智能仪器的通信接口技术

智能仪器第六章智能仪器的通信接口技术学习提纲1数据通信基础知识2串行通信原理及接口设计3并行通信原理及接口设计4USB通信原理及接口设计5其他通信接口技术1数据通信基础知识用途多智能仪器由通信接口组成自动测试系统网络化测试技术的发展趋势数据通信基础通信系统组成1数据通信基础知识信道的带宽和数据速率带宽：任何信道所能传输的信号的频率都有限数据速率：表征一个信道传输数字信号能力的指标，以每秒所能传送的二进制位为单位调制技术基带信号调制：由基带信号改变载波信号的参数的过程调制的方法：正弦波调制和脉冲调制模拟调制和数字调制多路复用技术频分多路复用和时分多路复用差错控制技术差错控制编码检错码和纠错码编码效率R奇偶校验码：检错码，编码效率高，只检1位差错方块校验：行和列校验确定出错位置，进而纠错循环冗余校验：检错能力强，易实现，应用广泛差错控制方法自动请求重发ARQ前向纠错FEC1数据通信基础知识1数据通信基础知识通信方式异步通信方式1帧信息以起始位和停止位来同步起始位与停止位之间是数据位和奇偶校验位LSB在先，两帧信息之间可用停止位任意延长接收原理：起始位开始计数，计数到1个数据位宽度一半时采样电平，确认各位，移位成1字节信息1数据通信基础知识同步通信方式信息帧：同步字符和数据块同步字符：1或2个特殊的8位二进制码数据块：原则上不限字节数，互相之间无空隙带同步时钟，收发双方绝对同步，硬件较异步复杂2串行通信原理及接口设计串行通信的基本概念逐位进行数据传输的通信方式串并转换波特率衡量数据传输速率的指标，每秒传输的二进制位数单工、半双工与全双工串行通信方式异步同步2串行通信原理及接口设计RS-232标准通信距离不大于15m，波特率不高于20kbps总线描述定义DCE与DTE之间串行数据传输的接口信息输出电平和检测电平：负逻辑接口标准：DB25和DB92串行通信原理及接口设计数据线TXD和RXD控制线RTS：请求发送CTS：允许发送DCD：数据载波检测DSR：DCE准备好DTR：DTE准备好RI：振铃指示2串行通信原理及接口设计RS-232常用系统连接2串行通信原理及接口设计电平转换MAX2322串行通信原理及接口设计RS485标准电气接口标准，只规定了平衡驱动器和接收器的电特性，没规定接插件传输电缆和通信协议基于单对平衡线的多点、双向、半双工通信链路特点共模电压范围：−7V~+12V最大输入电流：−0.8mA~1mA最大总线负载：32个最大传输速率：10Mbit/s最大电缆长度：100m2串行通信原理及接口设计MAX4852串行通信原理及接口设计串行通信实例要求甲机以78H、77H的内容为首地址，以76H、75H的内容为末地址，将外部数据存储器该段地址的存储值，通过串口发送给乙机，乙机将收到的数据存入甲机指定的存储单元。分析两机通信必须规定相同的数据传输格式和波特率，对同一型号单片机而言，设定相同的工作方式即可由于乙机存放数据的地址是由甲机规定的，所以在发送正式数据前，需要先发送存放数据的地址2串行通信原理及接口设计甲机发送程序TANSF:MOVSP,#60HMOVTMOD,#20H;设置T1工作在方式2MOVTL1，#0F3HMOVTH1,#0F3HSETBTR1;启动定时器

