智仪课件第五章

第五章智能仪表通信原理及接口设计5.1概述本章主要内容：5.2串行总线通信5.3并行通信*5.4通用串行总线接口–USB

仪器、仪表之间要进行信息交换和传输，这是通过仪器、仪表的通信接口，按照一定的协议来实现的。通信接口是各台仪器、仪表之间或仪器、仪表与PC机之间进行信息交换和传输的联络装置。5.1概述串行通信接口并行通信接口USB接口（通用串行总线）现场总线接口以太网接口电力网络蓝牙技术——无线通信网络通信接口主要有以下类型：5.1概述5.2串行总线通信5.2.1串行总线介绍5.2.2串行通信的基本概念5.2.3串行通信接口标准5.2.4典型的串行通信接口器件5.2.5串行多机通信传统的通信接口包括并行和串行通信接口，仪器、仪表普遍使用串行通信方法。串行通信接口标准有RS-232C、RS-422、RS-485等。5.2串行总线通信5.2.1串行总线介绍RS-232C以位串行方式传输数据，1位起始位、5~8位ASCII码数据及1~2位停止位，逻辑1的电平是-15V~-5V，逻辑0的电平+5V~+15V。RS-232C的接口信号有：数据信号、控制信号和信号地等，通常使用9芯扁平插头座来连接串行通信线路。

5.2.1串行总线介绍工业上普遍使用RS-485串行接口标准，因采用平衡差分信号线，故其数据传送率较RS-232C高，传送距离也长。

单片机有串行口UART，可以RS-232或RS-485标准传输数据。5.2.1串行总线介绍5.2.2串行通信的基本概念串行通信数据的各位按一定的顺序逐位传送串行通信的特点优点：传输线少，抗干扰能力强，传输距离远。缺点：数据传输速度慢。通信线路工作方式单工单工传送方式仅支持在一个方向上的数据传送。半双工半双工传送方式支持向两个方向中的任一个方向传送，但同一个时刻只能进行一个方向的传送，两个方向的传送不能同时进行。全双工全双工传送方式支持数据在两个方向同时传送。通信线路的连接方式

数据流

数据流

半双工

数据流

全双工

A

发送器

B

接收器

A

发送器

接收器

B

接收器

发送器

A

发送器

接收器

B

接收器

发送器

单工波特率——每秒传送的二进制代码的位数，单位是b/s。【例如，数据传送的速率为120字符/s，而每个字符格式包含10个代码位（1个起始位、8个数据位、1个结束位）。则传送的波特率为：10b/字符×120字符/s=1200b/s】数据传输率异步通信方式串行通信方式同步通信方式异步通信方式：也称“起止同步式”。异步通信规程:一个字符（若干个字位）作为一个独立的信息单元；信息单元内是同步的，但信息单元之间是异步的；发送器和接收器可以没有共同的时钟；目前智能仪表与微机测控系统中大多采用异步通信方式。异步传输数据格式：1/00011…15-8位数据位1/0停止位或空闲位1…1起始位奇偶校验第n个字符空闲位第n+1个字符低位高位

