,智能仪器,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,智能仪器设计基础,第八章 总线和数据通信技术,智能仪器设计基础,第八章 总线和数据通信技术,智能仪器,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第八章 总线和数据通信技术,概述,8.1,内总线,8.2,通用总线,8.3,串行通信接口,8.4,首页,本章内容,现场总线,8.5,蓝牙技术,8.6,电力线载波通信,8.8,工业以太网,8.7,第八章 总线和数据通信技术概述8.1内总线8.2通用总线8,1.,内总线,3.,现场总线,重点,：,2.,通用、串行接口总线,返 回,4.,蓝牙技术、以太网、电力线载波通信,1. 内总线3. 现场总线 重点：2. 通用、串行接口总线,主要有并行通信接口、串行通信接口、现场总线接口和以太网接口等。为方便各种仪器之间的通信，一般采用标准通信接口。,下 页,上 页,主要接口方式,返 回,在实际的测量和控制过程中，智能仪器和智能仪器之间、智能仪器与计算机之间需要进行各种信息的交换和传输，这种信息的交换和传输通过仪器的通信接口按照一定的协议实现。,是各仪器之间或仪器与计算机之间进行信息交换和传输的联络装置,通信接口,第八章 总线和数据通信技术,主要有并行通信接口、串行通信接口、现场总线接口和以太网接口等,下 页,上 页,返 回,注意：,本章介绍智能仪器较常用的标准总线，主要有总线、,GP-IB,通用接口总线、,RS,232C,串行总线、,RS422/485,串行总线、,USB,通用串行总线、,CAN,总线等,。,下 页上 页返 回注意：本章介绍智能仪器较常用的标准总线,下 页,上 页,返 回,8.1,概述,智能仪器中的公共数字传输通道称为,总线（,Bus,）,总线,按连接范围,划分,片内总线（局部总线）,内部总线（系统总线）,外部总线（通信总线）,主要用于芯片级的互连,用以实现系统与各种扩展插件板之间的相互连接,主要用于仪器间的互连,下 页上 页返 回8.1 概述智能仪器中的公共数字传输通道,下 页,上 页,返 回,一般由芯片制造厂商定义，对外提供的连线均通过芯片的管脚实现，对智能仪器设计的影响不大。内部总线的种类相对较为统一，下节介绍的 总线是其中的典型代表,。,片内总线,C,I,2,外部总线的种类则比较广泛，由于涉及智能仪器与智能仪器之间，智能仪器和通用计算机之间通信的问题，根据通信性质、通信技术和通信距离的不同，有多种多样的总线可供选择,GP-IB,通用并行总线、,RS-232C,、,RS-485,和,USB (Universal Serial Bus),等串行总线、,CAN,现场总线。总线在多个领域应用广泛。,举例：,下 页上 页返 回 一般由芯片制造厂商定义，对外,下 页,上 页,返 回,总线,按数据传输特点,划分,并行总线,串行总线,指多个数据位同时传输或接收，可分为不同位数（宽度）的并行总线（如,8,位、,16,位等），当距离较近而且要求传输速率较高时通常采用此总线传输方式,数据逐位传输，发送或接收数据最多只需两根导线，其一用于发送，另一用于接收；串行通信采用不同的工作方式，还可将发送和接收二线合一，具有经济实用的特点，当设备距离较远时通常采用串行总线方式。,下 页上 页返 回总线 按数据传输特点划分并行总线 串行总线,下 页,上 页,返 回,相同条件下：,串行传输速度并行传输速度,注意：,下 页上 页返 回相同条件下：注意：,下 页,上 页,返 回,上述的各种外部总线都有很多厂商推出了相应的通信接口，有些接口已经直接在芯片级予以实现，使用非常方便。除了这些标准总线接口之外，在无线通信领域，蓝牙技术正逐步为人们所采用；借助分布广阔的电力传输线进行载波通信的方式仍在继续发展；借鉴通用计算机构建局域网中占主导地位的以太网技术，工业以太网也出于蓬勃发展阶段。随着新技术、新的通信手段的发展，新的通信接口还会不断涌现。,综述：,下 页上 页返 回上述的各种外部总线都有很多厂商推出了相,下 页,上 页,返 回,., 内总线,内总线,（,System Bus,）,又称局部总线，是系统内部,各模块的公共信息通道,各模块的设计可通用化；,具有互换性，损坏一部分只须更换该部分即可；,只要留有足够的插口，随时可扩展系统的功能；,改变其中一些模块可以改变仪器的功能,采用内总线的优点：,下 页上 页返 回. 内总线内总线（Syst,目,前,常,用,的,内,总,线,S-100,STD,是美国公司,1976,年提出适应于,Intel 8080CPU,系列的总线，共,100,条，其中,16,条数据线；,24,条地址线；,11,条控制线；,8,条,DMA,线；,8,条状态线；,8,条矢量中断线；,9,条电源线地线；,16,条其他用途信号线；主要缺陷是布线不太合理、时钟信号位于控制信号中间，容易产生干扰、地线少、引脚多、几何尺寸大、易变形，目前已极少用。,是美国,Pro-log,公司,1979,年提出用于工业控制微型计算机的标准系统总线。按工业现场标准设计，具有较好的兼容性，电路板采用小板结构，高度模块化，结构简单，品种齐全，价格低廉，性能良好。支持多微处理器系统。共,56,条线，其中,6,条逻辑电源线；,8,条数据线；,16,条地址线；,22,条控制线；,4,条辅助电源线。适合于,8,位机，,80,年代开始在我国流行，现在应用较少,.,广泛应用于系统内部模块或芯片之间的内总线，在单片机系统中应用广泛,下 页,上 页,返 回,目S-100 STD 是美国公司197,下 页,上 页,返 回,总线概述,8.2.1,（,Inter,Integrated Circuit,）总线是由,Philips,公司于,80,年代推出的二线串行通信总线，通过串行数据线,SDA,（,Serial Data,）和串行时钟线,SCL,（,Serial Clock,）两根线将多个具有,总线接口的器件,连到总线上,使信息在,器件之间传递。