CLRTI;清中断标志位

MOVSCON,#50H;串行口初始化

MOVPCON,#80H;SMOD位置1

2串行通信原理及接口设计MOVSBUF,78HWAIT1:JNBTI,WAIT1;等待发完

CLRTIMOVSBUF,77HWAIT2:JNBTI,WAIT2;等待发完

CLRTIMOVSBUF,76HWAIT3:JNBTI,WAIT3;等待发完

CLRTIMOVSBUF,75HSETBES;允许串口中断

………….SJMP$;等待2串行通信原理及接口设计SINT:PUSHDPL;保护现场

PUSHDPHPUSHAMOVDPH,78H;取数并发走

MOVDPL,77HMOVXA,@DPTRCLRTIMOVSBUF,AMOVA,DPH;判断是否所有数据发完

CJNZA,76H,END1MOVA,DPLCJNZA,75H,END12串行通信原理及接口设计

CLRES;关闭中断

CLRET1CLRTR1ESCON:POPA;恢复现场

POPDPHPOPDPLRETIEND1：INC77H;低地址加1MOVA,77HJNZ02H;若低地址溢出，高加1INC78HSJMPESON3并行通信原理及接口设计Centronics标准并行接口GP-IB接口4USB通信原理及接口设计USB接口适于主机与各式各样“即插即用”外设之间的数据传输传输速率高达上百Mb/s，多个设备可同时操作，共享带宽特点*程福德即插即用：非常方便热插拔特性：不需要重新开机就可安装硬件最多连接127个设备：7位寻址传输速率高：USB1.1规范和USB2.0规范4USB通信原理及接口设计USB基本架构*程福德USB主机控制器/根集线器主控制器：USB控制核心根集线器：提供USB端口给USB集线器或USB设备USB集线器根集线器的功能延伸，提供更多的USB端口USB设备全速设备：12Mbps，面向U盘、移动硬盘等设备低速设备：1.5Mbps，面向键盘、鼠标等设备高速设备：总480Mbps，USB2.0规范，设备同全速4USB通信原理及接口设计架构框图4USB通信原理及接口设计USB电气特性*程福德接口组成D+和D−主机根集线器或集线器内，D+和D−由15k电阻上拉设备的D+或D−由1.5k电阻上拉至3.3V（全速/低速）主机每隔一段时间查询根集线器，检查D+和D−电位4USB通信原理及接口设计根据供电方式将USB设备分类总线供电集线器：由上游端口供电，但最多只能消耗500mA电流。自我供电集线器：拥有自己的电源，供给自身及所有下游设备，每个下游设备可供给500mA电流，而集线器自身最多可从上游端口消耗100mA。低功耗总线供电设备：由上游端口供电，每个设备最多消耗100mA电流。高功率总线供电设备：由上游端口供电，每个设备最多消耗100mA电流，配置后最多可消耗500mA。自我供电设备：设备可从上游端口消耗100mA电流。4USB通信原理及接口设计USB通信原理设备端点设备硬件上具有一定大小的数据缓冲区，主机通过端点与设备进行通信。主机与端点的通信是经过“管线”来完成的，一旦管线建立好，每个端点就会传回描述此设备的相关信息（描述符）给主机。信息包括：群组特性、传输类别、最大封包、带宽。端点只能单向传输数据，控制端点是双向传输数据，控制端点事实上是由共享一个端点号码的IN和OUT端点组成的。4USB通信原理及接口设计设备列举即插即用：可随时插拔，立即工作，重新连接后不需要重新安装驱动程序。第一次连接到USB总线时，主机做出列举检测的动作。列举的实质：通过一连串的介于主机和设备之间的控制传输来辨识与设置一个刚连上的USB设备程序，操作系统辨识一个新设备并决定其特定需求，然后加载适当的驱动程序，并分配其一个新的地址。USB描述符设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符、类描述符、报告描述符、字符串描述符4USB通信原理及接口设计设备列举过程设备插入PC主机的根集线器或USB集线器的端口集线器不断轮询端口状态，检测到电位变化就通知主机主机以预设的地址0响应这个新设备，取回设备描述符，以确认此设备是何种驱动程序主机配置一个单独的地址给该设备主机取回配置描述符，根据可使用的电源与带宽，给予设备配置的方式4USB通信原理及接口设计USB设备的接口设计设计方法采用专门的USB接口器件选用内部集成USB接口的单片机专用接口芯片——FT245R兼容USB1.1和USB2.0协议单芯片USB转并行接口，控制简单高传输速率，可达1MB/s内置FIFO：256B的接收缓冲器和128B的发送缓冲器内置EEPROM，3.3V~5.25V供电范围，内置3.3VD的LDO兼容5V~1.8V的电平逻辑4USB通信原理及接口设计FT245R内部组成4USB通信原理及接口设计FT245R引脚4USB通信原理及接口设计读写时序硬件设计

4USB通信原理及接口设计软件设计

……

;读数据

RJUG:JBP1.0，RJUGCLRP1.2MOVA,P0SETBP1.2

……4USB通信原理及接口设计软件设计

……

;写数据

WJUG:JBP1.1，WJUGSETBP1.3MOVP0，ACLRP1.3

……4USB通信原理及接口设计5其他通信接口技术以太网接口技术智能仪器通过以太网接口挂接到网络上，构成网络仪器概述采用总线型网络拓扑结构传输介质：铜缆、双绞线、光缆信号制式：基带信号，曼彻斯特编码TCP/IP协议TCP：传输控制协议IP：互联网协议5层：物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层以太网控制器——CS8900A5其他通信接口技术现场总线CAN接口技术控制局域网总线，德国Bosch提出，汽车应用特点采用多主竞争式总线结构采用不同优先级点对点、点对多点、点对网络最远距离10km，节点数量110个数据采用短帧结构，每帧有效数据8字节多种传输介质：双绞线、光纤突出的可靠性、实时性、灵活性5其他通信接口技术CAN总线控制器——SJA1000接口管理逻辑：解释CPU的命令，向CPU提供信息发送缓冲器：CPU与位流处理器的桥梁接收缓冲器：CPU与验收滤波器的桥梁验收滤波器：验收收到的报文标识码，确定是否接收位流处理器：控制发送和接收逻辑（检/纠错、仲裁）CAN总线驱动器——PCA82C250驱动输出，含限流电路防止输出与电源、地短路硬件设计5其他通信接口技术软件流程设计5其他通信接口技术附录资料：不需要的可以自行删除2023/3/14甲醇合成工艺介绍一、课题的研究背景和意义甲醇是一种具有多种用途的基本有机化工产品，除了在化工方面的多种应用外，它还可以作为清洁燃料在汽车中代替汽油或与汽油掺混使用，以甲醇为燃料的燃料电池也即将投入商业运行。另外，甲醇在变压吸附制氢中作为裂解原料也得到了初步利用。另一方面，用甲醇制取微生物蛋白(SCP)作为饲料乃至食品添加剂有着巨大的市场潜力。二、甲醇的合成方法及流程

