接口和总线-2课件

五、I2C总线

1．I2C总线概述

I2C总线(InterIntegrateCircuitsBus)(SDA数据线和SCL)连接多个具有I2C总线接口的器件,在器件之间进行数据传送。I2C总线数据传送速率最高可达400kbit/s,主要用于单片机的系统扩展和多机通信。为此,I2C总线接口的外围器件。接口和总线-2

I2C总线具有以下特征:1)一个完整的I2C总线系统至少由一个微处理器和其他外围器件如存储器、I/O扩展口、显示驱动器等组成。系统与各种器件的连接最简单,成本最低。

2)I2C总线是一种无中心主机的多主机总线,它可以在主机和分机之间双向传送数据。各主机可以任意同时发送而不破坏总线上的数据。接口和总线-23)I2C总线通信是一种同步通信。同步时钟允许器件通过总线以不同波特率通信,同时它还可以用作停止和开始串行口发送的应答。4)I2C总线系统通常用于控制而无需高速数据传送。5)I2C总线系统支持NMOS、CMOS、HCMOS等多种制造工艺。6)I2C总线可以用于测试和错误诊断。接口和总线-22．I2C总线的结构

I2C总线由串行数据线(SDA)与串行时钟线(SCL)构成,总线上可以接若干个单片微机和外围器件,每一个器件可由一个唯一的地址确定,总线上的硬件资源由各个CPU共享。I2C总线用于单片机的系统扩展时,总线上只有一个CPU。这种串行系统扩展方式比并行的系统扩展方式占用I/O线少,硬件结构紧凑、合理、体积小,但工作速度较慢。

接口和总线-2I2C总线还可以用于多机系统。在这种系统中,单片机之间可以直接通信,也可以通过公共存储器间接通信。图11为I2C系统的典型结构。

图11I2C总线总体典型结构接口和总线-2I2C总线上的主器件是在时钟线(SCL)上产生时钟脉冲,在数据线(SDA)上产生寻址信号、开始条件、停止条件,建立数据传输的器件,任何被寻址选中的器件都被看成是从器件。单片微机在I2C总线上既可做主器件(主发送或主接收),也可做从器件(从发送或从接收)。而外围器件一般只能做从器件(从发送或从接收)。接口和总线-2I2C总线上不论任何器件都能作为发送器或接收器工作。发送或接收取决于器件功能和软件的设置。显然LCD(液晶显示器)驱动器仅能做接收器,而单片微机、存储器既可做发送器也可做接收器。接口和总线-2

工作过程中,数据线(SDA)上的信息通常是成组的双向传送。通信开始时,若总线空闲,主器件产生通信的开始条件(在SCL高电平时,SDA产生负跳变)。通信结束,主器件产生一个通信结束条件(在SCL高电平时,SDA产生正跳变),停止工作并释放总线。起/停条件总是由主机产生,一旦开始,总线被认为处于忙态。停止后,总线又处于闲态。接口和总线-2通信中,CPU只对相关的特殊功能寄存器进行操作,数据的移位、发送或接收以及总线忙/闲状态检测都是由I2C接口硬件完成。而不带I2C接口的微处理器就只得以每个时钟期间2次的速率对SDA线采样,才能了解总线忙/闲情况的变化。串行数据线上的数据在时钟脉冲为高期间必须保持稳定,数据线上的数据只能在串行时钟线(SCL)上的时钟信号为低时发生改变。

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串行数据(SDA)和串行时钟(SCL)线都需要通过一个上拉电阻连到电源线上。当总线空闲时,两线均处于高电平。为完成"线"与功能,连到总线上的器件都必须是漏极开路或集电极开路输出。图12是I2C总线器件的线与结构,I2C总线上数据传送速度可高达100kbit/s,快速模式为400kbit/s;I2C总线电容量为400pF,因此总线上可连接器件的数量是有限的。接口和总线-2图12I2C总线器件的线与结构接口和总线-2

3．I2C总线的数据传输（1）数据格式通信过程中,I2C总线传输的数据由字节组成,其数据量的大小没有限制。数据中每个字节长度为8位,每个字节后面须紧跟一个应答位。数据在SDA线上传输时,首先传送最高有效位(MSB)。接口和总线-2若一个接收器已经完成了一些其他的功能后还不能接收到一个完整的数据字节时(如内部中断服务功能),它会把串行时钟线保持为低电平,以迫使发送器进入等待状态。当接收器为接受下一个数据字节做好准备并释放SCL线后,数据传输方可继续。接口和总线-2

数据传输格式如图13所示。出现开始条件后,首先,由主器件发出从器件地址。此地址长7位,第8位是从器件的数据方向位(R/W,即读/写),其中"0"表明是发送(写)；"1"表明对数据的需求(读)。数据传输过程以主器件产生停止条件而中止。若主器件仍希望在总线上通信,不产生停止条件,就可以再次发出开始信号和从机地址。接口和总线-2图13I2C总线的数据传输格式接口和总线-2

根据数据方向位(R/W)的状态。I2C总线上的数据传送方式可分为二类:

1)数据从主器件(发送器)传送到从器件(接收器)。从器件发送的第一个字节是从器件地址及数据传送方向位"1",接着是许多数据字节。从器件每收到一个字节后送一个应答位。

