第6章 智能仪器中的通信接口技术

第6章智能仪器中的通信接口技术6.1数据通信基础

6.2串行通信接口

6.3并行通信接口(了解)

6.4USB通用串行总线

6.1.1数据通信的基础知识1.通信系统的组成

2.信道的带宽和数据速率

3.数字调制技术

4.多路复用技术1.通信系统的组成图6-1单向数字通信系统的结构(1)信息源和信息接收息源(信源)和(信宿)是信息的产生者和使用者。一般由信息源和信息接收者，发送设备，接收设备、传输媒质几部分组成(2)发送设备发送设备的基本功能是将信息源和传输媒介匹配起来，即将信息源产生的消息信号经过编码，并变换为便于传送的信号形式，送往传输媒介。(3)传输介质传输介质指发送设备到接收设备之间信号传递所经过的媒介。(4)接收设备接收设备的基本功能与发送设备的功能相反，它对接收到的信号进行解调、译码、解密等。

2.信道的带宽和数据速率信道的带宽

任何信道所能传输的信号的频率都有一定的范围，称为信道的带宽。信道可以不失真传输信号的频率范围

(2)数据速率表征一个信道传输数字信号能力的指标称为数据速率。波特率：位/秒（3）信道容量信道在单位时间内可以传输的最大信号量（4）信道：

3.数字调制技术由信源产生的原始电信号通常称为基带信号，由于它含有频率较低的谐波分量，因此一般不宜在长距离的信道中直接传输，而是通过调制将其组合到更高频率的载波上。所谓调制，就是利用调制信号(即携带有信息的基带信号)去改变高频振荡载波的某个(或某几个)参数的波形变换过程。3.数字调制技术

4.多路复用技术在一条物理通道上同时传送多路信息的技术称为多路复用技术。采用多路复用技术可把多个信号组合起来在一条物理电缆上进行传输，节省电缆的安装和维护费用，提高了信道的利用率。最常用的两种复用技术：1）频分多路复用(FrequencyDivisionMultiplexing,FDM)

2）时分多路复用(TimeDivisionMultiplexing,TDM)

6.1.2差错控制技术信号传输过程中，由于噪声影响、带宽限制等因素造成发送端与接收端数据不一致产生误码差错控制技术：1.奇偶校验码

2.方块校验

3.循环冗余校验(CyclicRedundancyCheck，CRC)

4.差错控制方法

1.奇偶校验码奇偶校验是通过增加冗余位使码字中“1”的个数保持奇数或偶数的校验方法。如果冗余位使编码中“1”的个数为奇数则为奇校验，反之为偶校验。这种方法的编码效率很高(R=k/(k+1))物理实现容易，但漏检率也高，因为它只能检查出编码中的1位差错，而不能检查出2位同时出错。奇偶校验码是一种检错编码，不具备纠错能力。由于实用中2位同样出差错的机会较少，因此，这种检错方法仍被广泛使用。

2.方块校验方块校验又叫做报文校验或水平冗余校验。它的设计思想是在上述垂直校验的基础上，在一批字符(报文)传送之后，另外增加一个校验字符，该字符的编码方法是使每一位纵向代码中“1”的个数成为奇数或偶数。例如传送如下报文：有效数据位奇偶校验位(奇校验)字符110100100字符210000011字符310011000字符410100001字符510010001字符610000101方块校验字符1111010(奇校验)0

采用这种方法校验时，如果报文中有一个二进制位出错，不仅可从一行的校验位中反映出来，同时从一列的校验位中也能反映出来，根据行和列的校验结果即可确定出错位置，从而可以校正该出错位，因此这是一种纠错码。这种编码可使误码率降低2~4个数量级，纠错效果十分显著。其缺点是，在实现水平校验时，冗余校验位的编码和检测都较复杂。

3.循环冗余校验(CyclicRedundancyCheck，CRC)采用循环冗余校验时，将要发送的二进制数据位序列当作一个二进制多项式f(x)的系数，在发送方用收发双方预先约定的生成多项式G(x)去除，得到一个余数多项式。将余数多项式加到数据多项式之后发送到接收端。接收端用同样的生成多项式G(x)去除接收数据多项式，得到计算余数多项式f‘(x)。如果计算余数多项式与接收余数多项式相同，则表示传输无差错；如果计算余数多项式不等于接收余数多项式，则表示传输有差错。CRC码检错能力强，实现容易，是目前应用最广的检错码编码方法之一。