总线上数据,的传输速率在标准模式下可达,100kbit/s,，在快速模式下可达,400kbit/s,，在高速模式下可达,3.4Mbit/s,。总线长度可达,25,英尺，并且能支持,40,个组件。由于接口嵌入组件，所以占用空间小，减少了电路板的空间，降低了互联成本。,下 页上 页返 回总线概述 8.2.1 （InterInt,下 页,上 页,返 回,(1),二线制总线，通过,SDA,及,SCL,两线在连接到总线上,的器件之间传送信息，根据地址识别各器件。,(2),无中心主机的多主机总线，可在主机和分机之间双,向传送数据。各主机可任意同时发送而不破坏总线,上的数据。,(3),同步通信总线，同步时钟允许器件通过总线以不同,波特率通信，同时还可用作开始和停止串行口的应,答信号。,总线具有下述特点：,下 页上 页返 回(1)二线制总线，通过SDA及SCL两线在,下 页,上 页,返 回,(4),系统中所有外围器件及模块采用器件地址及引脚,地址的编址方式。,(5),器件间总线简单，结构紧凑，总线上增加器件不,影响系统的正常工作，系统可修改和可扩展性,好。即使有不同时钟速度的器件连接到总线上，,也能很方便地确定总线的时钟。,(6),支持,NMOS,、,COMS,、,HCMOS,等多种制造工,艺，并可用于测试和错误诊断。,下 页上 页返 回(4)系统中所有外围器件及模块采用器件地址,下 页,上 页,返 回,总线的术语,8.2.2,构成,SDA,（串行数据线）,SCL,（串行时钟线）,注意：,总线上可以接若干个单片微机和外围器件，每个器件可由唯一的地址确定，,总线根据地址识别各器件。,下 页上 页返 回总线的术语 8.2.2 构成 SDA（串行,下 页,上 页,返 回,发 送,&,接 收,当某个器件向总线上发送信息时，它是,发送器,，而当它从总线上接收信息时，又成为,接收器,。,工作于发送或接收方式。发送或接收可根据数据的传送方向而改变。,总线根据器件的功能通过软件编程使器件,例如：,有些器件既可做接收器又可做发送器，如存储器,有些器件只能做接收器，如,LCD,驱动器,下 页上 页返 回发 送 & 接 收 当某个器,下 页,上 页,返 回,当某个器件在,SCL,上产生时钟脉冲，在,SDA,上产生寻址信号、开始条件、停止条件、建立数据传输时，该器件为,主器件（主机）,，此时任何被寻址选中的器件为,从器件（从机）,。,主 机,&,从 机,单片微机在,总线上既可做主器件,（主发送或主接受），也可做从器件（从发送,或 从接受），外围器件一般只能做从器件。,注意：,下 页上 页返 回 当某个器件在SCL上产生时钟,下 页,上 页,返 回,表,8.1,总线术语的定义,下 页上 页返 回表8.1 总线术语的定义,下 页,上 页,返 回,8.2.3,器件与,总线的连接,器件之间通过,SDA,及,SCL,两根线进行通信。连接到总线的器件的输出级必须是集电极或漏极开路，通过上拉电阻接正电源，以便完成“线与”功能。,图,8.1,所示,器件与,总线的连接,SDA,和,SCL,均为双向,I/O,线，当总线空闲时，两条线均为高电平。,注意：,下 页上 页返 回8.2.3 器件与 总线的连接,下 页,上 页,返 回,8.2.4,数据的传送,在数据传送过程中，必须确认数据传送的,开始（启动）,和,结束（停止）,。开始和结束信号由主器件产生。,开始信号以后，总线被认为处于忙态；结束信号以后，总线被认为处于闲态。,下 页,上 页,返 回,下 页上 页返 回8.2.4 数据的传送,下 页,上 页,返 回,当,SCL,线为高电平、,SDA,线由低电平跳变为高电平时为“结束”条件，如图,8.2,所示,下 页上 页返 回 当SCL线为高电平、SDA线,下 页,上 页,返 回,总线上每次发送的数据字节数不受限制，但每个字节必须为,8,位，而且每个字节后面必须跟一个应答位（,ACK,）（第,9,位），也叫认可位。,注意：,下 页上 页返 回 总线上每次发送,下 页,上 页,返 回,数据的传送过程,:,数据传送时由主器件发出启动信号，即,SCL,为高电平的状态下，数据线,SDA,发生由高电平到低电平的跳变。然后主器件发送第一个字节数据用于选择从器件的地址。,数据的传送过程如图,8.3,所示。其中前,7,位为从器件的地址，由固定和可编程两部分组成，固定部分为器件的名称，由生产公司规定；,下 页上 页返 回数据的传送过程: 数据传送时,下 页,上 页,返 回,可编程部分决定系统中最多可连接的此种器件的个数，假设某种器件的,7,位地址中有,4,位固定、,3,位可编程，则同一个,总线上最多可连接,8,个该种器件。,第,8,位,(R/W),为方向位，规定从器件的数据传送方向。当方向位为“,0”,时，表示发送（写），即主器件作为发送器，从器件作为接收器，第一个字节之后主器件继续将数据发送到所选择的从器件；当方向位为“,1”,时，表示接收（读），此时，主器件由发送器变成接收器，从器件由接收器变成发送器，主器件将从选择的从器件读数据。,下 页上 页返 回可编程部分决定系统中最多可连接的此种器件的,下 页,上 页,返 回,主机发送地址后，系统中的其他器件都将自己的地址和主器件送到总线上的地址进行比较，如果与主器件发送到总线上的地址一致，则该器件即为被主器件寻址的器件。,注意：,下 页上 页返 回 主机发送地址后，系统中的其他,下 页,上 页,返 回,数据在,SDA,上传送时，在,SCL,为高电平期间必须保持稳定，只有在,SCL,线为低电平期间才允许改变，如图,8.4,所示。,传送数据时，首先传输数据的最高有效位，主器件在传送每个字节后（包括第一个地址字节）都传送一个应答位，通常接收器件在接收到每个字节后都会做出响应，即释放串行时钟线,SCL,，使,SCL,线返回高电平，准备接收下一个数据字节。