接口和总线-22)数据从从器件(发送器)传送到主器件(接收器)。主器件发送第一个字节对从器件寻址并设置数据传送方向位"0"。从器件回送一个应答位,接着由从器件把许多数据字节传送给主器件。主器件除了最后一字节外,在收到每一个字节后回送一个应答位。接口和总线-2图12I2C总线器件的线与结构接口和总线-2R/W方式在一次数据传送过程内是可以发生改变的。要改变传输方向,需重复开始条件和从机地址,而R/W位必须反向。在第一个应答位出现后,主发送器就变成了主接收器,同时从接收器变成从发送器。应答位仍由从器件产生,停止条件由主器件产生。接口和总线-2

（2）数据识别

I2C总线系统中主器件在传送每一个字节后都在SCL线上产生一个识别相关时钟脉冲(ACK)。在识别相关时钟脉冲期间,发送器释放SDA线(保持为高),而接收器将SDA线拉为低电平发出应答位信号。这样在识别相关时钟脉冲持续期间,SDA线将稳定地维持低电平。接口和总线-2

被选中的接收器在每一个字节被接收后将被迫产生一个应答位。当一从接收器没产生应答时,如因为它正在完成一些实时功能而来不及接收,数据线就必须由从机抬高。主器件随后产生停止信号废止这次传输。

若从接收器识别出了从器件地址,但过一段时间后又不能再从这次传输中收到数据字节,则此时从器件在第一个字节后不产生应答位,使SDA线维持为高,于是主器件必须废除本次的传输,发出停止信号。接口和总线-2

若传输中有主接收器参与,则它在最尾端一个字节后不产生一应答位,而向从发送器发出一个数据结束信号。这时从发送器则释放SDA线以允许主器件发出停止信号。接口和总线-2

4．数据传输中的器件同步与竞争

（1）器件的同步

所有能在I2C总线上传输信息的主器件都产生它自己的时钟信号,并送到时钟线(SCL)上。为解决总线上的器件相互之间的竞争问题,必须由总线协议确定一个同步时钟。同步时钟是利用I2C接口连到时钟线上的器件的"线与"来完成的。时钟上一个由高到低的变化会使有关的器件对"空格0"开始计数。接口和总线-2若器件A的时钟变低,它就开始控制时钟线(SCL)为"低"状态,直至时钟"高"状态的到来。如果其他器件(如B)的时钟仍然处于低电平,那么A时钟由低到高变化也不可能改变时钟线(SCL)的"低"状态,时钟线将被具有最长"空格0"的器件维持为"低"。此时,具有较短"空格0"的器件会进入高电平的等待状态。接口和总线-2

图14为同步时钟形成示意图,从图中可看出,当所有器件都已计数完"空格0"时,时钟线被释放由"低"变"高",这时器件时钟和时钟线(SCL)的状态完全一样,并且所有器件都开始对"标志1"计数。第一个结束"标志1"的器件将再次将时钟线降为"空格0"状态。接口和总线-2图14同步时钟的形成

这种方法产生的同步时钟线(SCL)的时钟,其"空格0"由具有最长"空格0"的器件决定,而时钟的"标志1"由具有最短时钟"标志1"的器件决定。

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（2）器件的竞争

I2C总线上接有多个微处理器时,意味着多个主器件可能会同时开始它们的数据传输,多器件的数据传输会在SCL线高电平期间,在SDA线上发生竞争问题。为避免竞争造成数据传输混乱,I2C总线硬件中设置了竞争裁决电路。竞争期间SCL线上的时钟信号是所有主器件产生的时钟信号"线与"的结果。所以若有两个或更多的主器件欲通过I2C总线传输信息,在其他器件输出"0"时,产生"1"的器件将失去对总线的控制权。接口和总线-2

当一个主器件发送出高电平,而另一个主器件同时发送低电平时,数据线(SDA)就会发生竞争。发送高电平的主器件会因为总线上的电平不能与自己的发送电平保持一致而关断自己的数据输出,其关断过程不影响取胜主器件的数据传输。

图15描述了两个主器件的竞争过程。接口和总线-2图15多主器件的竞争表1消息的表示法接口和总线-2I2C总线的控制仅取决于竞争胜利的主器件发送的数据和地址,因此,总线上的主器件既没有中心主机,也没有任何优先级别。

器件的竞争可能持续许多位。器件竞争首先进行地址位的比较,当多个主器件同时选中同一个从器件时,竞争将继续进行数据比较。I2C总线上用于竞争的地址与数据信息在竞争期间是不会丢失的。接口和总线-2

参与器件竞争的主器件会产生一连串的时钟脉冲,直至竞争失败时刻、字节的结束,才停止发送时钟。具有从器件功能的主器件若在选址阶段竞争失败,它有可能被竞争胜利的主器件选中为从器件,因此该器件必须停止时钟发送,马上转入从接收器模式。接口和总线-2

（3）器件的握手应答

所谓握手应答,是I2C总线系统利用时钟同步机制,使接收器与快速数据传送协调地工作。

在以字节为单位的传输过程中,器件可能被用于快速接收或快速发送数据,这时它需要一定的时间来存储收到的字节或准备下一个要发送的字节。接口和总线-2因此,从器件在接收完一个字节与应答位后,应使SCL线保持为低电平,以迫使主器件进入等待状态,直至从器件为下一个字节的传送作好准备为止。

以位传输时,可以延长每一个时钟空格"0"时期而使总线的时钟变慢,使任何主器件的速度都得适应传输器件的运行速度。接口和总线-2

5．数据传输的寻址

（1）字节的定义

I2C总线系统规定:信号开始后的第一字节用于寻址,以确定哪一个从器件被主器件选定。第一字节中头7位组成了从器件的地址,第八位规定了数据的走向。若LSB为0,意味着主器件要向选中的从器件写信息:若LSB为1,则主器件要从从器件读信息。接口和总线-2