4.差错控制方法利用编码方法进行差错控制的方法有两类：

自动请求重发(AutomaticRepeatQuest，ARQ).在ARQ方式中，接收端查出错误后设法通知发送方重发，直至收到正确码字。这种方式要求发送方有数据缓冲区存放已发出的数据，而且有双向信道便于收发双方联络。

前向纠错(ForwardErrorCorrection，FEC)。在FEC方式中，因为可前向纠错，必须采用纠错编码，故使用的冗余位更多，编码效率低，而且纠错的设备要比检错的设备复杂得多。因此尽管FEC比ARQ方法优越(可单向信道，发送端不设数据缓冲区)，但也只用在实时性要求特别高的场合，数据通信中使用更多的还是ARQ方式。此外，也可以将上述两者混合使用，即当码字中的差错个数在纠正能力以内时，直接进行纠正；当码字中的差错个数超出纠正能力时，则接收端要求发送端重发，直到正确为止。

6.1.3通信规程与同步技术通信协议规定好一组二进制数位代表的含义。1.异步通信方式

2.同步通信方式

1.异步通信方式图6-2异步通信数据格式异步传输方式中，每传送1个字符（7位或8位）都要在每个字符码前加1个起始位，以表示字符代码的开始，在字符代码和校验码后面加1或2个停止位，表示字符结束。接收方根据起始位和停止位来判断一个新字符的开始。从而起到通信双方的同步作用。异步方式实现比较容易，但每传输一个字符都需要多使用2～3位，所以适合于低速通信。

2.同步通信方式图6-3同步通信数据格式在通信中，接收端要按发送端所发送的每个码元或数据块的重复频率以及起止时间来接收数据，这样才能保证接收的数据与发送的数据一致，这就是所谓的“同步”在通信时，接收端要校准自己的时间和重复频率，以便和发送端保持一致，这一过程称为“同步过程”。同步传输方式的信息格式是一组字符或一个二进制位组成的数据块（帧）。对这些数据，不需要附加起始位和停止位，而是在发送一组字符或数据块之前先发送一个同步字符（01111110），用于接收方进行同步检测，从而使收发双方进入同步状态。在同步字符或字节之后，可以连续发送任意多个字符或数据块，发送数据完毕后，再使用同步字符或字节来标识整个发送过程的结束。在同步传送时，由于发送方和接收方将整个字符组作为一个单位传送，且附加位又非常少，从而提高了数据传输的效率。所以这种方法一般用在高速传输数据的系统中，比如计算机之间的数据通信。

6.2串行通信接口6.2.1串行通信基本概念

6.2.2RS-232C标准串行接口

6.2.3RS-422A与RS-423A标准串行接口

6.2.4RS-485标准串行接口

6.2.5智能仪器间串行通信实例

1.数据传送速率——波特率(BaudRate)所谓波特率，是指每秒串行发送或接收的二进制位(bit)数目，其单位为bit/s(每秒bit数)，它是衡量数据传送速率的指标，也是衡量传送通道频带宽度的指标。6.2.1串行通信基本概念串行通信：构成字符的每个二进制数据位，依照一定的顺序逐位进行传输的通信方式。

2.单工、半双工与全双工图6-4单工、半双工、全双工示意图按发送和接收数据的方向及能否同时进行数据传送分类：单工(Single)方式：仅允许数据单向传送。半双工(Half-Duplex)方式：发送和接收数据分时使用同一条传输线路，即在某一时刻只能进行一个方向的数据传送。

全双工(Full-Duplex)方式：采用两根传送线连接两端设备，可同时进行数据的发送和接收。

3.串行通信方式及规程串行通信有异步和同步两种基本方式并行通信，是指数据的各位同时进行传送的方式。其特点是传输速度快，但当距离较远，位数又多时导致了通信线路复杂且成本高。串行通信，是指数据一位一位的顺序传送的通信方式。其特点是通信线路简单，只要一对传输线就可以实现通信，从而大大的降低了成本，特别适用于远距离通信，但传送速度慢。

