第5章 系统与通信

第5章多微处理器系统与通信总线5.1概述5.2多单片机系统的结构与通信5.3智能仪表的对外通信与标准总线5.4现场总线与智能仪表5.5TCP/IP协议与智能仪表上网5.6无线数据传输仪表

5.l

概述

随着计算机和通信技术的发展，微处理器功能不断增强，价格大幅下降，产生多微处理器结构及现场总线智能仪表。

集散测控系统---多个微机按分级结构组成，最下级是进行测量、转换和控制的仪表，它只与控制站联系彼此不通信。控制站控制若干回路，与其他控制站通信联络。系统将控制功能分散，将操作、监视功能相对集中的系统。计算机网络---在计算机网络环境下，计算机互联起来互相传递信息，在一个区域乃至全球实现资源共享；同时各计算机相互独立自主地进行工作。现场总线(Fieldbus)---构成现场仪表、控制室、控制系统之间的全分散、全数字化、智能双向、多变量、多点、互联的通信系统。节点是现场具有综合功能的智能仪表。通信网络与控制系统的集成，不同于集散系统和计算机网络。

多微处理器智能仪表优越性：

①较高工作速度--多微处理器系统并行进行数据采集、加工处理、测量、计算、控制外设等工作。单CPU只能分时工作，无法满足快速实时测量、实时处理和有较强并行性、同行性的任务。

②便于设计和扩展--任务功能分散，系统采用具有独立功能模块化结构，增减模块很容易重构整个系统。使硬件、软件的设计、调试相对简单、独立，具有良好的适应性和扩展性。

③较高的可靠性--任务分散故障也分散，局部失效造成的损失减少，维护容易，可靠性高。

④性价比高--微处理器价格不断下降。与选用复杂的高速外围电路芯片比较，系统性能价格比高。5.2多处理器系统的结构与通信

多微处理器系统---多微处理器互联通信，交换数据，分工协作完成总体任务的系统。一、单片机串行口直接连接式两个单片机按图示连接，可实现TTL电平的单极性不归零码的串行通信。通信协议可参考仪表之间的通信协议编制，或按设计者的意图自行编制。实现两个单片机间一对一的通信。用种方法构成多单片机系统则要给每个单片机扩展串口。三、I2C总线连接与通信式

I2C

（InterIntegrateCircuitBUS）是芯片间总线和软件协议，是两线制采用主从方式实现全双工同步数据传送，所有从器件必须具有I2C接口。

SCL时钟线、SDA数据线，主器件寻址从器件。三、SPI总线连接与通信式

SPI（SerialPeripheralInterface）是一种串行外设接口总线和软件协议。这种通信中，所有从设备都必须有SPI总线接口，一个CPU扮演主机的角色，其它扮演外设的角色。最高传输速率达1.05Mb/s。

SPl使用4条线：串行时钟SCK，主机输入/从机输出线MISO，主机输出/从机输入线MOSI，从机选择线CS。如下图所示，以SPl口线的恰当连接，并通过SPI协议进行一对一的通信。在这种通信中，一个单片机扮演主机的角色，一个扮演外设的角色。三、多端口存储器连接式

多端口存储器连接式--各单片机通过多端口存储器连接进行通信。解决多端口访问冲突是采用周期安排方式访问。优点：访问快、吞吐量大、可靠性高。注意：单片机达3个以上时存储器端口有困难。多端口共享存储器与共享总线式的共享存储器是有区别的。

例：两个单片机通过双端口RAM互联通信。7132是8KB×8、速度100ns的静态RAM。图中一个为采集单片机；另一个单片机为数据单片机。四、共享总线式

共享总线式结构：并行式结构，各单片机完全没有固定的主从关系，各单片机在定义之前是完全平等的关系，把各单片机、公共存储器和外部设备通过公用总线连接起来。又分为单共享总线式和多共享总线式。每一总线都有控制线、数据线和地址线，单片机和设备都挂在共享总线上，并按一定的规则对总线进行访问从而达到各单片机和设备间变换信息。共享总线式系统进行通信的中间环节是共享存储器，系统的性能主要取决于总线的“带宽”、系统设备的数目和访问控制规则等因索。