同步通信规程:发送器和接收器使用同一时钟源来同步；用二进制序列（同步字符）来表示开始发送有效数据；如暂无数据发送，用同步字符填充；成批发送的数据，成为数据流或数据场；两类：面向字符、面向位；传输速率高，适用于设备间工作速度比较接近的场合。同步通信方式同步通信信息格式：同步字符（SYN1)同步字符（SYN2)数据（DATA)校验：串行通信重要环节，衡量通信系统的指标奇偶校验：发送时，在每一个字符的最高位之后都附加一个奇偶校验位。接收时，按照发送方所确定的同样的奇偶性，对接收到的每一个字符进行校验，若两者不同，即表示接收有错。校验和：该种校验方法针对是数据块，而不是单个字符。发送时，发送方对块中数据算术求和，产生单字节校验和附加到数据块结尾。接收方对接收到的数据块算术求和后与接收到的校验和比较，若两者不同，即表示接收有错。CRC校验：一个数据块只校验一次，通常在同步串行通信使用。差错校验信号远距离传输时，利用普通电话线进行传输。现在的电话网是模拟通信系统，它是为传输语音信息而设计的。要在电话网上传送数字信号，必须经过调制和解调。调制：数字信号转化为模拟（音频）信号。解调：模拟信号转化为数字信号。信号的调制与解调收发双方的同步方式传输控制步骤差错检验方式数据编码数据传输速度通信报文格式及控制字符的定义5.2.3串行通信接口标准1973年，美国电子工业协会（EIA）制定的适合于DTE和DCE之间相互连接与通信的串行通信规程。最初为解决利用电话网进行通信的问题而提出。DTE——数据终端设备（如Computer）DCE——数据通信设备（如Modem）EIARS－232C标准1.数据传送格式RS232C总线上传输的异步通信典型数据格式标识位：一个字符在开始传输前，输出线必须在逻辑上处于“1”状态。标识位起始位数据位校验位停止位(1)采用负逻辑：＋5V～＋15V——逻辑0－5V～－15V——逻辑1“0”转换区“1”“0”转换区“1”2V噪声容限＋15V＋5V－5V－15V＋15V＋3V－3V－15V2.电气信号特性（信号电平的规定）(2)目的： 补偿传输线上的损耗 抗噪声干扰(3)RS-232C电平与TTL电平之间的转换TTL电平：+5V：10V：0RS-232电平：-15V～-5V：1+5V～+15V：0TTL电平→RS-232C电平：MC1488RS-232C电平→TTL电平：MC1489MC1488/1489是功能单一的发送/接受器，在双向数据传输中各端都要同时使用这两个器件，此外，又必须同时具备正负两组电源，因此在很多场合很不方便。现在有一些新型的RS-232C电平转换电路芯片。例如：美国MAXIM公司生产的MAX232A（单电源的RS-232C收发器芯片）。 标准最初制定时采用25根线25个功能引脚仅定义了20个，20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，较少使用）3.接口信号

分类符号名称引脚说明地线

机架保护地（屏蔽地）1

信号地（公共地）7

数据信号线TXD数据发送线2在无数据信息传输或收/发信息间隔期，RXD/TXD电平为1。辅助信道传输速率较主信道低。其余同RXD数据接收线3TXD辅助信道数据发送线14RXD辅助信道数据接收线16定时

信号

线

DCE发送信号定时15指示被传输的每个bit信息的中心位置

DCE接收信号定时17

DTE发送信号定时24

控制线RTS请求发送4DTE发给DCECTS允许发送5DCE发给DTEDSRDCE装置就绪6

DTRDTE装置就绪20DTE发给DCEDCD接收信号（载波）检测8DTE收到满足标准的信号时置位

RI振铃指示22由DCE收到振铃时置位

信号质量检测21由DCE根据数据信息是否有错而置位/复位

数据信号速率选择23指定两种传输速率中的一种RTS辅助信道请求发送19

CTS辅助信道允许发送13RCD辅助信道接收检测12备用线

9未定义，保留供DCE装置测试使用

10

11

1825DCE发给DTEDB-9andDB-25RS-232PinDesignations229RI58CTS47RTS66DSR75GND204DTR23TxD32RxD81DCDDB-25DB-9Signal硬件握手使用DSR、CTS、DTR和RTS四条硬件线路。其中DTR和RTS指的是计算机上的RS-232端；而DSR和CTS则是指带有RS-232接口的智能设备。通过四条线的交互作用，计算机主控端与被控的设备端可以进行数据的交流，而在数据传输太快而无法处理时，可以通过这四条握手线的高低电位的变化来控制数据是继续发送还是暂停发送。右图描述了计算机向设备传输数据时的硬件流量控制。软件握手（软件方法控制流量）XON/XOFF协议：暂停数据发送——接收端向发送端发送一个13H恢复数据发送——接收端向发送端发送一个11H直接连接的最长距离为15米，超过15米需连MODEM最高传输速率为20Kbps12513141596

DB－9连接器DB－25连接器

4.机械接口特性(1)全双向标准电缆(2)三线经济方式(3)零调制解调器（NullModem）

5.通信系统结构全双向标准电缆连接计算机与Modem相连本地Modem远程Modem计算机终端123456782022机壳地发送数据接收数据请求发送允许发送Modem就绪信号地载波检测终端就绪呼叫指示载波检测呼叫指示电话线三线方式信号连接简单的应用场合，如双机通信等零调制解调器（NullModem）采用交叉(2-3)反馈(4-5,20-6)方式进行连接(1)