6.2.2RS-232C标准串行接口1.总线描述

2.RS-232C的常用系统连接三、RS-232C标准RS-232C是美国电子工业协会EIA公布的串行通信标准。全称是EIA-RS-232C标准

,EIA(ElectronicIndustryAssociation），RS是英文“推荐标准（RECOMMENDEDSTANDARD）的缩写。232是标识号，C是修改的次数。最初发展RS-232标准是为了促进数据通信在公用电话网上的应用，采用MODEM进行远距离数据传输。适用于设备之间通信距离不大于15m，速度不高于20kbit/sRS-232C标准连接图目前广泛采用于计算机与外围设备的串行异步通信接口中。RS-232C总线描述RS-232C标准定义了DCE（数据通信设备）与DTE（数据终端设备）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。采用25针连接器，规定DTE（应该配插头（带插针），DCE应该配插座（不带插针）。在微型计算机通信中常用的是其中9个通信信号。这9个通信信号分为两类：一类为基本数据传输信号，另一类为调制解调器控制信号。RS-232C电气特性：采用负逻辑驱动器输出电平：逻辑1：-5—-15V；逻辑0：5—15V传输距离：<=15m波特率<=20kb/sRS232协议介绍DB-25和DB-9的常用信号脚说明9针串口（DB-9）25针串口（DB-25）引脚号功能说明缩写引脚号功能说明缩写1数据载波检测DCD8数据载波检测DCD2接收数据RXD3接收数据RXD3发送数据TXD2发送数据TXD4数据终端准备好DTR20数据终端准备好DTR5信号地GND7信号地GND6数据设备准备好DSR6数据设备准备好DSR7请求发送RTS4请求发送RTS8清除发送CTS5清除发送CTS9振铃指示BELL22振铃指示BELLRS232协议介绍常用9信号介绍：1.联络控制信号线：

数据装置准备好（Datasetready-DSR)—有效时（ON）状态，表明MODEM处于可以使用的状态。DCE就绪。

数据终端准备好(DataTerminalready-DTR)——有效时（ON）状态，表明数据终端可以使用。DTE就绪。

请求发送(Requesttosend-RTS)——用来表示DTE请求DCE发送数据，即当终端要发送数据时，使该信号有效（ON状态），向MODEM请求发送。

允许发送（Cleartosend-CTS）——为发送清零。用来表示DCE准备好接收DTE发来的数据，是对请求发送信号RTS的响应信号。。

接收线信号检出(DCD-ReceivedLinedetection-RLSD)——用来表示DCE已接通通信链路，告知DTE准备接收数据。当本地的MODEM收到由通信链路另一端（远地）的MODEM送来的载波信号时，使RLSD信号有效，通知终端准备接收，并且由MODEM将接收下来的载波信号解调成数字两数据后，沿接收数据线RxD送到终端。此线也叫做数据载波检出(DataCarrierdectection-DCD）线。

振铃指示(Ringing-RI)——当MODEM收到交换台送来的振铃呼叫信号时，使该信号有效（ON状态），通知终端，已被呼叫。RS232协议介绍2数据发送与接收发送数据(Transmitteddata-TxD)——通过TxD终端将串行数据发送到MODEM，(DTE→DCE)。无数据发送时，线上的信号为‘1’。接收数据(Receiveddata-RxD)——通过RxD线终端接收从MODEM发来的串行数据，(DCE→DTE)。无数据接收时，线上的信号为‘1’。3地线有两根线SG、PG——信号地和保护地信号线，无方向。

图6-6全双工标准系统连接在实际的短距离单片机与单片机之间、微机与微机化设备之间的通信中，如果由RS-232C连接在两端的设备随时都可以进行全双工的数据交换，则不需要进行握手联络，则可以简化为上述连接方式。发送与接收交叉连接（RXD,TXD）请求发送线(RTS)折回与自身的‘为发送清零’(CTS)线相连，表明无论何时都可以发送DCE就绪线与对方的DTE就绪线交叉互连，作为总线一端的设备检测另一端的设备是否就绪的握手信号。载波检测(DCD)与对方的请求发送(RTS)相连，使一端的设备能够检测对方设备是否在发送。2.RS-232C的常用系统连接图6-7全双工最简系统连接

2.RS-232C的常用系统连接图6-8调制解调器通信系统连接图电容负载的最大驱动能力2500PF，限制了信号线最大长度如：每米分布电容为150PF双绞线通信电缆，最大传输距离限制在15m对于长距离传输或无线传输，则需要用调制解调器通过电话线或无线收发设备连接。RS-232C电平的转换（重要）RS-232C标准使用15V电源，并采用负逻辑，其逻辑1电平在-5V~-15V范围内，逻辑0电平在+5V~+15V范围内。TTL电平，逻辑1电平在+2V~+5V，逻辑0电平在0V~+0.8V。二者不兼容，需要电平转换。RS-232C与TTL电平转换器