,下 页上 页返 回 数据在SDA上传送时，在S,下 页,上 页,返 回,如果接收器件正在处理一个实时事件而不能接收数据时，（例如正在处理一个内部中断，在这个中断处理完之前就不能接收,字节）将使,SCL,保持低电平，迫使发送器件处于等待状态，如图,8.3,所示。,总线上的数据,当接收器件处理完毕，为下一个数据字节做好准备时，释放,SCL,线，发送器件继续发送。,下 页上 页返 回如果接收器件正在处理一个实时事件而不能接收,下 页,上 页,返 回,当数据传送结束时，由主器件产生一个通信结束条件，即在,SCL,线为高电平时，,SDA,产生正跳变。一次数据传送结束，释放总线，使总线处于空闲状态。主机只能在总线空闲的时侯启动传输,。,下 页上 页返 回 当数据传送结束时，由主器件产,下 页,上 页,返 回,例如：,总线上的器件,1,（主器件）要与器件,2,通信，包含下面几个步骤：,（,1,）器件等待总线处于“闲态”，即,SDA,和,SCL,处,于高电平；,（,2,）器件,1,发送开始信号，即,SCL,高电平期间，,SDA,发生由高电平到低电平的跳变，使总线,处于忙态,;,总线上的其他器件处于听的状态，,查看自己是否被寻址；,下 页上 页返 回例如：,下 页,上 页,返 回,(4),器件,1,发送方向位，告诉器件,2,是发送还是接收,数据；,(5),器件,2,发送应答位，表示其是否识别出地址，,是否准备好；,(6),若器件,2,准备好，器件,1,发送,/,接收数据；每发,送一个字节数据后，接收器件发送一个应答,位,表示正常；,(7),当所有数据传送完成后，器件,1,发出一位停止,信号，即,SCL,线高电平、,SDA,线由低电平跳变,到高电平，释放总线。使总线再次处于空闲状,态。,下 页上 页返 回(4)器件1发送方向位，告诉器件2是发送还,下 页,上 页,返 回,总线的竞争,:,总线接有多个微处理器时，多个微处理器可能在起始条件的最小持续时间内同时产生起始条件，致使总线上产生一个规定的起始条件，即在,SCL,线高电平期间，有多个主器件在,SDA,线上发生由高到低的跳变，使多个主机发生争用总线问题，多个微处理器可能会同时开始数据传输，发生竞争。,下 页上 页返 回总线的竞争:,下 页,上 页,返 回,在,SCL,为高电平期间，器件,1,的,SDA1,和器件,2,的,SDA2,都发生了高到低的跳变，使总线的,SDA,发生高到低的跳变，满足启动条件，器件,1,和器件,2,可能同时开始数据传输，造成数据传输混乱。,下 页上 页返 回 在SCL为高电平期间，器件1,下 页,上 页,返 回,竞争裁决,:,发生竞争时，,SDA,线上的信号由所有主器件产生的数据信号进行“线与”裁决。,一个主机发送高电平而在另一个主机发送低电平时，发送高电平的主机因为总线上的电平与自己的电平不相同，将断开它的数据输出级，发送低电平的主机取胜。竞争可以持续多位。器件竞争首先比较地址位。,多个主器件同时选中同一个从器件时，竞争继续比较数据位（如果主机是发送器），或者比较响应位（如果主机是接收器）。,当,当,下 页上 页返 回竞争裁决: 发生竞争时，SD,下 页,上 页,返 回,如图,8.5,中，主机,1,和主机,2,在第一次出现不同电平时，主机,1,的,SDA1=1,，主机,2,的,SDA2=0,，“线与”后，主机,1,的,DATA1,电平与总线的,SDA,状态不同，断开其数据输出级，使主机,1,在竞争裁决中失去总线的控制权，主机,2,取胜。,下 页上 页返 回 如图8.5中，主机1和主机2在,下 页,上 页,返 回,注意：,总线的地址和数据信息由取胜的主机决定，所以在竞争过程中地址和数据信息不会丢失。而且总线上的主器件既没有中心主机，也没有任何优先级别。,下 页上 页返 回注意： 总线的地址和,下 页,上 页,返 回,竞争时的同步时钟机制,:,器件,1,的时钟信号（,CLK1,）由高电平变为低电平，将使时钟线,SCL,由高变低，,SCL,线的电平变化会使连接在其上的器件,2,的时钟线（,CLK2,）发生由高到低的变化。当,CLK1,由低变高时，,CLK2,还处于低电平，,CLK1,由低到高的状态变化不改变,SCL,的低电平状态。即低电平周期短的器件的时钟由低至高的跳变不影响,SCL,线的状态，器件,1,将进入高电平等待状态。,下 页上 页返 回竞争时的同步时钟机制: 器件,下 页,上 页,返 回,当,CLK2,上跳为高电平时，,SCL,结束低电平期，被释放返回高电平。此时器件,1,和器件,2,同时开始高电平期。之后，第一个由高电平变为低电平的器件又将,SCL,线拉成低电平，重复前面的过程。多个器件与此类同。,下 页上 页返 回 当CLK2上跳为高电平时，S,下 页,上 页,返 回,注意：,所有能在,产生自己的时钟信号，并传送到时钟线,SCL,上。,总线上传输信息的主器件都能,上述连接方式能在,SCL,线上产生一个同步时钟，同步时钟低电平时间由时钟低电平期最长的器件确定，而时钟高电平时间由时钟高电平期最短的器件确定。发生竞争时，,SCL,线上的时钟信号由所有主器件产生的时钟信号“线与”决定。,下 页上 页返 回注意：所有能在 产生自己的时钟信号，并传送,下 页,上 页,返 回,通信中，,CPU,可对相关的特殊功能寄存器进行操作，通过指令将,总线，还可对其工作状况进行检测。,接口电路挂靠或摘离,硬件,接口电路可完成数据的移位、发送或接收及总线的盲、闲状态检测。对不带,接口的微处理器,只得以每个时钟周期,2,次的速率对,SDA,线采样，以,了解总线的忙、闲变化情况。,具有自动寻址，多主机时钟同步和仲裁等功能很强的总线，用带有,总线是各种总线中使用信号线最少，并,EEPROM,、各种传感器、变送器及微处理器等设计智能仪器系统十分方便、灵活，体积也小，在实际中得到广泛应用。