地址发送后,系统上的每个器件都必须将第一字节的头7位与各自的地址相比较。地址匹配时,器件将认为自己被主器件选中,并按照R/W位决定自己是从发送还是从接收。

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从器件地址由固定与可编程两部分构成。地址的固定部分为器件名称,PHILIPS公司已予规定;而可编程部分则决定了系统中最多可连结这种器件的个数。例如,某器件地址有3位可编程位,则同一个I2C总线上可连接8个这样的器件。

七位地址为0000000,用作全呼叫地址;11110××被保留用于从器件的10位寻址。接口和总线-2（2）全呼叫地址

能选中所有器件的地址叫全呼叫地址。图16为全呼叫格式。

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当主器件进行全地址呼叫时,除被设计为不响应这个地址的器件外,其余所有的器件都应作出识别响应并以从接收器的身份行动。当采用全呼叫地址时,第二个字节定义要产生的操作。

I2C总线系统对全呼叫地址中第二个字节的含义根据其最低位是"0"还是"1",有不同定义。接口和总线-21)LSB位为“0”

LSB位为“0”时,第二字节规定如下:

00000110(06H):由硬件复位并写从器件地址的可编程部分。在收到这两字节时,所有被设计成对全呼叫地址反应的器件都复位并获得其地址的可编程部分。接口和总线-200000100(04H):仅由硬件写从器件地址的可编程部分。所有被硬件定义了其地址可编程部分的器件(被设计能对全呼叫地址有回应)在收到两字节序列后,将锁存这可编程部分,但器件并不复位。

H00000000(00H):此代码禁止用作第二字节。

其余的代码是不固定的,器件必须忽视这些代码。接口和总线-22)LSB位为“1”

当LSB位为"1"时,这两字节序列是硬件全呼叫,由一个硬件主器件发送(如键盘扫描器)。因为硬件主器件预先并不知道信息要传送到哪一个从器件,因而不能被编程来发送一个要求的从器件地址。它只能产生这种硬件全呼叫自己的地址,从而把自己推荐给系统。被连到总线上的智能器件,如微处理器等,能认出保存在第二字节中的硬件主器件的地址(高七位),从而能控制来自硬件主器件的信息。该硬件主器件也能(若能)作为一个从器件,此时的从器件地址和主器件地址相同。接口和总线-2（3）数据传输的起始字节

智能检测系统的单片机可以用两种方式连到I2C总线上。若单片机内部有硬件I2C总线接口,则它可以被编程仅响应来自I2C总线的中断申请;若单片机内部没有I2C总线接口,它必须通过软件不断地监视总线。显然单片机用于监视和终端查询的时间越多,它能用于完成其预期功能的时间越少。接口和总线-2因此,快速带硬件接口的器件与依靠软件查询的慢速单片机二者的速度是不同的。此时,数据传输之前要加上一个比平常长得多的开始过程。这个过程包括:一个开始信号(S)、一个开始字节(01H)、一个识别时钟脉冲(ACK)和一个重复的开始信号(Sr)。数据传输的起始格式如图17所示。接口和总线-2图17数据传输的起始字节格式

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请求总线访问的主器件发送信号S后,再发送开始字节01H。而另一个单片机可用较低的采样速度去对SDA线采样,直到开始字节中的“0”被发现为止。发现SDA线上有低电平后,单片机转换到一个较高的采样速度去查找第二个开始信号Sr。Sr条件用于同步,当它被接收到时,硬件接收器使复位,此时开始字节失去作用。

开始字节后,会产生一个相关的识别时钟脉冲(ACK),配合总线的字节运行格式,禁止任何器件对开始字节作出识别响应。接口和总线-26．总线器件的输入/输出电气特性

I2C总线器件有固定的1.5V、3V输入电平,每一个器件都可以有自己的合适的电源。

总线的上拉电阻必须连到一个+5V10%的电源上。对于输入电平与电源电压VDD有关的I2C总线器件,必须采用同一个电源,而且上拉电阻也必须接到该电源上。当固定输入电平的器件和输入电平与电源电压VDD有关的器件混用时,后者必须采用同一个+5V±10%电源,而且总线的上拉电阻也必须接到该电源上。接口和总线-2输入电平规定为:

1)低电平的噪声极限为0.1VDD。

2)高电平的噪声极限为0.2VDD。

3)高达300的串行阻抗(Rs)可被用于防止SDA与SCL线上的高压尖峰脉冲的飞弧。

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在一个标准的I2C总线系统中,串行电阻(Rs)和上拉电阻(Rp)的阻值的大小取决于电源电压、总线容量和总线上联接的器件数(输入电流+漏电流)。I2C总线器件的SDA与SCL两插脚的最大电容量是10pF,每根总线上的允许最大电容是400pF(包括导线本身的电容和连到它的插脚间的电容)。接口和总线-2六、VXI总线系统

1979年,美国MOTOROLA公司公布了一份关于68000微处理机专用总线的使用说明书,即著名的VERSA总线。在公布VERSA总线的同时,也研究开发了一种新的印刷线路板标准——EUROCARD标准,即IEC297—3标准。