(a)MC1488；(b)MC1489为了把+5V的TTL电平转换为-2~+12V的RS-232C电平,输出驱动器需要±12V电源。近年问世的一些RS-232C接口芯片采用单一的+5V电源,其内部已经集成了DC/DC电源转换系统,而且输出驱动器与接收器制作在同一芯片中,使用更为方便。例如MAX232,ICL232等。电平转换芯片电平转换芯片上下位机通过RS232进行数据交流

应用中会用到的max232芯片。 MAX232具有2路接收器和2路驱动器。MAX232：RS232S双工发送器/接收器接口芯片美信（MAXIM）公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从11引脚（T1IN）、10引脚（T2IN）输入转换成RS-232数据从14脚（T1OUT）、7脚（T2OUT）送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从13引脚（R1IN）、8引脚（R2IN）输入转换成TTL/CMOS数据后从12引脚（R1OUT）、9引脚（R2OUT）输出。第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5v）。

6.2.3RS-422A与RS-423A标准串行接口RS-233C不足：数据传输速率低，一般低于20Kbit/s。传输距离短，一般局限于15m。有25芯D形插针和9芯D形插针等多种连接方式，不利于标准化设计。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。

RS-449标准:目的在于支持较高的传输速率和较远的传输距离RS-423A(RS232兼容)单端输出驱动，双端差分接收，提高了总线干扰能力RS-422A(RS232不兼容)双端输出驱动，双端差分接收,抑制共模干扰能力更强RS-422是RS-449标准的子集，传输率最大为10Mb/s，在此速率下，电缆允许长度为120m。如果采用较低传输速率，如90kb/s，最大距离可达1200m。定义了232所没有的10种电路功能，规定了37脚连接器标准大负载能力强，一个可带动10个接收器

6.2.4RS-485标准串行接口1.RS-485接口标准

RS-485是RS-422A的变形。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。两个设备相连时，RS-422A为全双工，可同时发送和接收；RS-485可以为半双工，全双工。常见的半双工通信芯片有MAX481、MAX483、MAX485、MAX487等，全双工通信芯片有MAX488、MAX489、MAX490、MAX491等。

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。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。

1.RS-485接口标准表6-2RS-485的电气特性

2.RS-485收发器图6-11MAX481的内部结构和

引脚封装图只有两根信号线A和B，信号线A为同相接收器输入和同相发送器输出，信号线B为反相接收器输入和反相发送器输出，由于是半双工，所以有发送与接受的使能端DE引脚。RO：接收器输出端。若A比B大200mV，RO为高；反之为低电平。RE：接收器输出使能端。RE为低时，RO有效；为高时，RO呈高阻状态。DE：驱动器（发送）输出使能端。若DE＝1，驱动器输出A和B有效；若DE＝0，则它们呈高阻态。若驱动器输出有效，器件作为线驱动器用，反之作为线接收器用。DI：驱动器(发送)输入端。DI＝0，有A＝0，B＝1；当DI＝1，则A＝1，B＝0。A：同相接收器输入和同相驱动器输出。差分正输入端B：反相接收器输入和反相驱动器输出。:差分负输入端VCC：电源端，一般接+5V。GND：接地。其中平衡电阻R1，R2通常取100～300欧姆。典型的工作电路收发功能表全双工通信有两对4根信号线A、B和Y、Z，其中A、B专用作接收器输入，A为同相、B为反相；而Y、Z专用作发送器输出，Y为同相、Z为反相，所以构成了全双工通信。P1.7用来控制MAX485的接收或发送，其余操作同串口。当数据发送时置P1.7为高电平，则使能端DE=1打开发送器D的缓冲门，发自单片机TXD端的数据信息经DI端分别从D的同相端与反相端传到RS-485总线上。当接收数据时把P1.7置于低电平，此时使能端=0打开接收器R的缓冲门，来自于RS-485总线上的数据信息分别经R的同相端与反相端从RO端传出进入单片机RXD端。RS-485更适合于多站互连（已经具备了现场总线的概念），一个发送驱动器最多可连接大于32个负载设备，负载设备可以是被动发送器、接收器和收发器。其电路结构是在平衡连接的电缆上挂接发送器、接收器或组合收发器，且在电缆两端各挂接一个终端电阻用于消除两线间的干扰。以PC机作主机，n个单片智能设备为从机、工作于主从方式的RS-485总线网络的结构图。利用PC机配置的RS-232C串行端口，外配一个RS-232C/RS-485转换器，可将RS-232C信号转换为RS-485信号。每个从机通过MAX487E芯片构建RS-485通信接口，就可挂接在RS-485总线网络上，总线端点处并接的两个120Ω电阻用于消除两线间的干扰。RS-485总线网络传输距离最远可达1200m（速率20kb/s）、传输速率最高可达2Mb/s（距离12m）。至于在网络上最多允许挂接多少个从机，这主要取决于232/485转换器的驱动能力与485接口芯片的输入阻抗与驱动能力，如果再加上中继站，可以增加更多的从机数量。