,总线的器件如,A/D,、,D/A,、,下 页上 页返 回 通信中，CPU可对相关的特殊,返 回,上 页,下 页,8.4.4,通用串行总线（,USB,）,通用串行总线,(Universal Serial Bus,，,USB),协议是,Intel,、,Compaq,、,Digital,、,IBM,、,Microsoft,、,NEC,、,Northern Telecom,等七大公司于,1994,年共同制定并推出的串行接口总线标准，有多种规范的版本，目前使用较多的是,1.1,版本及,2.0,版本。,USB2.0,版于,2000,年,4,月推出，新增了高速模式。,USB,凭借其高速度和高通用性正在逐步取代串口、并口，成为个人计算机与外围设备相连的标准接口。,返 回上 页下 页8.4.4通用串行总线（USB）,返 回,上 页,下 页,1,、,USB,总线协议特点,（,1,）使用方便。允许设备“即插即用”（,Plug & Play,），即,USB,允许外设在主机和其他外设工作时进行连接配置、使用及移除。同时,USB,总线的应用可以清除,PC,上过多的,I/O,端口而以一个串行通道取代，支持动态接入和动态配置，也称“热插拔”。使系统与外设之间的连接更容易。,（,2,）速度快。,USB1.1,协议支持全速,12Mb/s,和低速,1.5Mb/s,的速率传输方式。,USB2.0,协议支持,480Mb/s,的高速传输方式。,返 回上 页下 页1、USB总线协议特点（1）使用方便。允许,返 回,上 页,下 页,（,3,）连接灵活。一个,USB,接口理论上支持的“热,插拔”设备可达,127,个，既可以串行连接，也,可以集线器连接。,（,4,）供电方式灵活。可以采用自供电，也可以由,总线供电，并具有电源保护功能。如果连续,3ms,没有总线活动的话，,USB,会自动进入挂,起状态，处于挂起状态的设备消耗的电流小,于,500A,。,（,5,）支持的最大电缆长度为,5m,，,USB2.0,标准下,通过,USB-Hub,级连可达,30m,。,（,6,）成本低廉，易于扩展。,返 回上 页下 页（3）连接灵活。一个USB接口理论上支持的,返 回,上 页,下 页,（,7,）容错性能好。具有事务处理错误检测机制，,可以对有缺陷的设备进行认定，对错误的数,据进行恢复或报告。,（,8,）支持多种传输类型，以满足不同设备的需,求。如等待传输方式（适用于音、视频等设,备，无 纠错）；块传输（适用于打印机、扫,描仪、数码相机等）；中断传输（适用于键,盘、鼠标、游戏杆等）以及控制传输。,返 回上 页下 页（7）容错性能好。具有事务处理错误检测机制,返 回,上 页,下 页,2,、,USB,总线系统结构,一个,USB,系统由,USB,主机（,USB HOST,）、,USB,设备（,USB DEVICE,）和,USB,互连三个基本部分组成。,USB,主机一般制作在主板上，包含主控制器和一个嵌入的集线器（称为根集线器）,(Root hub),，根集线器连接在主控制器上。通过根集线器，主机可以提供一个或多个接入点（端口）（,port,），,USB,设备通过接入点与主机相连。,USB,设备按照功能可分为集线器（,Hub,）和功能设备，即集线器可接入下行集线器和功能设备。,返 回上 页下 页2、USB总线系统结构 一个U,返 回,上 页,下 页,在一个系统中，有且仅有一个,USB,主机，它在,USB,系统中处于中心地位，对,USB,接口及其连接的设备进行管理、控制数据和信息的流动。集线器是,USB,系统的关键部件，集线器通过端口的电气变化可检测出连接在总线上的设备的插、拔操作，并可通过响应,USB,主机的数据包将端口状态告知,USB,主机。功能设备是能够通过总线发送和接收,USB,数据、并可实现某种功能的设备。,USB,的互连是指,USB,设备与主机之间进行连接和通信的操作。,返 回上 页下 页 在一个系统中，有且仅有一个U,返 回,上 页,下 页,一个,USB,系统为分层（,Tier,）星形拓扑结构，如图,8.26,所示，中心机是主机的根,Hub,，可以连接下层,Hub,和功能设备（图中的,Func,），允许的最大层数为,7,层（包括根层）。在主机与任何功能设备之间的一个通信通道中，支持最多,5,个非根（,non-root,）,Hub,。一个复合设备（有多个端口的设备）占两层，因此，第,7,层只能出现功能设备，不能出现集线器。一般而言，,USB,设备与,USB Hub,间的连线长度不超过,5m,，通过根集线器连接的设备不超过,127,个。,返 回上 页下 页 一个USB系统为分层（Ti,返 回,上 页,下 页,USB,系统的拓扑结构,返 回上 页下 页 USB系统的拓扑结构,返 回,上 页,下 页,3,、,USB,总线的物理接口,USB,通过一个四线电缆传输信号与电源，如图,8.27,所示，其中,D+,和,D-,是互相缠绕的一对数据线，用于传输差分信号，而,VBus,和,GND,分别为电源和地，可以给外设提供,5V,、最大,500mA,的电源，功率不大的外设可以直接使用,USB,总线电源供电，不必外接电源。,USB,总线支持节约能源的挂机和唤醒模式。,返 回上 页下 页3、USB总线的物理接口 USB通过,返 回,上 页,下 页,对于不同的外设，,USB2.0,可根据速度要求在电缆上采用,3,种速率模式传输数据。,（,1,）低速模式,(Low speed),，信号传输速率为,10,100kbps,，主要适用键盘、鼠标输入笔、游戏,杆等外设。具有费用低、易用、动态连接，动,态分离、可连接多个外设的特点。,（,2,）全速模式,(Full Speed),，信号传输速率为,500kbps,10Mbps,，主要适合像电话、压缩,视频设备、宽带设备、音频设备、麦克风等一,系列的中速外设传输设备，它除具备低速模式,的特点外，还具有保障带宽和反应时间的优,点。,返 回上 页下 页对于不同的外设，USB2.0可根据速度要求,返 回,上 页,下 页,（,3,）高速模式,(High speed),，信号传输速率为,25,480Mbps,，为视频设备、外部存储设,备、图像设备、宽带设备，具有宽高速特征,的外设所选用。具有更高的带宽、更快的反,应时间，是前面两种方式无法比拟的。