接口和总线-2VXI总线(VMEbusExtensionsforinstrumentation)是1981年由MOTOROLA、MOSTEK和SIGNETICS三大公司共同宣布的支持具有EUROCARD模件尺寸、基于VERSA总线的接插件系列的标准总线。不久之后,全世界许多计算机和仪器仪表公司加入VXI总线联合体。VXI总线是VEM总线在检测技术领域的扩展。为适应当代智能检测技术的发展,1987年又对标准进行了更新,允许用户将不同厂家的模块用于一个系统的同一机箱内,从而为智能检测系统的设计提供了极为方便的途径。接口和总线-2

1．VXI总线的特点

VXI总线具有高速通信和易于组合的优点,集中了智能仪器、个人仪器和自动测试系统的许多特长,已在智能检测系统中获得广泛应用。接口和总线-2(1)高速传输实时检测、实时控制、实时任务处理对检测速度的要求越来越高,采用VXI总线的检测系统可把主机架上的一些仪器作为一个整体来处理,系统内的信息通过背板上的印制总线来传递。由于可采用插件对插件的本地通信方式,并且可组成多CPU的分布式系统,最高传输速率可达40Mbit/s以上。接口和总线-2(2)模块式结构

VXI总线系统可采用不同国度、不同厂商的插件式仪器和其他插件式器件组成智能检测系统。VXI总线系统内的所有器件都是插件式的,对插件和主机架的尺寸都有严格的规定。接口和总线-2(3)小型便携

智能检测系统的一个发展方向是小型化、便携式、易于互连。在采用VXI总线的检测系统中,插件和机架的尺寸已有严格规定,VXI总线印制在主机架背板的多层印刷电路板中,插件与背板上VXI总线用确定的连接器连接,使系统在机械与电气上相容。由于系统内所有的插件都固定在一个或几个主机架内,系统有紧凑的整体性和小型便携性。接口和总线-2(4)灵活性强

VXI总线系统将标准化与灵活性和谐地统一起来,不仅可由一个或几个插件组成一个器件,也允许一个插件包含一个或多个器件,甚至允许存储器等器件为多个器件所公用,从而使智能检测系统的结构更开放,便于组成多CPU的分布式系统。接口和总线-2

对VXI系统的控制,可由主机架外的PC机或联于计算机网络的计算机实施,连接方式可采用RS-232接口或直接采用微机总线。此外,VXI总线为检测系统提供了数据传输、中断、时钟、触发、本地总线、模拟信号线、多种电源线等多种总线,因此,VXI总线系统既适用于数字仪器,又适用于模拟仪器,还便于传递8位、16位、24位、32位等多种形式的数据。

VXI系统便于组成"积木"式智能检测系统,易于更换技术上较陈旧的插件,增添新的插件,保持系统的先进性,实现系统的升级。接口和总线-22．VXI系统的组成

采用VXI总线的智能检测系统通常称为VXI系统。每台主机架构成一个VXI子系统,每个子系统包含最多13个器件，VXI系统最多可包含256个器件,一个器件是一个单独的插件,也可根据系统的实际需要,在一个插件上安放多个器件,或由多块插件组成一个器件。插件与VXI总线通过连接器连接。接口和总线-2

符合VXI系统要求的插件插入主机架并与连接器接牢后方可工作。插件尺寸有10cm×16cm、23.3cm×16cm、23.3cm×34cm、36.7cm×34cm等几种。为大尺寸插件设计的主机架,允许插入小尺寸的插件。连接器均为3排,每排32个引脚,因此连接器都是96插脚的DIN接插件。不同尺寸的插件可选用不同的主机架,每台主机可容纳13个插件。接口和总线-2

3．VXI系统的总线结构

在VXI系统中,命令、数据、地址和其他信息都是通过总线传递。印制在主机箱内的背板上的VXI总线通过3个连接器P1、P2、P3与器件相连。VXI系统的总线可分为8种:接口和总线-2图18VXI总线连接器的总线情况

接口和总线-21)VME计算机总线。

2)时钟和同步总线。

3)模件识别总线。

4)触发总线。

5)相加总线。

6)本地总线。

7)星形总线。

8)电源总线。

3个连接器P1、P2、P3的连接情况如图18所示。接口和总线-2

4．VXI总线器件与通信

在VXI总线系统中,器件是系统的基本逻辑单元。计算机、计数器、数字仪表、信号发生器、多路开关、人机接口等,都可作为器件加入VXI总线系统。

VXI总线对所有VXI器件都规定了一些最基本的功能,可以实现系统和存储器的自动组态。接口和总线-2每个VXI器件都有一组"组态寄存器",系统通过VME总线的连接器P1访问组态寄存器,可识别器件的种类、型号、生产厂家、地址空间和存储器需求等。具有这些基本能力的VXI器件称为"基于存储器的器件"。有一类器件除具有组态寄存器外,还有一组可由系统中其他模块访问的通信寄存器,通过使用某种通信协议,可实现与系统中其他器件的通信,这类器件称为"基于消息的器件"。接口和总线-2

VXI系统中,ROM、RAM和其他类型的存储器称为“存储器器件”。

VXI器件之间的通信基于器件的分层关系,相互通信的器件,一个是"命令者",一个是"从者"。单CPU系统中,CPU器件是命令者,其他器件是从者。多CPU系统中,分机需要通过公共接口与主机通信。接口和总线-2七、RS-232C接口

1．概述

RS-232C接口是美国电子工业协会1969年公布的一种串行标准接口,已获得广泛使用。制订这种EIARS标准的最初目的是为了促进利用公用电话网络进行数据通信。接口和总线-2

计算机与电话网络的连接,一般采用调制解调器(简称MODEM)来实现。调制解调器将由逻辑"1"、"0"表示的一系列高、低电压转换为相应的高、低频率信号；在通信设备的另一端,另一个调制解调器将频率变回一系列的高、低电压,由此可实现计算机与电话网络的相容。接口和总线-2

