2 测控总线技术(1)_v04.ppt

2.测控总线技术,侯成刚西安交通大学仪器科学与技术系2011年2月,本科生课程虚拟仪器设计,,2,主题,2.1概述2.2串口仪器2.3GPIB总线及仪器系统集成2.4VXI总线及仪器系统集成2.5PXI总线及仪器系统集成2.6PC-DAQ仪器系统,2.1概述,2.测控总线技术,,,4,仪器模块,虚拟仪器的构成,通用计算机,操作系统,仪器驱动器（仪器控制）,仪器功能,虚拟面板,,,,总线技术,,软件技术,虚拟仪器技术,软件界面,硬件扩展,,,5,仪器系统的三大核心技术,测试技术信号调理、数据采集、仪器控制总线技术（通信技术）高可靠性、模块化、标准化SerialGPIBVXIPXILXI低成本DAQ仪器软件技术基于通用计算机操作系统实现仪器功能,6,虚拟仪器总线技术,Serial1960’s,VXI1986,PXI1997,PC-DAQPCI,USB,,,,,,高性能高可靠性标准化,,高性能低成本,,基于工业计算机扩展（标准工业测控总线）,基于商用计算机构建,GPIB1960’s,CAMAC1960’s,LXI2004,,7,计算机通信基础,计算机通信是指计算机与外部设备或计算机与计算机之间的信息交换。随着多微机系统的广泛应用和计算机网络技术的普及，计算机的通信功能显得愈来愈重要。数字通信系统的有效性用传输速率来衡量，可靠性用差错率（误码率）来衡量。,8,数字通信系统的质量指标,1）传输速率数据传输速率指的是单位时间内传送的信息量，它有多种表示方法。数字信号由码元组成，码元携带一定的信息量。定义单位时间传输的码元数为码元速率Rs，单位为码元/秒，又称为波特（Baud）。定义单位时间传输的信息量为信息速率Rb，单位为bit/s（比特/秒）或bps，所以信息速率又称比特率。,9,数字通信系统的质量指标,2）差错率差错率即误码率，是衡量数据通信系统在正常工作情况下传输可靠性的指标。差错率的定义是二进制码元被传输出错的概率。如果被传错的码元数为Ne，传输的二进制码元总数为N，则误码率为PsNe/N。在计算机网络中，误码率通常要求低于10-6。定义误比特率Pb错误比特数/传输的总比特数；误比特率又称为误信率。差错率越小，通信的可靠性越高。,10,计算机通信基础,两种通信方式并行通信串行通信,11,并行通讯,并行通信通常是将数据字节的各位用多条数据线同时进行传送。特点控制简单、传输速率较快；传输线较多长距离传送时成本高；接收方必须保证数据的同时接收传输频率不能太高由于电路高速震荡时，数据线之间会产生很大的频率干扰，造成数据出错，所以并行传输效率高但是传输速度受到限制。,12,串行通讯,串行通信是将数据字节分成一位一位的形式在一条传输线上逐个地传送。特点传输线少，成本低，适合长距离传送；但数据的传送控制比并行通信复杂。在多微机系统以及现代测控系统中信息的交换多采用串行通信方式。串行通讯有两种方式异步传输、同步传输,13,串行异步通信,异步通信是指发送与接收设备使用各自的时钟控制数据的发送和接收过程。为使双方的收发协调，要求发送和接收设备的时钟尽可能一致。异步通信是以字符（构成的帧）为单位进行传输，字符与字符之间的间隙（时间间隔）是任意的，但每个字符中的各位是以固定的时间传送的，即字符之间是异步的（字符之间不一定有“位间隔”的整数倍的关系），但同一字符内的各位是同步的（各位之间的距离均为“位间隔”的整数倍）。,14,串行异步通信的数据格式,,,异步通信的特点不要求收发双方时钟的严格一致，实现容易，设备开销较小，但每个字符要附加1～3位用于起止位，各帧之间还有间隔，并且通信速率不能做得很高（误码率），因此传输效率不高。,15,串行同步通信,高速通信要求采用同步传送。发送端和接收端必须使用共同的时钟源（发送方时钟）才能保持它们之间的准确同步。此时，传输数据的位之间的距离均为“位间隔”的整数倍，同时传送的字符间不留间隙，即保持位同步关系，也保持字符同步关系。发送方对接收方的同步可以通过两种方法实现。,外同步I2C/SPI,自同步USB/IEEE1394/Ethernet,16,Ethernet通信,10BaseT采用曼彻斯特编码，100BaseTX采用4B/5B编码。,17,曼彻斯特编码,曼彻斯特编码（ManchesterEncoding）是一个同步时钟编码技术，它是将每一个码元再分成两个相等的间隔。码元1是在前一个间隔为高电平而后一个间隔为低电平。码元0则正好相反，从低电平变到高电平。优点可以保证在每一个码元的正中间出现一次电平的转换，接收端可将此变化提取出来作为同步信号。缺点需要双倍的传输带宽，即信号速率是数据速率的2倍。,18,4B/5B编码,4B/5B编码是一种块编码方式。这种编码方式要求每个5比特码组中不含多于3个“0”，或者不会少于2个“1”，且在每个比特“1”的持续期间的开始处都有电平跳变，所以在一个5位块内总能进行时钟同步。该方法需要25的额外开销。因其效率高和容易实现而被采用，该编码方法已广泛用于100Mbps以太网和FDDI环形网。在同样的20MHz钟频下,利用4B/5B编码可以在10兆位/秒的10Base-T电缆上得到16兆位/秒的带宽。,19,Ethernet通信,当PC机向Ethernet网发送数据时，总是以并行方式逐字节地传给LAN管理部分，LAN管理部分串行传给“曼彻斯特编码器”或“4B/5B编码器”进行编码。