,USB,信号线在高速模式下必须使用带有屏蔽的双绞线而且最长不能超过,5m,，而在低速模式时，可以使用不带屏蔽或不是双绞的线，但最长不能超过,3m,。,返 回上 页下 页（3）高速模式(High speed)，信,返 回,上 页,下 页,4,、,USB,总线的数据格式和传输类型,USB,数据的最小单位是域，域构成包，包构成事务，事务最后构成传输。传输是指一次完整的发出请求到该请求被完整的处理结束的整个过程。事务是传输中的一个基本元素，每一次传输由一个或多个事务组成。事务由包组成，包又由同步域、标识域,(PID),等域组成。传输、事务、包和域的关系如图所示。,返 回上 页下 页4、USB总线的数据格式和传输类型USB数,返 回,上 页,下 页,域：是,USB,数据的最小单位，由若干位二进制数字组成，不同的域二进制位数不同，有七种域：,同步域（,SYNC,），,8,位，值固定为,0000 0001,，用,于本地时钟与输入同步。,标识域（,PID,），由四位标识符和四位标识符反码,构成，,USB,的标识码有,16,种，表明包的类,型和格式。,地址域（,ADDR,），七位，表示设备在主机上的地,址，地址,000 0000,被命名为零地址，是任,何一个设备第一次连接到主机时，被主机,配置、枚举前的默认地址。由此可知一个,USB,主机只能寻址,127,个设备。,（,1,）域,返 回上 页下 页域：是USB数据的最小单位，由若干位二进制,返 回,上 页,下 页,端点域（,ENDP,），四位，由此可知一个,USB,设备端点数量最大为,16,个。,帧号域（,FRAM,），,11,位，每一个帧都有一个特定的,帧号，帧号域最大容量,0x800,。,数据域（,DATA,），长度为,0,1023,字节，不同传输,类型数据域的长度各不相同，但必须为字节的整数倍。,校验域（,CRC,），对令牌包和数据包中非,PID,域进行校验。,返 回上 页下 页端点域（ENDP），四位，由此可知一个US,返 回,上 页,下 页,包：由域构成，是,USB,传输的基本单位，单向传送，从主机发出或发回给主机。,USB,总线完成一次传输至少需要,3,个包。包有四种类型，分别是令牌包、数据包、握手包和特殊包。数据交换时，首先由主机发出令牌包，然后数据源向数据目的发送数据包或无数据传送的指示信息。最后数据接收方向发送方发送握手包，提供数据是否正常发送出去的反馈信息，如果有错将重发。不同的包其域结构不同。不同目标的包可组合在一起共享总线，不占用系统中断和输入,/,输出地址空间，节约系统资源。,（,2,）包,返 回上 页下 页 包：由域构成，是USB传输的基本单位,返 回,上 页,下 页,令牌包,(token),：所有交换都以令牌包为首部，定,义了要传输交换的类型。有输入包、,输出包、设置包和帧起始包四种类,型。输入包用于设置输入命令，输出,包用于设置输出命令。令牌包的格式,如表所示。,返 回上 页下 页令牌包(token)：所有交换都以令牌包为,返 回,上 页,下 页,数据包,(data),：若主机请求设备发送数据则送输入,令牌包到设备某一端点，设备以数据包形式加以,响应。若主机请求目标设备接收数据，则送输出,数据包到目标设备的某一端点，设备将接收数据,包。数据包有,DATA0,包和,DATA1,包两种形式，,USB,发送数据的时候，当一次发送的数据长度大,于相应端点的容量时，把数据包分为几个包，分,批发送，,DATA0,包和,DATA1,包交替发送，在同步,传输时所有的数据包都为,DATA0,。 数据包的格式,如表所示。,返 回上 页下 页数据包(data)：若主机请求设备发送数据,返 回,上 页,下 页,握手包,(handshake),：设备使用握手包报告交换,的状态，由数据的接收方发送到数据的发送,方。握手包有应答包、无应答包、挂起包、,和接收设备还没有响应包,4,种类型，不同类型,的握手包传送不同的状态结果。表所示为握,手包格式,特殊包（,special,）：当主机希望在低速方式下与,低速设备通信时，主机将送预告包作为开,始包，然后与低速设备通信。,返 回上 页下 页握手包(handshake)：设备使用握,返 回,上 页,下 页,事务,(transactions),：按照事务的目的和数据流,方向可以分为设置（,SETUP,）事务、输入（,IN,）事,务和输出（,OUT,）事务三种类型，,IN,事务是从一个,设备接收数据，,OUT,事务和,SETUP,事务是主机发送,数据给某个设备。它们都由一个令牌阶段，一个数,据阶段和一个握手阶段组成。用“阶段”的意思是因,为这些包的发送有一定的时间先后顺序。在令牌包,阶段启动一个输入、输出或设置事务；数据包阶段,按输入、输出发送相应的数据；握手包阶段返回数,据接收情况，只有控制传输可以使用,SETUP,事务。,在同步传输的,IN,和,OUT,事务中没有握手包阶段。,（,3,）事务,(transactions),返 回上 页下 页 事务(transactions)：,返 回,上 页,下 页,传输,(transfers),：传输由事务构成，有中断传输、批量传输、同步传输、控制传输等四种传输类型。其中中断传输和批量转输的结构一样，同步传输结构最简单，控制传输是最复杂也是最重要的传输,（,4,）传输,(transfers),中断传输,中断传输由,OUT,事务和,IN,事务构成，用于数据量少但,数据需要及时处理的情况。适合低速设备数据传输，,如键盘、鼠标等外部设备。,USB,的中断是查询,（,polling,）类型，主机需频繁的请求端点输入。,返 回上 页下 页传输(transfers)：传输由事务构成,返 回,上 页,下 页,批量传输,批量传输由,OUT,事务和,IN,事务构成，用于传输连续的、批量的、非实时的、要求正确无误的数据。没有固定的传输速率，也不占用带宽，当总线忙时，,USB,会优先进行其他类型的数据传输，暂时停止批量转输。