利用PC机上网(如国际互联网INTERNET)实现远距离访问,需要使用调制解调器,通过电话网进行远距离的信息交换。近距离范围内,PC机与PC机、智能检测系统的分机与PC机(主机)间的通信,可不必使用调制解调器,而采用RS-232C接口。因为一般微型计算机(PC机、工控机)都配备有RS-232串行通信接口,所以在智能检测系统中采用RS-232串行通信是一种最简便的通信方式。接口和总线-2RS-232C接口使用25针D型转插,定义了20条可以同外界联系的信号线,并对它们的功能作了具体的规定。常用的信号线如表5所示。

接口和总线-2表5常用的RS-233C接口信号接口和总线-2RS-232接口的标准电平与TTL和CMOS电平不同,在负载为3~7k时,RS-232C接口对开关电平的规定是:

(1)驱动器的输出电平

逻辑"0":+5~+15V(或+25V)

逻辑"1":-5~-15V(或-25V)接口和总线-2

(2)接收器的输入检测电平逻辑"0":>+3V逻辑"1":<-3VRS-232接口的通信波特率可选用50、75、150、300、600、1200、2400、4800、9600或19200。接口和总线-2

2．RS-232C串行通信数据格式

RS-232C串行通信数据格式有以下两种:

(1)9位数据传送方式

如图19a所示,这种方式将所有的数据全转变为ASCII字符传送,每个ASCII字符采用9位或10位传送,第1位是起始位0,第2至第8位为ASCII字符位,第9位为奇偶校验位,第10位为结束位。其中起始位和结束位用于校准发送装置、接收装置的局部时钟同步,使中间的每一位都能被正确地接收;奇偶校验位用于通信出错奇偶校验;ASCII字符位即传送的数据。数据传送时,最低位先发送。接口和总线-2(2)11位数据传送方式

如图19b所示,这种方式将所有的数据用二进制代码方式传送,传送的第1位是起始位0,第2至第9位为二进制数据,第10位为奇偶校验位或多机通信位,第11位为结束位。多机通信位用于多机通信时区分传送数据与分机地址。接口和总线-2图19RS-232C数据传输形式

a)9位数据传送方式b)11位数据传送方式

接口和总线-23．单片机与PC机之间的RS-232C串行通信接口

单片机与PC机之间的RS-232C串行通信接口需要完成电平移位、转换和信号反向任务。智能检测系统采用的RS-232C接口可利用单片机的串行口再加上RS-232C接口电平转换及驱动芯片发送(如MC1488)和接收(如MC1489),如图20所示.接口和总线-2图20单片机与PC机间的RS-232C

通信接口接口和总线-2

实际使用时,单片机的串行口都工作在1、2、或3方式,传输数据格式为9位,由四TXD端发送,RXD端接收。此时,定时/计数器1作为波特率发生器,工作于自动重装载方式。接口和总线-24．自带电源的集成RS-232C接口电路

图20所示的RS-232C接口需要多块芯片,需要外接+12V电源,硬件结构复杂。为方便用户使用,MOTOROLA、MAXIM、INTERSIL等公司相继推出了MC145407(MC145406)、MAXI232、ICL232等新型RS-232器件。这些器件在芯片内部设置有电源变换电路,可以将+5V电源电压变换成+10V电源,用于RS-232C通信。这些器件的最大优点还在于将驱动与接收电路集成在同一芯片上,使用十分方便。

接口和总线-2八、现场总线

1．现场总线的特点

在计算机测控系统发展的初期,由于计算机技术尚不发达,计算机价格昂贵,人们企图用一台计算机取代控制室的几乎所有的仪表,出现了集中式数字测控系统。但这种测控系统可靠性差,一旦计算机出现故障,就会造成整个系统瘫痪。随着计算机可靠性的提高,价格的大幅度下降,出现了集中、分散相结合的集散测控(DCS)系统。接口和总线-2

在DCS系统中,由测量传感器、变送器向计算机传送的信号为模拟信号,下位计算机和上位计算机之间传递的信号为数字信号,所以它是一种模拟数字混合系统。这种系统在功能和性能上有了很大的提高,曾被广泛采用。然而随着工业生产的发展,控制、管理水平及通信技术的提高,相对封闭的DCS系统已不能满足需要。接口和总线-2

现场总线是20世纪90年代初兴起的一种先进工业测控技术,与DCS相比有许多优点。它是一种全数字化、全分散式、全开放、多点通信的底层控制网络,是计算机技术、通信技术和测控技术的综合及集成。接口和总线-2

仪表的智能化是现场总线的基础,带有微处理器的仪表具有复杂的计算功能,能够把原DCS系统中处于控制室中的信号处理和控制功能分散到生产现场,从而实现测控系统的全分散性，简化了系统的结构,提高了系统的可靠性。现场设备的智能化使设备具有了数字通信的能力,同原DCS系统中现场仪表与控制室的信号传递为0~10mA,4~20mA及1~5V模拟信号相比具有更强的抗干扰能力,并为信息的远程传送创造了条件。接口和总线-2

现场总线的接线十分简单,一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备,因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少,连线设计与接头校对的工作量也大为减少。当需要增加现场控制设备时,无需增设新的电缆,可就近连接在原有的电缆上,既节省了投资,也减少了设计、安装工作量。接口和总线-2