RS-232C、RS-422A、RS485性能比较接口性能RS-232CRS-422ARS-485操作方式单端差动方式差动方式最大距离/m15(24kb/s)1200(100kb/s)1200(100kb/s)最大速率20kb/s10Mb/s10Mb/s最大驱动器数目1132最大接收器数目11032接收灵敏度±3V±200mV±200mV驱动器输出阻抗300Ω60kΩ120kΩ接收器负载阻抗3～7kΩ>4kΩ>12kΩ负载阻抗3～7kΩ100Ω60Ω对共用点电压范围/V±25-0.25～+6-7～12作业：P1663,并完成软件，实现把甲机的数送到乙机。小结1.并行总线与串行总线的基本概念；2.RS-232、RS-422/485标准通信接口总线。3.RS-232/485串行通信接口电路的设计（重点）4.了解常用串行接口驱动芯片。4.1GPIB通用接口总线4.1.1GP-IB标准接口系统概述

GP－IB即通用接口总线（GeneralPurposeInterfaceBus）是国际通用的仪器接口标准。目前生产的智能仪器几乎无例外地都配有GP－IB标准接口。国际通用的仪器接口标准最初由美国HP公司研制，称为HP-IB标准。1975年IEEE在此基础上加以改进，将其规范化为IEEE－488标准予以推荐。1977年IEC又通过国际合作命名为IEC－625国际标准。此后，这同一标准便在文献资料中使用了HP－IB，IEEE－488，GP－IB，IEC－IB等多种称谓，但日渐普遍使用的名称是GP－IB。

4.1.1GP-IB标准接口系统概述

GP-IB标准包括接口与总线两部分：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、编码和译码；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、GP-IB标准接口系统的基本特性

在一个GP-IB标准接口总线系统中，要进行有效的通信联络至少有“讲者”、“听者”、“控者”三类仪器装置。

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，可以设置多个听者，并且允许多个听者同时工作。

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、GP-IB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，对于系统中的某一台装置可以具有三要素中的一个、两个或全部。GP-IB系统中的计算机一般同时兼有讲者、听者与控者的功能。（1）可以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15台，互连总线的长度不超过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、GP-IB标准接口系统的基本特性GP-IB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、GP－IB标准接口的总线结构

二、GP－IB标准接口的总线结构

总线是一条24芯电缆，其中16条为信号线，其余为地线及屏蔽线。电缆两端是双列24芯叠式结构插头。

（1）8条双向数据总线（DIO1～DIO8）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（DAV，NRFD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（ATN，IFC，REN，EOI和SRQ）作用：控制GP－IB总线接口的状态

二、GP－IB标准接口的总线结构

16条信号线按功能可分为以下三组：

DAV（DATAVALID）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（NOTREADYFORDATA）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，NRFD线就为低，示意讲者暂不要发出信息。

NDAC（NOTDATAACCEPTED）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、三线挂钩原理在GP－IB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。三条挂钩联络线的定义如下：（1）听者使NRFD呈低电平，表示已做好接收准备，总线上所有听者是“线或”连接至NRFD线上，因此只要有一个听者未做好准备，NRFD就呈高电平。（2）讲者发现NRFD呈低电平后，就把数据放在DIO线上，并令DAV为高电平，表示DIO线上的数据已经稳定且有效。（3）听者发现DAV线呈高电平，就令NRFD呈高电平，表示准备接收数据。（4）在接收数据的过程中，NDAC线一直保持高电平，直至每个听者都接收完数据，才变为低电平。所有听者也是“线或”接到NDAC线上。（5）当讲者检出NDAC为低，就令DAV为低，表示总线上的数据不再有效。（6）听者检出DAV为低电平，就令NDAC再次变为高电平，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。三线挂钩过程如下：显然，三线挂钩技术可以协调快慢不同的设备可靠地在总线上进行信息传递。4.1.2接口功能与接口消息一、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；二、接口部分，它产生该仪器装置所需要的接口功能。