如打印机、扫描仪等以此种方式与主机进行大量数据的传输。在硬件中有差错检测功能，并且有选择的进行一定的硬件重试操作，可以在硬件层次上保证数据的可靠交换。,返 回上 页下 页批量传输,返 回,上 页,下 页,同步传输,同步传输由,OUT,事务和,IN,事务构成，适于传输连续的、实时的、对正确性要求不高而对时间敏感的数据。如电话、麦克风等外部设备的数据传输。该方式以固定的传输速率连续不断地在主机与,USB,设备之间传输数据，传输过程中发生错误时，不进行处理，继续传输数据。,返 回上 页下 页同步传输,返 回,上 页,下 页,控制传输方式,控制传输用于处理主机到,USB,设备的数据传输，包括对,USB,设备的控制命令、设备状态查询和确认命令，也可用于传送用户自定义的命令。当,USB,设备收到数据和命令后，将依据先进先出的原则处理到达的数据，使主机识别设备，安装相应的驱动程序。这种传输方式不会丢失数据。,返 回上 页下 页控制传输方式,返 回,上 页,下 页,5,、,USB,总线的通信流,USB,通信可以分为配置通信和应用通信。在配置通信中，主机通知设备，使设备准备好交换数据，这类通信主要发生在上电或连接时主机检测到外设的时候。应用通信出现在主机的应用程序与一个检测到的外设交换数据的时候，是实现设备目的的通信。例如：对键盘来说，应用通信是发送按键数据给主机，告诉一个应用程序显示一个特性或执行某种动作。主机上的软件通过一系列的通信流与逻辑设备进行通信。,返 回上 页下 页5、USB总线的通信流 USB通信,返 回,上 页,下 页,（,1,）设备端点,每个,USB,设备内有一个或多个逻辑连接点，称为端点,(Endpoint),，端点是,USB,系统用来交换数据的特定逻辑地址，每个端点都有自己的特性和用途，对主机来说不同的端点实际上就是对应的不同的数据缓冲区；对设备来说不同的端点对应不同的硬件电路，每个端点在设备出厂时已定义好。主机只能通过端点与设备进行通讯。在,USB,协议规范中用,4,位地址标识端点地址，每一个端点都有唯一的地址，每个设备最多有,16,个端点。每个端点都有一定的特性，包括端点号、传输方式、总线访问频率、带宽、数据包的最大容量等等。每个端点指定一种传输类型。所有设备都有一个端点,0,，通常为控制端点，用于配置和控制各设备。其他端点在设备配置后才能生效。,返 回上 页下 页（1）设备端点 每个USB设备内有,返 回,上 页,下 页,（,2,）管道,管道（,Pipe,）是,USB,系统通信驱动程序和端点组成的通信通道，其中传输的数据称为通信流，可实现主机的一个内存缓冲区和设备的端点之间的数据传输。主机,USB,系统软件和设备的端点,0,之间的连接称为缺省管道（默认管道）。管道只有主机和设备连接配置生效后才能形成。管道的序列号是主机临时给定的，当设备从主机移去时管道同时取消。,返 回上 页下 页（2）管道 管道（Pipe）是US,返 回,上 页,下 页,管道分为流管道,(Stream Pipe),和消息管道,(Message Pipe),。流管道在传输数据时对数据分组没有结构要求，数据在管道中以顺序（先进先出）方式单向传输，支持批量、同步和中断传输方式。消息管道通常以双向方式与端点进行数据传输，通信流具有一定的结构，以便命令可靠地被识别和传输。传输时由主机向,USB,设备发出请求，然后在适当的方向上传输数据，端点在后来的某个时刻返回一个状态作为响应。缺省管道总是消息管道。消息管道支持控制传输类型。通信流的示意图如图所示。,返 回上 页下 页 管道分为流管道(Stream,返 回,上 页,下 页,6,、,USB,接口工作过程,USB,设备可以即插即用，但在使用之前必须对设备进行配置，一旦设备连接到某一个,USB,的端口上，,USB,就会产生一系列的操作来完成对设备的配置，这种操作被称为总线枚举（,enumeration,）过程。只有枚举成功了，接口才能正常工作。,USB,的基本工作过程如下：,USB,设备接入主机后（无源设备插入主机或有源,设备重新供电），主机通过检测信号线上的电平,变化发现设备的接入；,主机通过询问设备获取确切的信息；,主机得知设备连接到哪个端口上并向这个端口发,出复位命令；,返 回上 页下 页6、USB接口工作过程 USB设备,返 回,上 页,下 页,设备上电，所有的寄存器复位并且以缺省地址,0,以及,端点,0,响应命令；,主机通过缺省地址与端点,0,进行通讯并赋予设备空闲,的地址，以后设备对该地址进行响应；,主机读取设备状态确认设备的属性；,主机依照读取的,USB,状态进行配置，如果设备所需,的,USB,资源得以满足，就发送配置命令给设备，该,设备就可以使用了，枚举过程结束；,当通信任务完成后，该设备被移走时（无源设备拔,出主机端口或有源设备断电），设备向主机报告，,主机关闭端口释放相应资源。,返 回上 页下 页设备上电，所有的寄存器复位并且以缺省地址,返 回,上 页,下 页,基于,USB,接口的诸多优点，越来越多的智能仪器系统需要设置,USB,接口。目前已有微处理器厂商推出具有,USB,接口的产品，如,Silabs,公司的,C8051F360/1,带有一个,USB,口，这类产品只要按照其使用手册编程即可实现,USB,接口功能。对于不具备,USB,口的微处理器可通过专用芯片实现其,USB,接口功能。有多家公司不断推出,USB,接口专用芯片，如,Philips,公司的,PDIUSBD11,、,PDIUSBD12,，,NetChip,的,NET288,，,NS,公司的,USBN9603/9604,等。,返 回上 页下 页 基于USB接口的诸多优点，越来越,返 回,上 页,下 页,8.5,现场总线,随着计算机功能的不断增强，价格急剧降低，计算机与计算机网络系统得到迅速发展。据统计，过去二十年中，计算机和通信的年增长率不低于,25%,，是计算机集成制造系统的实施具备了良好的物质基础。但处于企业生产过程底层的测控自动化系统，要与外界交换信息。