因为现场总线产品都符合统一的标准,用户可以自由选择不同厂家的设备来集成系统,不会为系统集成过程中不兼容的协议、接口而花费大量精力,使系统集成的主动权掌握在用户手中。接口和总线-22．现场总线协议模型

要使不同厂家的计算机设备接入同一系统进行互联操作,就必须有一套对接口、服务协议的规范要求。为此,国际标准化组织ISO制定了开放系统互连的分层模型(OpenSystmInterconnection),简称OSI参考模型。OSI参考模型为不同厂家的计算机互连提供了一个共同的基础和标准框架,并为保持相关标准的一致性和兼容性提供共同的参考。一个系统是开放的,是指它可以与世界上任何地方的遵守相同标准的其他系统通信。接口和总线-2OSI参考模型将开放系统的通信功能划分为七个层次,将相似的功能集中在同一层中,功能差别较大的则分层处理,每层只对相邻的上下层定义接口。每一层的功能是独立的,它将利用下一层提供的服务,并对上一层提供服务。当引入新技术或增加新功能时,则可把由通信功能扩充、变更所带来的影响限制在有关的层内,而不必改动全部协议。接口和总线-2

如图21所示,OSI的七个层次分别为:物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。通常,物理层、数据链路层和网络层功能称为低层功能,即通信传送功能。传输层、会话层、表示层和应用层功能称为高层功能,即通信处理功能。接口和总线-2图21ISO/OSI参考模型

接口和总线-2

现场总线中运用较多的物理层、数据链路层和应用层的功能简介如下:

（1）物理层协议

物理层协议是网络中的最底层协议,它为互连的物理设备提供了物理接口,完成物理连接和传输通路的建立,为通过物理连接的数据链路实体之间提供透明的位流传输。接口和总线-2物理层规定了接口的机械特性(连接器的形状、尺寸、连接器的引脚数量及其排列情况)、电器特性(线路上电平的高低、阻抗及阻抗匹配、传输速率及距离限制)、功能特性(信号线的功能分配和定义)及规程特性(各信号线的工作规则和时序)。

以前讨论的RS-232C标准就是物理层接口协议。常用的物理层接口协议还有:RS-422,RS-485等。接口和总线-2（2）数据链路层协议

数据链路层协议用来处理有物理连接的站点间的通信工作,它的主要功能有:数据链路的建立和拆除、信息传输、传输差错控制及异常情况处理。

发送方数据链路层的具体工作是接收来自高层的数据,并将其加工成帧,然后经物理通道将帧发送给接收方,如图22所示。接口和总线-2图22数据链路协议工作图接口和总线-2帧包含头、尾、控制信息、数据、校验和等部分,校验和、头、尾部分一般由发送设备的硬件实现,数据链路层不必考虑其实现方法。当帧到达接收站时,首先检查校验和。若校验和错,则向接收计算机发出校验和错的中断信息;若校验和正确,确认无传输错误,则向接收计算机发送帧正确到达信息,接受方的数据链路层应检查帧中的控制信息,确认无误后,才能将数据送往高层。接口和总线-2（3）应用层协议

应用层是OSI模型的最高层,用来实现系统应用管理进程和用户应用进程。系统应用管理进程用以管理系统资源,如优化分配系统资源和控制资源的使用等。用户应用进程由用户的要求决定。通常的应用有数据库访问、分布计算和分布处理等。通用的应用程序有电子邮件、事务处理、文件传输协议和作业操作协议等。接口和总线-2

现场总线是面对工业现场的底层控制网络,针对大量的传感器、控制器、执行器等,一般信息量不大,信息传输的任务相对比较简单,但实时性、快速性的要求较高。为了低成本和高速度,减少一些层间的复杂操作和转化,现场总线采用的通信模型大都在OSI模型的基础上进行了不同程度的简化。接口和总线-2典型的现场总线协议模型采用了OSI模型中的三个典型层:物理层、数据链路层和应用层,省去了中间的3~6层。或根据现场总线的特点增设了一个其它功能层(如用户层或现场总线访问子层等)。

目前各类现场总线产品有上百种之多,这里仅选最具影响的三种予以简单介绍。

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3．PROFIBUS总线

PROFIBUS是(ProcessFieldbus)的简称。它是一种国际化的、开放的、不依赖于设备生产厂商的现场总线标准,由十三家工业企业及五家研究所历时两年多完成的。90年代初被定为德国国家标准(DIN19245),1998年又成为欧洲标准(EN50170)。接口和总线-2PROFIBUS协议将网络站点分为主站和从站。主站间以传递令牌的方式轮流掌握总线控制权,主站与从站间的数据通信由主站决定,当主站得到总线的控制权(令牌)时,没有外界请求也可以主动发送信息。从站为外围设备,他们没有总线控制权,仅对接收到的信息给以确认或当主站发出请求时向它发出信息。

