能部件避免了相互影响。在错误检测方面，协议中对每个包的控制位都提供了循环冗余码，并提供了一系列的硬件和软件设施来保证数据的正确性。在错误处理方面，协议在硬件和软件上均有措施。硬件：汇报错误和重新进行一次传输，传输中若再次遇到错误，由USB的主机控制器按照协议重新进行传输，最多可进行三次。若错误依然存在，则对客户端软件报告错误，使之按特定方式处理。4、USB的容错性能USB总线标准一、GP-IB（IEEE488）总线GP-IB接口总线

发展：HP-IB、IEEE-488、IEC-625、ZBY207GP-IB标准接口总线系统要进行有效的通信联络，至少有三类仪器装置：“讲者”（Talker）“听者”（Listener）“控者”（Controller）下图中的自动测试系统由数字电压表、信号发生器、打印机和计算机（安装GP-IB卡）组成。图1GP-IB自动测试系统图224线连接器的引脚信号基本特性：

24芯、负逻辑;

最大传输速度1Mbps;

系统中装置数不超过15,总线长度不超过20米;16根信号线、位并行/字串行

31个讲地址,31个听地址;3线握手联络原理保证不同速度设备间的传输.(3)DAV（DataValid，数据有效）：指示数据线上的信号是稳定（有效）的，并可由仪器安全接收。控制器在发送命令时发送此信号，而讲者则在发送数据消息时发送此信号。1、3根挂钩线的信号(1)NRFD（NotReadyforData，接收数据未就绪）：指示某仪器是否准备好接收一个消息字节。该信号线在接收命令时由所有的仪器驱动，在接收数据消息时由听者驱动。(2)NDAC（NotDataAccepted，未接收数据）：指示某仪器是否接收到消息字节。该信号线在接受命令时由所有的仪器驱动，而在接收数据消息时由听者驱动。

(3)REN（RemoteEnable，远程允许）：系统控制器驱动REN，用于将各仪器设置为远程（Remote）编程或本地（Local）编程方式。2、5根管理信号线(1)ATN（Attention，注意）：控制器在使用数据线发送命令时将这根信号线设置为真，而在某一讲者可以发送数据消息时将其设置为假。

(2)IFC（InterfaceClear，接口清除）：系统控制器驱动该信号线对总线初始化，并成功地执行控制器。

(4)SRQ（ServiceRequest，服务请求）：任何仪器均可以驱动该信号线，实现异步请求控制器服务。(5)EOI（EndorIdentify，结束或识别）：讲者使用该信号线标记信息字符串的结束，而控制器则使用该信号线要求各仪器在并行查询操作中识别各自的响应。3、控制器的操作控制器加电后一般应发出IFC信号，使所有的GP-IB设备初始化；设置ATN（低电平有效），表示控制器将向总线上的听者和讲者发送命令，实现对系统的配置和调度。表1GP-IB总线命令地址组合码控制器的操作过程：①检测SRQ线，为低电平时，通过查询确定请求服务的仪器②设置ATN为有效（低电平）③发送X0100001，确定地址为1的仪器为听者④发送X1000010，确定地址为2的仪器为讲者⑤设置ATN为高电平⑥讲者与听者交换数据⑦发送X0111111，关闭听者⑧发送X1011111，关闭讲者

4.三线挂钩操作

GP-IB总线典型应用系统

图38291A引脚及内部结构图5.8291芯片介绍表28291A内部寄存器一览表VXI总线仪器系统是模板插卡式结构的智能仪器系统，可将各种具有独立功能的模板式智能仪器连接在一起，构成自动测试系统或计算机测控系统。二、VXI总线（VMEbusExtensionsforInstrumentation）

IAC可在本机（Local）方式下独立工作，也可通过背板总线进入远程（Remote）；

VXI总线仪器系统具有信息吞吐量大、配置灵活、结构紧凑、仪器体积小等特点。卡式仪器（IAC，InstrumentAtCard）（a）VXI系统模板尺寸（b）VXI系统连接器的总线分布1、VXI总线装置的类型寄存器基装置存储器装置消息基装置扩展装置图4VX