优点：结构简单，设备的挂接或摘除方便，成本较低。共享总线多单片机系统实例---三单片机流量计五、并口连接式多单片机并口连接通信如图示。单片机通过8255A(I)进行并行通信。8255A(Ⅰ)PC口的五条控制线完成双向并行通信的控制逻辑。接口用8255A构成，与两单片机直接连接，用编程方法选择逻辑功能；单片机1用中断方式控制通信，单片机2用查询状态方式控制通信，软件设计相互独立，互不干扰。

六、多单片机系统的通信

通信方式取决于连接结构，不同结构选不同通信方式。共享总线的系统利用公共总线将各单片机连接起来，通信是通过公共总线的控制管理实现。

1、共享总线式管理总线使用权的主要方法

①同步式--用总线控制器管理总线的使用和交换的方式。

②异步式--用总线控制器管理由各单片机送到总线上的信息，并按优先的原则处理冲突。

③自控式--各单片机器都能检测总线是否可用，如总线空闲便可使用，即各单片机都有总线控制装置。

解决问题：a．任一单片机提出通信要求时，总线控制器尽可能为该单片机提供通信线路。b．几个单片机同时提出通信要求，则总线控制器应将总线使用权交给优先级最高的单片机。c．两个单片机正在进行通信时，总线控制器应禁止其他单片机使用总线，并让通信请求的单片机排队，直到通信完成再去处理。

2、利用公共存储器进行通信多端口存储器结构系统依靠多端口存储器进行通信联系，各单片机可同时访问，冲突由多端口存储器逻辑电路解决。在公共存储器中开辟一部分公共内存区域作为各单片机间信息交换的集散处(中转区)，存放各单片机向其他单片机发送的信息，以实现各单片机之间的通信。这一部分内存区称共享存储器。6.3智能仪表的对外通信与标准总线

对外通信：智能仪表与控制站、操作站、外设之间的通信。属于设备与设备之间的通信，必须使用标准接口总线，并尽可能开放通信协议。一、数据通信与接口总线

1、数据通信数据通信须具备传输的媒介、接收、发送和控制手段。信号层---如文字、手势、旗语等是交流的信号；知识层---共有的语言和知识；物理层---统一传输方式、传输特性、接口的机电特性。通信过程---信号发送、接收、代码转换、校验、同步、查询、中断控制等操作，数据通信采用软硬件结合的方式实现。①单工、半双工、全双工传输方式---仅从信息传输方向考虑，通信信道按单工、半双工、全双工方式工作。②基带传输和宽带传输---基带传输是直接将电脉冲信号(或略加处理)进行传输，不适合远距离数据传输。宽带传输是用基带信号对载波进行调制，在适当的线路上进行远距离传送。常用调制方式有调幅、调频及调相。③异步与同步传输---异步传输时，接收器先接收起始位后依次同步于发送器，同步接收一帧信号。同步传输要求整个信息以固定速度进行，硬件复杂。④传输速度---指信道在单位时间传输的信息量。⑤信道容量---单位时间内最大能传送的信息量的比特数。⑥调制与解调---当进行远距离的数据通信时，应采用调制与解调技术，它们的复合体称调制解调器。

2、接口总线接口总线是接口和总线的总称，简称总线。其接口包括各种逻辑电路和连接器。按数据传输方式，智能仪表的通信总线分为并行和串行。可归纳为：

①数据线和地址线---决定数据通道宽度和可寻址范围；

②控制/联络/时序/中断信号线---决定总线功能的强弱和适应能力；

③电源线和地线---决定电源的种类和地线分布及用法；

④备用线---厂家将来使用，有些用户可自定义。

应用较多：并行总线CAMAC(IEEE--583)、GP--IB(IEEE--488)