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根据EN50170标准,PROFIBUS具有三种形式,即PROFIBUS-DP,PROFIBUS-PA,PROFIBUS-FMS,它们分别适用于不同的领域,但这三种形式使用的是统一的总线访问协议。接口和总线-2①PROFIBUF-DP(DecentralizedPeriphery分散型外围设备)。这是一种适用于进行高速数据传输的通信连接,它是专门为自动化系统与在设备级分散的I/O之间进行通信而设计的。它可取代24V或0~20mA测量值的传输,并具有非常短的响应时间和极高的抗干扰性能。接口和总线-2②PROFIBUS-PA(ProcessAutomation过程自动化)。这是一种适用于过程自动化的形式,它可以使传感器和执行器接在一根共用的总线上,根据IEC1158-2国际标准,PROFIBUS-PA采用双线进行总线供电和数据通信。由于应用了本质安全传输技术,因此,PROFIBUS-PA可以方便地运用于许多对安全性要求较高的场合。接口和总线-2③PROFIBUS—FMS(FieldbusMessageSpecification现场总线报文规范)。这是一种工业通信层次结构,用来解决车间级的通信任务,功能强大的FMS(现场总线报文规范),向用户提供了广阔的应用范围和更大的灵活性,同时PROFIBUS-FMS还具有更加强大的数据通信功能。接口和总线-2PROFIBUS协议遵循ISO/OSI模型,其通信模型由三层构成:物理层、数据链路层和应用层,其结构如图23所示。其中PROFIBUS-DP使用了第1层、第2层和用户接口,第3层到第7层未加定义,这种结构确保数据传输的快速性,用户接口规定了用户、系统以及不同设备可调用的应用功能,并提供了RS485传输技术和光纤传输技术。接口和总线-2PROFIBUS-PA采用扩展的"PROFIBUS-DP"协议,并采用了描述现场设备行为的PA行规,使用分段式耦合器,可以方便的将PROFIBUS-PA设备集成到PROFIBUS-DP网络中。PROFIBUS-FMS使用了ISO/OSI模型的第1层、第2层和第7层,应用层包括现场总线报文规范(FMS)和底层接口(LLI),第2层(FDL)可完成总线存取控制和数据的可靠传输,它还为PROFIBUS-FMS提供RS485和光纤传输技术。接口和总线-2图23PROFIBUS协议结构接口和总线-2

当PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS使用RS485传输技术时,传输介质为双绞线,带转发器最多可接127个站点,波特率9.6kb/s~12Mb/s。在电磁干扰很大的环境下应用PROFIBUS系统时可使用光纤以增加传输的距离。许多厂商提供专用的总线插头可进行RS485信号和光纤信号的转换。接口和总线-2PROFIBUS-PA使用IEC1158-2传输方式,其通信速率为31.25kbps,最大距离1.9km,每一段上可连接的仪表台数≤32(决定于所接入总线仪表设备的耗电量和应用的最大总线电流),可采用DP/PA耦合器使RS485信号和IEC1158-2信号适配。图24为PROFIBUS现场总线的连接结构图。接口和总线-2图24PROFIBUS现场总线典型结构图接口和总线-2

4．基金会现场总线(FF)

基金会现场总线是由现场总线基金会(FieldbusFoundation)组织开发的。它是为适应自动化系统,特别是过程自动化系统在功能、环境与技术上的需要而设计的。得到了世界上主要自动控制设备供应商的广泛支持,在北美、亚太、欧洲等地区具有较强的影响。其通信模型由四层构成,采用了ISO/OSI参考模型的物理层、数据链路层和应用层并增加了一层——用户层(如图25所示)。接口和总线-2图25FF现场总线模型与OSI接口和总线-2FF现场总线的物理层遵循IEC1158-2和ISA-S50.02中有关物理层的标准,定义了两种速率的总线,波特率为31.25kbps的称为H1(低速)标准。波特率为1Mbps和2.5Mbps的称为H2标准。H1支持总线型和树型拓扑结构,每段节点数最多为32个,传输距离为0.2km~1.9km,可采用总线供电,支持本质安全。H2支持总线型拓扑结构,每段节点数最多为124个,传输距离为750m。H1和H2之间通过网桥互连。FF现场总线支持双绞线、电缆、光缆、和无线电等多种传输介质。图26为FF现场总线的拓扑结构图。接口和总线-2图26FF现场总线的拓扑结构图接口和总线-2FF现场总线的数据链路层完成总线通信中的链路活动调度,数据的接收发送,活动状态的探测、响应,总线上各设备间的链路时间同步等工作。每一段总线上有一个链路活动调度器LAS。链路活动调度器LAS拥有总线上设备的清单,由它来掌握总线上各设备对总线的操作。接口和总线-2任何时刻每个总线段上只有一个链路主设备(有能力成为LAS的设备)为链路活动调度器,由它调度网络站点间的周期和非周期通信。FF现场总线提供的数据传输方式有:无连接数据传输、发行数据定向连接传输和请求/响应数据定向连接传输。接口和总线-2FF现场总线的应用层分为现场总线访问子层FAS和现场总线信息规范子层FMS。FAS的基本功能是确定数据访问的关系模型和规范,FAS提供三种虚拟通信关系:客户/服务器虚拟通信关系、报告分发虚拟通信关系和发布/预定接收型虚拟通信关系。现场总线信息规范子层FMS规定了访问应用进程的报文格式及服务。接口和总线-2FF现场总线的用户层规定了标准的功能模块、对象字典和设备描述,供用户组成所需要的应用程序,并实现网络管理和系统管理。用户层规定了29个标准的功能模块,其中10个为基本功能块,另19个是为先进控制规定的标准附加功能块。接口和总线-2