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：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必须遵照GP－IB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。

4.1.2接口功能与接口消息二、接口功能的配置

一、前述的控者功能（C）、讲者功能（T）和听者功能（L）是一个自动测试系统中必不可少的三种最基本的功能。二、为使系统可靠进行三线挂钩，又设置了源挂钩功能（SH）和受者挂钩功能（AH）。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，GP－IB又增加了五种具有相应管理能力的接口功能。GP－IB标准把全部逻辑功能概括为十种接口功能：三、五种具有相应管理能力的接口功能。

服务请求功能（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（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（R／L）：选择远地和本地两个工作状态的能力。

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（DC）：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、接口消息及编码按用途来分，总线上传递的消息可分为接口消息和仪器消息两大类。按传递的途径来分，总线上传递的消息可分为本地消息和远地消息两种。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，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pon（电源开）。按使用信号线的数目来分，总线上传递的消息可又分为单线消息和多线消息两种。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、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。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。4.1.3GP－IB标准接口系统的运行图4－4为一个用于数据采集的自动测试系统框图。系统的测试任务是对待测放大器的幅频特性进行测量，并将测试结果打印出来。计算机令信号发生器产生幅值固定、频率可变的正弦信号，由频率计测出信号的频率，同数字电压表测出放大器的输出幅值，所测多组结果送给计算机计算后，求得幅频特性并交给打印机打印出来。

(1)控制器通过C功能发出REN，使系统中所有装置都处于控者控制之下。(2)控制器通过C功能发出IFC，使系统中所有装置都处于初始状态。(3)控制器发出信号发生器的听地址，信号发生器接收地址后成为听者。（4)控制器向信号发生器发出一个程控命令，使信号发生器输出一个指定范围频率的正弦信号，幅值固定为一个值(如100mV)。（5)控制器取消信号发生器的听命令状态。（6)控制器发出频率计的听地址，频率计成为听者后测量输入信号的频率。（7)控制器发出频率计的讲地址，取消频率计的听命令状态，控制器使自己接收频率计发来的频率测量值。（8)控制器发出数字电压表的听地址，数字电压表成为听者后测量输出信号的幅值。（9)控制器发出数字电压表的讲地址，取消数字电压表的听命令状态，控制器使自己成为听者，接收数字电压表发来的幅值测量值。

系统运行的大致工作流程如下：4.1.3GP－IB标准接口系统的运行图4－4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。

(1)控制器通过C功能发出REN，使系统中所有装置都处于控者控制之下。(2)控制器通过C功能发出IFC，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。(4)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。(5)控制器发出通令UNL，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，接收选定传感器送来的数据。(7)控制器发出通令UNL，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。(9)控制器又发出通令UNL，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，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，发出打印机的听地址。(13)打印机打印计算机送来的数据。(14)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。系统运行的大致工作流程如下：

4.GP-IB接口评价

GP-IB最早是为仪器之间通信设计的，在电气上采用并行数据连接，在当时背景下比串行通信要快得多，因此在仪器通信及其他检测系统的近距离通信中发挥了巨大的作用。随着串行通信技术的不断提高，GP-IB也受到了巨大的挑战，这是因为串行接口已经远远超过了GP-IB的通信速度。所以近年来，除仪器行业以外，人们在设计新的检测系统时，基本上已不再考虑使用GP-IB接口，除非用户有特殊要求。仪器行业因历史原因为了仪器之间的配套，即使是新设计的仪器有时也不得不配置GP-IB接口，所以GP-IB接口同样有自己的用武之地。也许GP-IB接口在考虑到机械及电气的兼容性的前提下会有飞跃性的改进。4.2GP-IB接口电路的设计4.2.1GP-IB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。为了简化接口设计，目前已有一些厂家成功地将GP-IB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。通常使用的接口芯片如表4-2所示。（本章重点介绍Intel公司的接口芯片）

8291A具有用硬件实现除控者之外的其余全部9种标准接口功能；具有自动三线挂钩联络、自动管理接口寻址等能力，大大简化了接口管理软件的设计。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，把数据送到接口母线上，以便控者进行读取。一、8291A接口芯片4.2.1GP-IB接口芯片简介