（1）木材干馏法

在1924年以前，甲醇几乎全部是用木材分解干馏来生产的。甲醇的世界产量当时只有4500t。用60－100kg木材干馏只能获得约1kg的甲醇，1m3白桦木只能制得5－6kg的甲醇，而1m3的针叶树木只能得到2－3kg的甲醇。这种“森林化学”的甲醇含有丙酮和其他杂质，要从甲醇中除去这些杂质比较困难。由于甲醇的需要量与日俱增，木材干馏法不能满足需要。因此人们开始采用化学合成的方法生产甲醇。（2）气相合成甲醇法气相合成甲醇的主要反应式为：CO+2H2＝CH3OH(g) △H=-90.8kJ/mol①当有CO2存在时，CO2按下列反应生成甲醇：CO2+H2＝CO+H2O(g) △H=+41.3kJ/mol ②CO+2H2＝CH3OH(g) △H=-90.8kJ/mol ③上述②、③两步的总反应式为：CO2+3H2＝CH3OH(g)+H2O(g)△H=-49.5kJ/mol副反应产物：成烃、高碳醇、醚、醛、酸、酯及单质碳等；反应特点：强放热反应；

以甲烷或者一氧化碳与氢气的混合气为原料气合成甲醇的方法有高压、中压和低压三种方法。高压法：即用二氧化碳与氢在高温（340－420℃）高压（30.0－50.0MPa）下用锌-铬氧化物催化剂合成甲醇。用此法生产甲醇已有七十多年的历史，这是八十年代以前世界各国生产甲醇的主要方法。高压法合成甲醇由于操作压力高，动力消耗大，设备复杂，产品质量差等缺点正在逐渐淘汰。2023/3/14高压法(25MPa~32MPa）甲醇合成工艺流程低压法：

即用一氧化碳与氢气为原料在低压（5.0MPa）和275℃左右的温度下，采用铜基催化剂（Cu-Zn-Cr）合成甲醇。低压法成功的关键是采用了铜基催化剂，它的活性和选择性比锌-铬催化剂活性好得多，使甲醇合成反应能在较低的压力和温度下进行。因此，消耗在副反应中原料气和粗甲醇中的杂质都比较少。低压法合成工艺主要有英国帝国化学公司（ICI）和德国鲁奇（Lurqi）的工艺

2023/3/14ICI法低压甲醇合成工艺流程

工艺流程特点：相对低的温度和压力下操作，节省能耗，同时抑制甲烷化反应及其他副反应；采用多段冷激式合成塔，结构简单，催化剂装卸方便，使用寿命长。

2023/3/14第二章液体燃料及其添加剂50ICI多段冷激型甲醇合成反应器ICI多段冷激塔结构特点：反应床层由若干绝热段组成，两段之间通入冷的原料气，使反应气体冷却，以使各段的温度维持在一定值；塔体是空筒，塔内无催化剂筐，催化剂不分层，由惰性材料支撑，冷激气体喷管直接插入床层，并有特殊设计的菱形冷却气体分布器；优点：单塔操作能力大，控温方便，冷激采用菱形分布器专利技术，催化剂层上下贯通，装卸方便，易于放大，目前普通塔的容量为2300t/d，高空隙率塔的容量达7600t/d；缺点：催化剂床层温差较大（轴向：～70℃，径向：～23℃）、有部分气体与未反应气体之间的返混、催化剂时空产率不高，用量较大、单程转化率较低（仅为15%～20%）。ICI多段冷激型甲醇合成反应器

2023/3/14Lurgi法低压甲醇合成工艺流程

2023/3/14第二章液体燃料及其添加剂52Lurgi管壳型甲醇合成反应器结构特点：形似列管式换热器，在塔内，列管中装填催化剂，管间为沸腾水；原料气与出塔气换热至230℃左右进入合成塔，反应放出的热经管壁传给管间的沸腾水，产生4MPa左右的饱和蒸汽，用来驱动透平压缩机。合成塔全系统的温度条件用蒸汽压来控制，从而保证催化剂床层大致为等温。优点：催化剂床层温差较小、单程转化率较高（可达50%）、催化剂使用寿命较长（4年～5年）、热能利用合理、设备紧凑，开停车方便，合成反应过程中副反应少，甲醇质量高。缺点：结构复杂、制作较困难、材料要求高、放大较困难。经典管壳塔的最大生产能力（经济型塔）为1500t/d。全世界现有Lurgi装置37套，甲醇总生产能力达1600万t/a以上。中压法：

中压法是在低压法研究基础上进一步发展起来的，由于低压法操作压力低，导致设备体积相当庞大，不利于甲醇生产的大型化。因此发展了压力为10MPa左右的甲醇中压合成法。它能更有效的降低建厂费用和甲醇生产成本。中压法的操作压力范围为一般为1