，串行总线RS--232C、RS--422、RS--423、RS--485、USB。机械、电器、功能都必须具有兼容性。二、RS-232总线标准及应用

1．RS-232总线标准接口：RS-232C是美国电子工业协会EIA（ElectronicIndustryAssociation）制定的串行物理接口标准。

RS--推荐标准，232--标识号，C--修改次数。完整RS-232C接口25根线。RS-232C常用9芯线，引脚功能为：

2．RS-232的电器特性

3．电平转换芯片：RS-232C用的是负逻辑，其逻辑电平与TTL不匹配，必须进行电平转换。常用转换接口芯片MAX232。管脚说明如下：

①C0+、C0-、C1+、C1-是外接电容端；②R1IN、R2IN是2路RS-232C电平信号接收输入端；③RlOUT、R2OUT是2路转换后的TTL电平接收信号输出端，送8051的RXD接收端；④TlIN、T2IN是2路TTL

电平发送输入端，接8051的TXD；⑤TlOUT、T2OUT是2路转换后的发送RS-232C电平信号输出端，接传输线；⑥V+经电容接电源

+5V；⑦V-经电容接地。

4、RS-232C与51接口

RS232C的负逻辑：(1)驱动器的输出电平逻辑0：+5V～+15V；逻辑1：-5V~-15V

(2)接收器的输入检测电平逻辑0：＞+3V；逻辑1：＜-3V

传输介质一般用双绞线，距离不超过15m，传输率小于20kB/s。TXDRXDRXDTXDT1INR1OUTT1OUTR2OUTR2INT2OUTR2OUTT2IN11611610610610610696967676868680318031MAX232AMAX232A三、RS-422/485标准总线及应用

RS-449与RS-232C的关键不同点是把单端输入改为双端差分输入，信号地不再公用。由于RS-449系统用平衡信号差电路传输高速信号，所以噪声低，又可以多点或使用公用线通信，RS-422是449标准的子集。

1．RS-422串行总线：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。

2．RS-485串行总线：是RS-422A的变形，RS-422A为全双工，可同时发送和接收；RS-485则为半双工，在某一时刻，一个发送另一个接收。3．驱动芯片：485接口芯片较多，如MAX488/490的管脚及典型电路图。该电路适用于全双工通信。4、三种总线性能比较

四、USB通用串行总线及应用

1．USB特点：

①相同的USB接口规范，使通信、打印机、显示器、存储设备等的接口统一了。

②即插即用（plug-and-play），并能自动检测与配置系统的资源。

③具有“热插拨“（hotattach&detach）特性。开机执行状态随时可以插入或拔离USB设备，不需关电源。

④USB最多可以连接127个接口设备。

⑤USB2.0传输速度最高达480Mbps。USB1.1接口用两种速度：12Mbps（全速）和1.5Mbps（慢速）。2．USB基本构架：

①USB采用四线电缆：两根来传送数据的串行通道，另两根为下游设备提供电源。②USB系统的构架三个主要部分：USB主机控制器/根集线器；USB集线器；USB设备；（集线器端口）3．USB电气特性和电源：

USB接口4根线：＋5V的电源线；地线；信号线D+和D-在PC机的根集线器或集线器端接15kΩ下拉电阻并接至地端，设备的D+和D-信号线的其中一根接1.5KΩ上拉电阻。PC机每隔一段时间查询根集线器，检查D+、D-的电位变化，以了解设备连接状态。

USB设备供电方式：（1）总线供电集线器（2）自我供电集线器（3）低功耗总线供电设备（4）高功率总线供电设备（5）自我供电设备

4、USB传输主机和设备（1）传输基础：

①配置通信；②应用通信；③管理总线上的数据（2）设备端点：在USB规范定义了端点的概念。每个接口设备都具有“端点”，可以将USB设备看成是端点的集合。而主机与端点的通信，是经过“管线”来完成的。（3）设备列举：USB设备描述符的概念。①设备描述符――设备描述符是主机向设备请求的第一个描述符。②配置描述符――配置描述符是针对设备给予配置的信息。③接口描述符――接口描述符用来描述每一个设备的接口特性。④端点描述符――端点描述符用来描述端点的属性以及各个端点位置。设备列举的过程：①设备插入PC主机的根集线器或USB集线器的端口。②集线器不断地轮询端口的状态，一旦检测到电位改变后，Hub就会通知主机。③主机得到响应后，以预设的地址响应新接上的设备，并取回设备描述符，以确认此设备是何种驱动程序。④主机配置一个单独的地址给USB设备。⑤主机取回配置描述符。此时，主机可以根据可使用的电源与带宽，给予设备配置的方式。⑥现在设备已设置好地址与配置完毕，可以准备使用。