要实现整个生产过程的信息集成，要实施综合自动化，就必须设计出一种能够在工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉的通信系统，以实现现场自动化智能设备之间的多点数字通信，形成工厂底层网络系统，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。现场总线就是在这种背景下产生的。,返 回上 页下 页8.5 现场总线 随着计算机功能,返 回,上 页,下 页,传输信号数字化是实现数字通信的基础。,1983,年，,Honeywell,推出了智能化仪表，使现场与控制室之间的连接由模拟信号过渡到了数字信号。自此以后的几十年间，世界上各大公司都相继推出了各有特色的智能仪表。这些模拟数字混合仪表克服了单一模拟仪表的多种缺陷，给自动化仪表的发展带来了新的生机，为现场总线的诞生奠定了基础。但这种数字模拟信号混合运行方式只是一种不得已的过渡状态，其系统或设备间只能按模拟信号方式一对一地布线，难以实现智能仪表之间的信息交换，智能仪表能处理多个信息和复杂计算的优越性难以充分发挥。,返 回上 页下 页 传输信号数字化是实现数字通信的基,返 回,上 页,下 页,这些以微处理器芯片为基础的各种智能仪表，为现场信号的数字化以及实现复杂的应用功能提供了条件。但不同厂商所提供的设备之间的通信标准不统一，严重束缚了工厂底层网络的发展。从用户到设备制造商都强烈要求形成统一的标准，组成开放互连网络。把不同厂商提供的自动化设备互连为系统。这里的开放意味着对同一标准的共同遵从，意味着这些来自不同厂商而遵从相同标准的设备可互连为一致通信系统。从这个意义上说，现场总线就是工厂自动化领域的开放互连系统。开发这项技术首先必须制定相应的统一标准。,返 回上 页下 页 这些以微处理器芯片为基础的各种智,返 回,上 页,下 页,1984,年，美国仪表协会（,ISA,）下属的标准与实施工作组中的,ISA/SP50,开始制定现场总线标准；,1985,年，国际电工委员会决定由,Proway Working Group,负责现场总线体系结构与标准的研究制定工作；,1986,年，德国开始制定过程现场总线（,Process Fieldbus,）标准，简称为,PROFIBUS,，由此拉开了现场总线标准制定及其产品开发的序幕。,返 回上 页下 页 1984年，美国仪表协会（ISA）,返 回,上 页,下 页,Siemens,Rocemount,ABB,Foxboro,Yokogawa,等,80,家公司联合，成立了,ISP,（,Interoperable System Protocol,）组织，着手在,PROFIBUS,的基础上制定现场总线标准。,1993,年，以,Honeywell,，,Bailey,等公司为首，成立了,World FIP,（,Factory Instrumentation Protocol,）组织，有,120,多个公司加盟该组织，并以法国标准,FIP,为基础制定现场总线标准。此时各大公司均已清醒地认识到，现场总线应该有一个统一的国际标准，现场总线技术势在必行。但总线标准的制定工作并非一帆风顺，由于行业与地域发展历史等原因，加之各公司和企业集团受自身商业利益的驱动，致使总线的标准化工作进展缓慢。,返 回上 页下 页Siemens,Rocemount,ABB,返 回,上 页,下 页,1994,年，,ISP,和,World FIP,北美部分合并，成立了现场总线基金会，推动了现场总线标准的制定和产品开发，于,1996,年第一季度颁布了低速总线,H1,的标准，安装了示范系统，将不同厂商的符合规范的仪表互连为控制系统和通信网络，是,H1,低速总线开始进入实用阶段。,返 回上 页下 页1994年，ISP和World FIP北美,返 回,上 页,下 页,与此同时，在不同行业还陆续派生出一些有影响的总线标准。它们大都在公司标准的基础上逐渐形成，并得到其他公司、厂商、用户以至于国际组织的支持。大千世界，众多行业，需求各异，加上要考虑已有各种总线产品的投资效益和各个公司的商业利益，预计在今后一段时间内，会出现几种现场总线标准共存、同一生产现场有几种异构网络互连通讯的局面。但发展共同遵从的统一的标准规范，真正形成开放互连系统，是大势所趋。,返 回上 页下 页 与此同时，在不同行业还陆续派生出,返 回,上 页,下 页,8.5.1,现场总线的特点与优点,现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式，传统模拟控制系统采用一对一的设备连线，按控制回路分别进行连线。现场总线系统由于采用了智能，能够把原先,DCS,系统中处于控制室的控制模块，各输入输出模块置入现场设备，加上现场设备具有通信功能，现场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号，因而控制系统功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。,返 回上 页下 页8.5.1现场总线的特点与优点 现,返 回,上 页,下 页,由于采用数字信号替代模拟信号，因而可实现一对电线上传输多个信号（包括多个运行参数值、多个设备状态、故障信息），同时又为的多个设备提供电源；现场设备以外不再需要模数、数模转换部件。这样就为简化系统结构、节约硬件设备、节约连线电源与各种安装、维护费用创造了条件。,返 回上 页下 页 由于采用数字信号替代模拟信号，因,返 回,上 页,下 页,现场总线系统在技术上具有以下特点,：,系统的开放性 开放是指相对标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放系统，是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其他设备或系统连线。通信协议一致公开，各不同厂家的设备之间可实现信息交换。