面向微处理器总线的信号端：

D0～D7：双向数据总线，RS0～RS2：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GP－IB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，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，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

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，I／O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、8292控者接口芯片

8292：40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：D0～D7，CS，RD，WR，RESET，A0等

与GP－IB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、8293总线收／发器

8293内部包括9路收／发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T／R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GP-IB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部分中断程序流程图4.2.3控制器的GP-IB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GP－IB控制器接口，其原理如图所示。图中，8291负责GP－IB的数据总线和握手总线交换信息；8292则控制GP－IB管理线中的4条(IEC，ATN，REN，SRQ)，而余下的EOI总线则由双方分管：

6.4USB通用串行总线6.4.1USB的特点

6.4.2USB的系统描述

6.4.3USB总线协议

6.4.4USB数据流

6.4.5USB的容错性能

6.4.6USB设备

6.4.7USB系统设置

6.4.8USB系统中的主机

6.4.9基于USB总线的数据采集设备的设计实例

6.4USB通用串行总线用户易用性：电缆连接和连接头采用单一模型，电气特性与用户无关，并提供了动态连接、'动态识别等特性。应用的广泛性：USB总线传输速率从几Kbit/s到几Mbit/s甚至上百Mbit/s，并在同一根电缆线上支持同步、异步两种传输模式。使用的灵活性：USB总线允许对设备缓冲区大小进行选择，并通过设定缓冲区的大小和执行时间，支持各种数据传输速率和不同大小的数据包。容错性强：USB总线在协议中规定了出错处理和差错校正的机制，可以对有缺陷的设备进行认定，对错误的数据进行校正或报告。5)“即插即用”的体系结构：USB总线具有简单而完善的协议，并与现有的操作系统相适应，不会产生任何冲突。6)

性价比较高：USB虽然拥有诸多优秀的特性，但其价格较低。6.4.1USB具有如下一些特点：2008年11月26日，USB促进委员会正式向全世界宣布，下一代USB3.0接口规范已经制定完毕！USB3.0将支持高达5.0Gb/s的数据传输速度。它几乎是传统USB2.0接口的10倍。支持更快的充电速度，以及平均耗电比USB2.0还少三分之二等优势。USB系统分为USB主机、USB设备和USB连接3部分。任何USB系统中只有一台主机，USBHOST有以下功能: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。

USB系统和主机系统的接口称为主机控制器（HostController）,它是由硬件和软件综合实现的。USB设备包括集线器（Hub）和功能部件（Function）两种类型。集线器为USB提供了更多的连接点,功能部件则为系统提供了具体的功能。USB的物理连接为分层星型布局,每个集线器处于星型布局的中心,与其他集线器或功能部件点对点连接。根集线器置于主机系统内部，用以提供对外的USB连接点。图6-18USB总线拓扑结构6.4.2USB的系统描述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。VBUSD—GNDD+VBUSD+D—GND分两种数据传输模式：12Mb/s高速信号模式和1.5Mb/s低速信号模式,两种模式可在同一USB总线传输时自动切换。由于过多采用低速模式会降低总线的利用率,因此该模式只支持有限几个低速设备（如鼠标等）。若采用同步传送方式,时钟信号与差分数据将一同发送（时钟信号转换成单极性非归零码）,每个数据包中均带有同步信号以保证接收方还原出时钟。UBUS、GND两条线用来向USB设备提供电源。UBUS的电压为+5V。为了保证足够的输入电压和终端阻抗,重要的终端设备应位于电缆尾部,每个端口都可检测终端是否连接或分离,并区分出高速或低速设备。所有设备都有一个上行或下行的连接器,上行连接器和下行连接器不可互换,因而避免了集线器间非法的、循环往复的连接。同一根电缆中还有一对互相缠绕的数据线。连结器有4个方向,并带有屏蔽层,以避免外界的干扰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。需要主机提供电源的设备称做总线供电设备（如键盘、输入笔和鼠标等）。自带电源设备被称做自供电设备。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。图6-19USB电缆及信号USB主机控制器(负责激活USB系统的处理动作)/根集线器(提供USB连接端口或USB集线器)

主机根集线器Hub端口USB设备HubHub端口USB设备USB设备：

USBDEVICE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USBHOST的数据包与USBHOST进行数据传输。低速设备：键盘、鼠标高速设备：CCD、移动硬盘USB系统的基本构架USB集线器