当PC机从Ethernet网上接收数据时，接收器将所接收到的码流传给“曼彻斯特解码器”或“4B/5B解码器”，完成时钟恢复和数据接收。LAN的质量高低就取决于时钟恢复的精确度。,20,通信方式DataFlow,数据通讯网络必须规定数据发生设备和接收设备之间数据流的控制机制，以保证数据的正确传输。数据流方式（3种）Simplex（单工）Half-duplex（半双工）Full-duplex（全双工）,21,单工方式（SIMPLEX）,单工方式可以被视为单行道（one-waystreet）。时间只能沿一个方向传输，即一个器件只能是接收端或发送端，二者只能居其一。FMradiostationandourcarradio.Inationflowsonlyinonedirectionwheretheradiostationisthetransmitterandthereceiverisyourcarradio.单工方式在计算机通信中并不常用，由于缺乏信息反馈通道，计算机无法确认数据是否被正确接收。,22,半双工方式（HALFDUPLEX）,允许同一条传输线既用作发送又用作接收，就同一台设备而言，发送和接收不能在同一时刻进行，同一时刻数据线上只能有一个发送设备，而其它设备均工作在接收方式，这样的通信系统就是半双工制。ApplicationRS485network,23,全双工方式（DUPLEX）,当信号的发送和接收分别使用不同的传输线时，这样的通信系统就是全双工制。全双工方式可以在同一时刻可以同时发送和接收数据（数据双向流动），因此可以方便地控制和确认数据的传输和接收。Point-to-pointCommunication,2.2串口仪器,2.测控总线技术,,,25,概述,RS-232-C（又称EIARS-232-C）是由美国电子工业协会（EIA-ElectronicIndustryAssociation）联合贝尔系统、调制解调器及计算机终端制造商共同制定的串行通讯标准，1969年发布。RS-RecommededStandard，232-识别代号，C-版本号（1969）。它既是一种电气标准，又是一种物理接口标准。它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准”，目的CommunicateaDTEwithaDCEmodem它规定连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。是目前最常用的一种串行通讯接口，PC机上的COM1、COM2端口，就是RS-232C接口。,26,RS-232C机械特性,RS-232C标准规定，在连接时采用一对物理连接器。实际上，RS-232C的25条引线中有许多是很少使用的，在计算机与终端通讯中一般只使用3-9条引线。BasiclinesTocommunicateTXD,RXD,SGND,RS-232CConnector,27,RS-232C电气特性,RS-232isanunbalancedline.Signalsarereferencedtoground.RS-232C信号线使用负逻辑（接负载时）1-5-15V,0515V。最小噪声容限为2V，即要求接收器能识别低至3V的信号作为逻辑“0”，高到-3V的信号作为逻辑“1”。由于RS-232C的逻辑电平不与TTL电平兼容，因此为了能与TTL器件连接，必须进行电平转换。,Unloaded,,RS232NORM（规范）,30,RS-232C的不足之处,传输距离短，传输速率低RS-232C受电容允许值的约束，使用时传输距离一般不要超过15米。在最大允许传输距离15米时，最高传送速率为19.2Kbps。抗干扰能力差RS-232C总线标准要求收发双方共地，接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式。通信距离较大时，收发双方的地电位差别较大，在信号地上将有比较大的地电流并产生压降。这种共地传输容易产生共模干扰，抗噪声和抗干扰性弱。安全性差为了提高信噪比，RS-232C不得不采用比较大的电压摆幅。接口的信号电平值较高，易损坏接口电路芯片；并且因为与TTL电平不兼容，故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。,31,RS-422A标准,针对RS-232-C的不足，出现了一些新的接口标准RS-422A/RS-485。RS-422A是一种电气标准，规定采用差动平衡的电气接口，可长距离、高速率传输数据能够在1200m内把速度提高到100Kb/s；在15m内，传输速率可高达10Mb/s。在RS-422A线路中，发送信号要用两条线，接收信号也要两条线。采用RS-422A实现两点之间远程通信时，需要两对平衡差动电路（至少4根线）形成全双工传输电路。,32,RS422,RS422是大多数RS232应用的替代方案。RS422为全双工方式，适用于远距离通信。采用平衡的电平信号传输方式，在双绞线介质上可以到达更高的传输率和更远的距离。