5．LONWORKS总线

LONWORKS总线是美国Echelon公司于1991年推出的技术和产品,为新一代的智能化低成本现场测控产品。主要应用于工业自动化、机械设备控制等领域,是当前最为流行的现场总线之一。接口和总线-2LONWORKS采用LONTALK通信协议,该协议遵循ISO/OSI参考模型,它提供了OSI所定义的全部7层服务,使其具有很强的网络功能,被誉为通用控制网络,这在所有现场总线中是独一无二的。其各层的作用及所提供的服务如图27所示。接口和总线-2图27LONWORKS模型接口和总线-2LONWORKS技术的核心是Neuron(神经元)芯片。它内含3个8位CPU,一个CPU为介质访问控制处理器,处理LONTALK协议的第一层和第二层。一个CPU为网络处理器,实现LONTALK的第3层到第6层的功能。另一个CPU为应用处理器,执行用户的程序及用户程序所调用的操作系统服务。这样在一个神经元芯片上就能完成网络和控制功能。LONWORKS给使用者提供一个完整的开发平台,包含有节点开发工具NodeBuilder和网络管理工具LonBuilder及网络开发语言NeuronC等。接口和总线-2LONWORKS的物理层采用RS485通信标准,总线可以根据不同的现场环境选择不同的收发器和介质,传输介质可以是:电源线、双绞线、同轴电缆、光缆、无线电和红外线。使用双绞线时的最高传输速率为1.25Mbit/s,最大传输距离为1.2km。LONWORKS可以构成总线型、星型、环型和混合型等典型的网络结构,能实现网络拓扑结构的自由组合,可以通过网关实现不同现场总线的互联。图28为采用LONWORKS现场总线构成的工业现场网络。接口和总线-2图28LONWORKS现场总线网络接口和总线-2

综上所述,各类现场总线都有各自的特点,鉴于现场总线的国际统一标准尚未出台,那么,在选用现场总线产品时,应根据自己的要求和实际情况(如:规模的大小、环境条件、传输信号情况及现场设备情况等),结合各种现场总线的特色来合理选择产品。接口和总线-2九、数据采集接口

一个微型计算机数据采集系统如图29所示,它的输入信号分为模拟信号和数字信号两类。模拟信号是由模拟类的传感器输出的信号经放大调理后得到的,数字信号则是由数字类传感器输出的数字信号或开关信号得到的。本节主要讨论两方面的内容:①数据采集的输入缓冲电路。②可编程的输入输出电路。接口和总线-2图29微型计算机数据采集系统框图接口和总线-2

1．数字信号的采集

由于数据采集接口是直接挂在计算机总线上的,所以要求该接口保证只有在计算机读取其信号时接口与总线接通,而其它时间接口都必须与总线断开,以确保计算机能正常工作。输入接口一般采用三态缓冲器或带有锁存器的三态缓冲器。图30所示是采用三态缓冲器74LS244的输入接口电路。当片选信号为高电平时,三态缓冲器为高阻状态,总线与接口相当于断开。当片选信号为低电平时,三态缓冲器将输入数据送给总线。接口和总线-2图30用缓冲器构成的输入接口接口和总线-2

计算机通过输出接口把命令和一些经过处理后的信息送给外部设备。由于计算机的写周期非常短,信息出现在总线上的时间一般只有几百个毫微秒。因此输出接口必须采用数据锁存器,使计算机输出的数据保存足够长的时间以满足外部设备的取用。一般锁存器具有很高的输入阻抗,所以不必再考虑其与总线的隔离。接口和总线-2

图31是采用锁存器74LS373作为数字信号的输出接口。74LS373内部是八个D触发器,触发器的时钟连接在一起作为锁存器的片选信号。当片选信号为高电平时,计算机输出的数字通过总线写入锁存器。当片选信号为低电平时,锁存器保持原来的数据不变。接口和总线-2图31用锁存器构成的输出接口接口和总线-2

可编程的并行输入输出接口芯片,是微机接口中最常用的芯片,它们的特点是硬件连接简单,接口功能强,使用灵活。

图32是Intel公司生产的8255A可编程并行输入输出接口芯片的内部结构图。它由三部分组成:

接口和总线-2图328255A内部结构框图接口和总线-2

（1）与微机接口部分

通过数据缓冲器与数据总线相连,缓冲器是一个8位双向三态缓冲器。所有的输入输出数据以及对8255发出的控制字和从8255读入的状态信息,都是通过这个缓冲器传送的。(读)、

(写)、(片选)及RESET为系统控制信号线。接口和总线-22）与外设的接口部分

这一部分共有三个8位的端口:A口、B口和C口,其中C口又可分为C口上半部和C口下半部。A,B和C三个端口的工作模式可通过程序来选择,分别是模式0、模式1和模式2。

模式0:为基本的输入输出工作模式。这种方式不需要选通信号。任何一个端口都可以通过编程设定为输入或输出端口,作为输入端口时都有三态缓冲器功能,作为输出端口时,都有数据锁存器功能。接口和总线-2

模式1:为应答式输入输出工作模式。A口和B口作为8位输入或输出端口,C口作为A口和B口输入输出的应答信号。

模式2:为应答式双向输入输出工作模式。此时A口作为双向输入输出端口,C口中的5位作为相应的应答信号,余下的B口和C口仍可处于模式0工作方式。接口和总线-2

（3）逻辑控制部分

8255的编程选择是将控制字写入控制寄存器来实现的。

8255A可编程并行输入输出接口芯片的具体使用方法可参阅有关微机原理及接口方面的书籍。接口和总线-2

2.模拟信号的采集

将模拟信号送给计算机进行处理,必须先对模拟信号进行模数(A/D)转换,将连续的模拟信号转换为离散的数字信号。

当系统要对多路模拟信号进行采集时,如果不要求高速采样,一般选用公用的采样/保持器、放大器及A/D转换器等,对各路模拟量进行分时采集,以简化电路,降低成本。为此需要使用多路模拟开关,轮流把各路模拟信号与测量通道接通,从而实现分时采集。接口和总线-2