现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。用户可按自己的需要和考虑，把来自不同供应商的产品组成大小随意系统。通过现场总线构筑自动化领域的开放互连系统。,返 回上 页下 页现场总线系统在技术上具有以下特点：,返 回,上 页,下 页,互可操作性和互用性 互可操作性，是指实现互联,设备间、系统间的信息传送与沟通；而互用则意,味着不同生产厂家的性能类似的实现可相互替,换。,现场设备的智能化和功能自治性 它将传感测量、,补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场,设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的,基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。,系统结构的高度分散性 现场总线已构成一种新的,全分散性控制系统的体系结构。从根本上改变了,现有,DCS,集中与分散相结合的控制系统体系，简,化了系统结构，提高了可靠性。,返 回上 页下 页互可操作性和互用性 互可操作性，是指实,返 回,上 页,下 页,对现场环境的适应性 工作在生产现场前端，作为,工作网络底层的现场总线，是专为现场环境而设计,的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外,线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两,线制实现供电与通信，可满足本质安全防爆要求,等。,返 回上 页下 页对现场环境的适应性 工作在生产现场前端，,返 回,上 页,下 页,由于现场总线的以上优点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统从设计、安装、投放到正常生产运行及其检修维护，都体现出,优越性,。,1.,节省硬件数量与投资 由于现场总线系统中分散在现场的智能设备能直接执行多种传感控制报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的调制器、计算单元等，也不需要,DCS,系统的信号调理、转换、隔离等功能单元及复杂连线，还可以用工控,PC,机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，并可减少控制室的战地面积,返 回上 页下 页由于现场总线的以上优点，特别是现场总线系统,返 回,上 页,下 页,2.,节省安装费用 现场总线系统的接线十分简单，一对双绞线或一条电缆线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，连线设计与校对的工作量也大大减少。当需要增加现场设备时无需要增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，又减少了设计、安装的工作量。据有关典型试验工程测算资料表明，可节省安装费用,60%,以上。,返 回上 页下 页2.节省安装费用 现场总线系统的接线十分,返 回,上 页,下 页,3.,节省维护开销 由于现场控制设备具有自诊断和简单故障处理能力，并通过数字通讯将相应的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并及时排除，缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简单化，连线简单而减少了维护工作量。,返 回上 页下 页3.节省维护开销 由于现场控制设备具有自,返 回,上 页,下 页,4.,用户具有高度的系统集成主动权 用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。避免因选择某一品牌的产品而被限定死了使用设备的选择范围，不会为系统集成中部兼容的协议、接口而一筹莫展。是系统集成过程中主动权牢牢掌握在用户手中。,5.,提供系统的准确性与可靠性 由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的精确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返运输，提高了系统的工作可靠性。,返 回上 页下 页4.用户具有高度的系统集成主动权 用户可,返 回,上 页,下 页,8.5.2 CAN,总线的发展与特点,控制器局部网（,CAN,CONTROLLER AREA NETWORK,）是,BOSCH,公司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局部网，由于其卓越性能现已广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多部门。控制器局部网将在我国迅速普及推广。 随着计算机硬件、软件技术及集成电路技术的迅速发展，工业控制系统已成为计算机技术应用领域中最具活力的一个分支，并取得了巨大进步。由于对系统可靠性和灵活性的高要求，工业控制系统的发展主要表现为：控制面向多元化，系统面向分散化，即负载分散、功能分散、危险分散和地域分散。,返 回上 页下 页8.5.2 CAN总线的发展与特点,返 回,上 页,下 页,分散式工业控制系统就是为适应这种需要而发展起来的。这类系统是以微型机为核心，将,5C,技术,-COMPUTER,（计算机技术）、,CONTROL,（自动控制技术）、,COMMUNICATION,（通信技术）、,CRT,（显示技术）和,CHANGE,（转换技术）紧密结合的产物。它在适应范围、可扩展性、可维护性以及抗故障能力等方面，较之分散型仪表控制系统和集中型计算机控制系统都具有明显的优越性。,返 回上 页下 页