,33,RS-485/422,Usesbalancedlineswhereapairofwiresisusedforeachsignalline,/-2to/-6VThevoltagedifferenceofthepairindicatethestate.RS-485alsohasan“enable“tocontroltri-statingthedevice.WithRS-422itisoptional.,34,BalancedReceiver,Receivermustsee200mVforlogiclevel1-200mVforlogiclevel0,35,RS-485标准,为适应真正多点通信的需要，便产生了多点总线互联结构形式的RS-485标准。实际上，RS-485是RS-422A的变型，它与RS-422A都是采用平衡差动电路，区别在于RS-485为半双工工作方式，因而可以采用一对平衡差动信号线来连接。RS-485用于多点互联时非常方便。RS-485适用于收发双方共用一对线进行通信，也适用于多点之间共用一对线路进行总线方式联网，构成分布式控制系统。由于共用一条线路，在任何时到，只允许有一个发送器发送数据，其它发送器必须处于关闭（高阻）状态，这是通过发送器芯片上的发送允许端控制的。,36,RS-485特点,RS-485接口信号电平比RS-232-C低，且与TTL电平兼容，可方便地与TTL电路连接，提高了接口电路的安全性。采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗噪声干扰性好。数据最高传输速率为10Mbps；最大传输距离标准值为4000英尺（1200米），实际上可达3000米。在总线上是允许连接多达128/256个收发器，可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。（RS485MultidropLAN）驱动器可以经受总线争用和总线故障。,COMPARISIONS,39,串行通信过程,计算机发送数据时，由CPU把数据传送给串行接口，再由串行接口通过一条传输线在发送时钟的触发下按位传送数据。计算机接收数据时，由串行接口沿着一条传输线按位接收数据，当一帧数据接收完后，由串行接口将串行数据转换为并行数据供CPU读取。,40,RS232SERIALFRAME,TerminologyBaudrate--SpeedindatatransmissionbitspersecondDatabits--LSBfirst5,6,7,8Parity--optionalerror-checkingbitStartbit–1bitatbeginningofdataStopbits--1,1.5,or2invertedbitsatdataendFlowcontrol--hardwareandsoftwarehandshakingoptions,41,工业计算机IPC–IndustrialPC,通用工业电脑IPC,42,工业计算机IPC–IndustrialPC,工业平板电脑PanelIPC,43,工业计算机IPC–IndustrialPC,嵌入式工业计算机EmbeddedIPC,44,智能仪器,45,智能仪器,46,HardwareImplementationofRS232systems,UARTSerialTxRx,,C,UART,LevelShifter,,,EmbeddedSystem,ControllerC,PPC,LevelShifter233,UARTUniversalAsynchronousReceiver/Transmitter,47,串口仪器系统的组成,通过电缆，将仪器的RS232串行接口与计算机的RS232串行接口连接起来。,ELEMENTSComputerwithUARTInstrumentwithUARTRS232Cable9lines1Tx,1Rx,1Gnd.SoftwareDrivertoaccessserialportusersapplication,UARTUniversalAsynchronousReceiver/Transmitter,48,RS232SystemArchitecture,DTE,UART,DTE,UART,RS232cable,Driver,Driver,App.Sw.,App.Sw.,Pointtopointarchitecture.,Fullduplexbothdirectionsatthesametime.,UARTdigitalcircuittoimplementserialcommunication,49,串口仪器编程,Command,Init.SerialPort,Write,Read,Close,,,,PCController,Init.SerialPort,Read,Write,Close,,,,InstrumentMCU,,,Data/Status,,Identical,通信协议byUser,,,50,串口仪器通讯初始化,Baudrate9600,19200,38400,115200,,51,通信协议（自定义）,自检和诊断daqSelfTest,daqGetStatus软复位daqReset配置通道、动态范围、采样频率、采样点数daqSetChannel,daqSetSampleRate,启动测量/数据采集daqStart数据读取daqGetData,52,思考题,计算机有哪几种总线通信方式它们各有什么特点请简述RS232/RS422/RS485的总线特点及其应用。串口仪器是如何构成的并说明其编程方法。,QA,