提供USB连接端口给USB设备或USB集线器来使用。用于设备扩展连接，所有USBDEVICE都连接在USBHUB的端口上。一个USBHOST总与一个根HUB(USBROOTHUB)相连。4条引线：+5V电源线、地和两个信号线当端口没有连接USB设备时，信号线上电平恒为0；当有设备连接至端口，一条数据线被提升，趋近于3.3V，而另一条仍维持接地状态，就可以确定有设备连接上。USB电气特性总线供电设备：键盘、鼠标自供电设备：打印机、扫描仪等

6.4.3USB总线协议(课后了解)每次传送开始时，主机控制器将发送一个描述传输的操作种类、方向、USB设备地址和端口号的USB数据包，被称为标记包USB设备从解码后的数据包的适当位置取出属于自己的数据。传输开始时，由标记包来设置数据的传输方向，然后发送端发送数据包，接收端则发送一个对应的握手数据包以表明是否发送成功。多数信道在USB设备设置完成后才会存在。而默认控制信道当设备一启动后即存在，从而为设备的设置、状况查询和输入控制信息提供了方便。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。

6.4.4USB数据流(课后了解)控制传送：控制传送采用了严格的差错控制机制，其数据传送是无损的。批传送：批量数据即大量数据，如打印机和扫描仪中所使用的数据。中断传送：中断数据是少量的，要求传送延迟时间短的数据。这种数据可由设备在任何时刻发送,并且以不慢于设备指定的速度在USB上传送。中断数据一般由事件通告、特征及坐标组成,只有一个或几个字节。

4)同步传送：在建立、传送和使用同步数据时，需满足其连续性和实时性，使同步数据以稳定的速率发送和接收。为使接收方保持相同的时间安排,同步信道带宽的确定必须满足对相关功能部件的取样特征。除了传输速率,同步数据对传送延迟非常敏感,因此也须做相关处理。一个典型的例子是声音传送,如果数据流的传输速率不能保证,则数据丢失将取决于缓冲区和帧的大小。主机与设备之间的通信。有4种基本的数据传送类型

6.4.5USB的容错性能(课后了解)USB提供了多种数据传输机制，极大地保证了数据的可靠传输。如使用差分驱动的接收和防护，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。循环冗余码可对1位或2位的错误进行100%的恢复。在错误处理方面，协议在硬件和软件上均有措施。硬件的错误处理包括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3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。

6.4.6USB设备图6-20USB集线器示意图集线器功能部件USB设备有集线器和功能部件两类。在即插即用的USB结构体系中,集线器简化了USB互连的复杂性,可使更多不同性质的设备连入USB系统中。集线器各连接点被称作端口,上行端口向主机方向连接（每个集线器只有1个上行端口）,下行端口可连接另外的集线器或功能部件。集线器具有检测每个下行端口设备的安装或拆卸的功能,并可对下行端口的设备分配能源,每个下行端口可辨别所连接的设备是高速还是低速。集线器包括两部分：集线控制器和集线再生器。集线再生器位于上行端口和下行端口之间,可放大衰减的信号和恢复畸变的信号,并且支持复位、挂起、唤醒等功能。通过集线控制器所带的接口寄存器,可使主机对集线器的状态参数和控制命令进行设置,并监视和控制其端口。功能部件是通过总线进行发送数据、接收数据或控制信息的USB设备,由一根电缆连在集线器某个端口上。功能部件一般相互独立,但也有一种复合设备,其中有多个功能部件和一个内置集线器,并共同利用一根USB电缆。每个功能部件都含有描述该设备的性能和所需资源的设置信息。主机应在功能部件使用前对其设置,如分配USB带宽等。定位设备（鼠标、光笔）、输入设备（键盘）、输出设备（打印机）等都属于功能部件。

6.4.7USB系统设置USB设备可随时安装或拆卸，所有USB设备连接在USB系统的某个端口上。集线器有一个状态指示器，可指明USB设备的连接状态。主机将所有集线器排成队列以取回USB设备的连接状态信号。在USB设备安装后，主机通过设备控制信道来激活该端口，并将默认的地址值赋给USB设备(主机对每个设备指定了唯一的USB地址)，同时检测这种新安装的USB设备是下一级的集线器还是功能部件。如果安装的是集线器，并有外设连在其端口上，上述过程对每个USB设备的安装都要做一遍；如果安装的是功能部件，则主机关于该