EIARS-422A，采用“平衡接口电路”， 输入差分电压，平衡驱动（全双工）

5根线：4条信号线和1根地线一点对多点通信：主从通信，从设备最多10个，从设备之间不能通信最高传输速率——10Mbps最长传输距离——1200m

RS-422A和RS-485采用平衡式发送，差分式接收的数据收发器来驱动总线速度（最大10MB/S）,传送距离（90KB/S下可传1200米）以差分平衡方式传输信号，具有很强的抗共模干扰的能力降低传输线成本，允许一对双绞线上一个发送器驱动多个负载设备当前自动控制系统中常用的网络，如现场总线CAN、Profibus、INTERBUS-S以及ARCNet的物理层都是基于RS-485的总线进行总结和研究(2)EIARS-485A，采用“平衡接口电路”RS-485:2线制和4线制2线制：差动输入、半双工方式、多点双向通信4线制：工作方式同RS-422，全双工方式，主从，从设备最多可达32个RS-232C，RS-422和RS-485比较总结RS-232C:2条数据线、单端输入、全双工方式RS-422:4条数据线、差动输入、全双工方式RS-485:2条数据线、差动输入、半双工方式

4条数据线、差动输入、全双工方式串行通信是靠发送器、接收器、控制器和线缆等部分来实现的。在程序控制下它主要完成以下任务：数据的串——并及并——串转换。线路和MODEM的控制及状态检测。信号电平TTL与EIA电平的转换。发送和接收数据。5.2.4

典型的串行通信接口器件芯片类型标准LSI芯片按功能分为:USART－通用同步异步接收器/发送器UniversalSynchronousAsynchronousReceiver/TransmitterUART-通用异步收发报机UniversalAsynchronousReceiverTransmitterUSRT-通用同步收发报机UniversalSynchronousReceiverTransmitter

典型芯片：Intel8251、Intel8251A、ZilogSIO(USART)，MotorolaMC6850、INS8250(UART)， MC6852(USRT)。(1)双机串行异步通信

单片机与单片机间的串行异步通信接口设计5.2.5串行多机通信两台8031直接通信错误连接图正确连接图两台8031采用RS232C总线通信148814891489148880318031TXDRXDGNDTXDGNDRXD单片机与PC系列微机间的异步串行通信接口设计多机串行异步通信原理串行口控制寄存器SCON中的SM2为多机通信接口控制位。在方式2和方式3工作时，利用SCON中的SM2，可实现多机通信。当主机要向某一个从机发送一组数据时，地址字节第9位是1，数据字节第9位是0。从机先置SM2为“1”，主机向从机发送地址，因第9位为1，中断标志RI置“1”，于是从机中断，执行中断服务程序，判断主机送来的地址是否与本系统地址相符，若为本机地址，则置SM2为“0”，准备接收主机的数据，若地址不一致则保持SM2为“1”状态。接着主机发送数据，第9位为0，只有地址相符的从机（SM2已为0）才能接收数据。其余从机因SM2=1，不能进行中断处理，从而可实现主机与从机的一对一通信。单片机之间的通信（多机通信）3#

TXDRXD

89C52TXDRXD89C521#TXDRXD89C52TXDRXD89C522#主机①从机初始化允许串行口中断并工作于方式2或3，置SM2=1，处于接收地址帧状态。②主机发地址帧（第9位TB8为1），以便同某一从机沟通联络。③所有从机判断此地址码是否与本机符合，相符者建立一标志（SM2=0），并向主机发回答信号。④主机发数据（第9位TB8为0），地址相符的从机可接收，并发数据给主机。PC机与单片机通信接口

TXD8031RXD

TXD8031RXD14881489RXDPCTXD14881489-12VPC机具有异步通信功能，因此可以与其他具有RS-232C串行通信接口的计算机或仪器设备进行通信。由于1488的输出端不能直接连在一起，故通过二极管隔离后并接在PC机的接收端（RXD）。

通信双方所用的波特率必须相同，因波特率误差会引起偏移。异步通信在约定的波特率下，传送和接收的数据不需要严格保持同步，允许有相对的延迟，当频率差不大于1/16时，可以正确的完成通信。通信采用主从方式，由PC机确定与哪个单片机进行通信。

PC机的波特率是通过对8250内部寄存器初始化来实现的。在通信软件中，应根据用户的要求和通信协定来对8250初始化，即设置通信参数：波特率（9600波特）、数据位数（8位）、奇偶校验类型和停止位数（1位）。注意：这里的奇偶校验位用作发送地址码（通道号）或数据的特征位（1表示地址），