5．传输类型

USB定义了4种数据传输的类型，每种对应处理不同的需要，且一个外设可支持它最适合的传输类型。①控制传输：是USB传输中最重要的传输。用来提供介于主机与设备之间的配置、命令或状态的通信协议。以双向传输来达到这个请求。②中断传输：PC主机周期性的方式加以轮询，以知道是否有设备需要传送数据给PC。轮询周期非常重要。③批量传输：用来传输大量的数据，相对的传输速度不是很关键的。④等时传输：须维持一定的传输速度，因此相对就牺牲一些小错误的发生。它采用预先与PC主机协议好的固定宽带，以确保发送端与接收端的速度相互吻合。

确保传输成功：为了确保每个传输都是成功的，USB使用了交换和错误校验信号。（1）交换：USB有状态和控制信号来帮助管理数据流。这些信号就是交换信号。（2）错误校验：所有的标记、数据和帧都包含了用于错误校验的位。该位的值是通过一个被称为循环冗余检查（CRC）的数学算法或过程来计算得到的。

7．主机如何通信

①让应用程序远离细节

②分层驱动：（1）USB驱动层（2）设备驱动（3）总线驱动

③驱动程序的选择：（1）Windows自带驱动（2）HID驱动（3）Point－of－sale(POS)驱动（4）供应商提供的驱动

8、USB接口

①USB接口芯片PDIUSBD12的特点（1）USB接口器件集成了SIEFIFO存储器收发器及电压调整器；（2）可与任何外部微控制器/微处理实现高速并行接口，2M字节/秒；（3）完全自治的直接内存存取DMA操作；（4）集成320字节多结构FIFO存储器；（5）主端点的双缓冲配置增加数据吞吐量并轻松实现实时数据传输；（6）在批量模式和同步模式下均可实现1M字节/秒的数据传输速率；（7）具有良好EMI特性的总线供电能力；（8）在挂起时可控制LazyClock

输出；（9）可通过软件控制与USB的连接；（10）采用GoodLink

技术的连接指示器,在通讯时使LED闪烁；（11）可编程的时钟频率输出；（12）符合ACPIOnNOW

和USB电源管理的要求；（13）内部上电复位和低电压复位电路；（14）高于8kV的在片静电防护电路减少了额外元件的费用；（15）双电源操作3.3V或扩展的5V电源,范围为3.6~5.5V；（16）多中断模式实现批量和同步传输；②PDIUSBD12的引脚结构及功能（1）DATA0~7：双向数据位。（2）ALE：地址锁存使能。（3）CS-N：片选。低电平有效。（4）SUSPEND：器件处于挂起状态。（5）CLKOUT：可编程时钟输出。（6）INT-N：中断。低电平有效。（7）RD-N：读选通。低电平有效。（8）WR-N：写选通。低电平有效。（9）DMREQ：DMA请求。（10）DMACK：DMA应答。低电平有效。（11）EOT-N：DMA传输结束。低电平有效。（12）RESET-N：复位。低电平有效且不同步。（13）GL-N：GoodLinkLED指示器。低有效。（14）XTAL1，XTAL2：晶振连接端。（15）D+，D-：USBD+和D-数据线。（16）VOUT3.3：3.3V调整输出。要使器件工作在3.3V，对VCC和VOUT3.3脚都提供3.3V。（17）A0：地址位。A0=0，选择命令指令；A0=1，选择数据。

③接口设计：8051单片机与PDIUSBD12的接口5.4现场总线与智能仪表一、产生与发展

3C技术的发展动摇了一直占领控制领域的4～20mA标准信号，产生用现场网络的数字通信把各种微机设备集成到一起的现场总线（Fieldbus）。

80年代初提出概念；84年开始制定标准；92年IEC批准了物理层标准，几个大公司制定标准；94年成立FF—著名仪表、集散制造、研究企业组成，学术标准化组织，大大促进标准的制定；2001年国际标准通过（IEC61158，8种技术协议）。发展特点：兼容并蓄，多总线集成—大量其他总线；向Ethernet+TCP/IP协议靠拢。二、现场总线定义及特点