而数据通信的校核采用累加和校验方法。数据传送可采用查询方式或中断方式。若采用查询方式，在发送地址或数据时，先用输入指令检查发送器的保持寄存器是否为空。若为空，则用输出指令将一个数据输出给8250即可，8250会自动地将数据一位一位地发送到串行通信线上。接收数据时，8250把串行数据转换成并行数据,并送入接收数据寄存器中，同时把“接收数据就绪”信号置于状态寄存器中。CPU读到这个信号后，就可以用输入指令从接收器中读入一个数据了。若采用中断方式：发送时，用输出指令输出一个数据给8250。若8250已将此数发送完毕，则发出一个中断信号，说明CPU可以继续发数。若8250接收到一个数据，则发一个中断信号，表明CPU可以取出数据。接收采用查询方法发送和接收数据的程序框图如下图所示：8250初始化开始发送地址码（通道号）重发延时收到回答信号否？否是发送数据延时收到回送数据否？否重发C是结束错误否回答信号＝00？是收到回答信号否？延时发送校验码重发传送结束否？取接收数据C是否是否单片机采用中断方式发送和接收数据。串行口设置为工作方式3，由第9位判断是地址码或数据。当某台单片机与PC机发出的地址码一致时，就发出应答信号给PC机，而其它几台则不发应答信号。这样，在某一时刻PC机只与一台单片机传输数据。单片机与PC机沟通联络后，先接收数据，再将机内数据发往PC机。定时器T1作为波特率发生器,将其设置为工作方式2，波特率同样为9600。单片机的通信程序框图见下图：单片机的通信程序如下：（假设某单片机地址为03H）COMMN:MOV TMOD,#20H ;设置T1工作方式

MOVTH1,#0FDH ;设置时间常数,确定波特率

MOVTL1,#0FDH ;波特率=9600波特，fosc=6MHzSETBTR1SETBEASETBES ;允许串行口中断

MOVSCON,#0F8H ;设置串行口工作方式MOVPCON,#80HMOV23H,#0CH ;设置接收数据指针

MOV22H,#00HMOV21H,#08H ;设置发送数据指针

MOV20H,#00HMOVR5,#00H ;累加和单元置零

MOVR7,#COUNT ;设置字节长度

INC R7……CINT: JBC RI,REV1 ;若接收,转REV1

RETIREV1: JNB RB8,REV3 MOV A,SBUF CJNE A,#03H,REV2 ;若与本机地址不符,转REV2 CLR SM2 ;0→SM2 MOV SBUF,#00H ;与本机地址符合,回送“00”REV2: RETIREV3: DJNZ R7,RT ;若未完,继续接收和发送

MOV A,SBUF ;接收校验码

XRL A,R5 JZ RIGHT ;校验正确,转RIGHT MOV SBUF,#0FFH ;校验不正确,回送“FF” SETB F0 ;置错误标志

CLR ES ;关中断

RETIRIGHT:MOV SBUF,#00H ;回送“00”

CLR F0 ;置正确标志 CLR ES ;关中断

RETIRT: MOV A,SBUF ;接收数据

MOV DPH,23H MOV DPL,22H MOVX @DPTR,A ;存接收数据

ADD A,R5 MOV R5,A ;数据累加

INC DPTR MOV 23H,DPH MOV 22H,DPL MOV DPH,21H MOV DPL,20H MOVX A,@DPTR ;取发送数据

INC DPTR MOV 21H,DPH MOV 20H,DPL MOV SBUF,A ;发送

ADD A,R5 MOV R5,A ;数据累加

RETI并行通信数据的各位同时传送。5.3并行通信并行通信的主要特点优点：传输速度快。缺点：传输线数量较多，传输距离较短。适用于传输信息速度要求较高，而的传输距离较短场合（如打印机）。

USB是英文UniversalSerialBus的缩写，中文含义是“通用串行总线”。它是一种应用在PC领域的新型接口技术。早在1995年，就已经有PC机带有USB接口了，但由于缺乏软件及硬件设备的支持，这些PC机的USB接口都闲置未用。1998年后，随着微软在Windows98中内置了对USB接口的支持模块，加上USB设备的日渐增多，USB接口才逐步走进了实用阶段。这几年，随着大量支持USB的个人电脑的普及，USB逐步成为PC机的标准接口已经是大势所趋。在主机(host)端，最新推出的PC机几乎100%支持USB；而在外设(device)端，使用USB接口的设备也与日俱增，例如数码相机、扫描仪、游戏杆、磁带和软驱、图像设备、打印机、键盘、鼠标等等。USB的概念5.4通用串行总线接口–USB

1、可以热插拔。这就让用户在使用外接设备时，不需要重复“关机-将并口或串口电缆接上-再开机”这样的动作，而是直接在PC开机时，就可以将USB电缆插上使用。2、携带方便。USB设备大多以“小、轻、薄”见长，对用户来说，同样20G的硬盘，USB硬盘比IDE硬盘要轻一半的重量。3、标准统一。大家常见的是IDE接口的硬盘，串口的鼠标键盘，并口的打印机扫描仪，可是有了USB之后，这些应用外设统统可以用同样的标准与PC连接，这时就有了USB硬盘、USB鼠标、USB打印机，等等。4、可以连接多个设备。USB在PC上往往具有多个接口，可以同时连接几个设备，如果接上一个有4个端口的USBHUB时，就可以再连上4个USB设备，许多设备都同时连在一台PC上而不会有任何问题(注：最高可连接至127个设备)。优点

COMPAQ、HewlettPackard、Intel、Lucent、Microsoft、NEC和PHILIPS这7家厂商联合制定了USB2.0接口标准。USB2.0将设备之间的数据传输速度增加到了480Mbps，比USB1.1标准快40倍左右，而且具有多种速度的周边设备都可以被连接到USB2.0的线路上，而且无需担心数据传输时发生瓶颈效应。如果用USB2.0的扫描仪，扫一张40M的图片只需半分钟左右的时间USB接口标准USB1.1接口

目前USB设备已被广泛应用，早期的版本是USB1.1接口，它的传输速度仅为12Mbps。例如，当用USB1.1的扫描仪扫一张大小为40M的图片，需要4分钟之久。USB2.0接口

USB2.0可以使用原来USB定义中同样规格的电缆，接头的规格也完全相同，在高速的前提下一样保持了USB1.1的优秀特色，并且，USB2.0的设备不会和USB1.X设备在共同使用的时候发生任何冲突。

USB2.0标准已成为周边设备的接口。USB设备之间的联接线有4根：2根是电源（+5V）和地；另外两根是信号线（D+和D-）。目前，已推出USB单片机，与通用单片机兼容,内含USB收发器，用于计算机外设等智能设备。USB连接的拓扑结构——星型拓扑结构一个USB系统包含三类硬件设备:USB主机(USBHOST)、USB设备(USBDEVICE)、USB集线器(USBHUB)，管理USB系统；

每毫秒产生一帧数据；

发送配置请求，对USB设备进行配置操作；

对总线上的错误进行管理和恢复。(1)USB

HOST

各类设备的功能(2)USB

DEVICE

在一个USB系统中，USB

DEVICE和USB

HUB总数不能超过127个。USB

DEVICE接收USB总线上的所有数据包，通过数据包的地址域来判断是不是发给自己的数据包：若地址不符，则简单地丢弃该数据包；若地址相符，则通过响应USB

HOST的数据包与USB

HOST进行数据传输

(3)USBHUB

USB

HUB用于设备扩展连接，所有USB

DEVICE都连接在USB

HUB的端口上。一个USB

HOST总与一个根HUB

(USB

ROOT

HUB)相连。USB

HUB为其每个端口提供100mA电流供设备使用。同时，USB

HUB可以通过端口的电气变化诊断出设备的插拔操作，并通过响应USB

HOST的数据包把端口状态汇报给USB

HOST。一般来说，USB设备与USB

HUB间的连线长度不超过5m，USB系统的级联不能超过5级（包括ROOT

HUB）。USB星型拓扑结构USB协议定义了在USB系统中主机与USB设备之间的连接和通信，其物理拓扑结构如图1所示。这种结构是星型的层层向上方式，也可以看成是一级与一级的级联方式。允许最多连接127个设备，最上层是USB主控器。由于USB不像其他总线一样采用存储转发技术，所以不会对下层的设备引起延迟。USB系统的典型应用对PC微机而言，USB系统中的主机就是一台带USB主控制器的PC机，USB主控制器由硬件、软件、微代码组成。在USB系统中只有一台USB主机，主机是主设备，它控制USB总线上所有的信息传送。根集线器与主机相连，下层就是USB集线器和功能设备。PC微机的USB拓扑结构中，USB设备具体连接方式如下图所示。(1)PC微机的USB拓扑结构

市场上现已有很多公司提供的USB接口器件，如PHILIPS的PDIUSBD11/PDIUSBD12，OKI的MSM60581，NATIONAL的USBN9602，LUCENT的USS-820/USS-620，SCANLOGIC的SL11，等等。

同时也有很多带USB接口的处理器，如CYPRESS的EZ-USB，AMD的AM186CC，ATMEL的AT43320，MOT