1、现场总线本质：

定义---连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，接口和协议标准。

本质---现场通信网络、现场设备互联、互操作性、分散功能块、通信线供电、开放式互联网络。即过程自动化和。

现场总线控制系统FCS(FieldbusControlSystem)---现场通信网络与控制系统集成，构成信号传输数字化、系统结构分散化、现场设备互操作性、通信网络互连式、技术标准全开放式的系统。代替了DCS。2、现场总线优点

a.经济性—一对传输线把传感器/变送器/执行机构/现场仪表互联，仪表双向传输信号。省缆线、安维方便。

b.可靠性—数字信号抗干扰能力强、精度高，DCS三级结构改为二级结构FCS，控制功能分散至现场仪表。

c.可控型—控制室查看现场情况、设定调整参数。

d.综合性—仪表有智能综合功能，补偿、运算、控制。

e.互换、互操作性—不同品牌、性价比高的产品互相连接、统一组态。

f.开放性—开放互联网络、技术标准公共的、共享资源、统一调度。

三、现场总线仪表—智能仪表

1、现场仪表特点现场总线的节点是现场仪表或现场设备（传感/变送/执行），都是具有综合功能的智能仪表。

传感器/变送器---温度、压力、流量、物位、分析变送器，有检测、变换、补偿、PID控制、运算、自诊断等功能。

执行器---电动或气动执行器，有驱动、执行、输出特性补偿、PID控制、运算、阀门特性、状态自效验、自诊断等功能。

2、现场仪表应用（P171）四、现场总线通信技术

1、现场总线模型标准采用国际标准化组织的开放系统互连模型OSI的简化型，即1、2、7层，另外增加第8层用户层，如图示。不仅是信号、通信标准，且系统标准。

DCS与FCS区别：减少了控制站，把功能分解到操作站和现场仪表，不开放的内部总线成为开放的现场总线。87212、两个设备间通信过程

通过总线交换信息，发送设备命令或数据按应用层规定产生，信息按数据链层规定包装，命令或数据在物理层转变成标准电信号。接收设备进行相反的开包获得命令或数据。3、各层的内容

①物理层---把接收到数据链路层的数据加工为标准电信号进行传输，或反方向处理。标准号是IEC1158-2，多家公司生产低速总线（H1）专用芯片。

数据贞格式—物理层数据格式。

编码方式--曼彻斯特双L0编码方式。

总线安装规定—线长度、挂接设备数、终端信号幅值、屏蔽与接地等。

总线拓扑结构---低速H1支持点对点连接、总线、菊花链、树型；H2支持总线型。②数据链层

保证数据的完整性、决定何时与谁通信。数据链路层实现通信中链路活动调度、数据接收发送、活动状态的探测、响应、链路上设备时间的同步。③应用层

定义现场总线的命令、响应、数据、事件的信息。④用户层规定标准的功能模块供用户组态，各厂商对功能模块的特性描述、参数设定、相互连接的方法公开统一。5.5TCP/IP协议与智能仪表上网一、TCP/IP协议与以太网

TCP/IP协议：最流行的网络互连协议，协议分为5层，TCP（TransmissionControlProtocol）--传输控制协议，IP（InternetProtocol）--互联网协议。以太网（Ethernet）:应用最广泛的局域网，符合IEEE802.3标准，传输速度从10M到1000M，采用总线型拓扑结构，高效数据传输。

Internet网的迅速发展，TCP/IP协议底层又捆绑以太网，使得以太网广泛流行，市场作用使工业使用以太网就意味着兼容、统一、开放。二、协议与标准

数据链路层的子层--介质访问控制MAC子层。

1、载波侦听多路访问协议

CSMA/CD协议

2、IEEE802.3标准

IEEE802.3—2.5分别描述了CSMA/CD、令牌总线、令牌环标准。

3、交换式IEEE802.3局域网

三、智能仪表接入Internet

网络接入模块芯片、物理层接口芯片，智能仪表的IP地址和访问端口。5.6无线数据传输仪表

一、调制解调技术调制是使代表信息的原始信号经过一种变