《智能化儀器原理及應(yīng)用》課件-第3章

第3章智能儀器的數(shù)據(jù)通信技術(shù)

3.1串行數(shù)據(jù)通信技術(shù)

3.2并行數(shù)據(jù)通信技術(shù)

3.3

USB總線技術(shù)3.4無線通信技術(shù)

3.5實訓(xùn)項目二——溫室無線測控系統(tǒng)設(shè)計

本章小結(jié)思考題與習(xí)題

3.1.1串行通信的基本概念

串行通信是將數(shù)據(jù)一位一位地傳送。它只需要一根數(shù)據(jù)線，硬件成本低，而且可以使用現(xiàn)有的通信通道（如電話、電報等），故在智能化測控儀器儀表中,通常采用串行通信方式來實現(xiàn)與其他儀器或計算機系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳送。下面介紹串行通信的一些基本概念。

3.1串行數(shù)據(jù)通信技術(shù)

1.波特率

所謂波特率（BaudRate），是指每秒串行發(fā)送或接收的二進制位（bit）數(shù)目，其單位為b/s（比特/秒）。它是衡量數(shù)據(jù)傳輸速度的指標，也是衡量傳送通道頻帶寬度的指標。

2.單工、半雙工與全雙工按照智能設(shè)備發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的方向，以及能否同時進行數(shù)據(jù)傳輸，可將數(shù)據(jù)傳輸方式分為單工、半雙工與全雙工三種，如圖3-1所示。

圖3-1單工、半雙工和全雙工示意圖（1）單工（Simplex）方式：相互通信的任何一方僅允許數(shù)據(jù)單方向傳送。（2）半雙工（HalfDuplex）方式：通信的雙方既可以發(fā)送又可以接收數(shù)據(jù)，但是發(fā)送和接收數(shù)據(jù)只能分時使用同一傳輸線路，即在某一時刻只允許進行一個方向的數(shù)據(jù)傳送。（3）全雙工（FullDuplex）方式：通信的雙方采用兩根傳輸線連接兩端設(shè)備，可同時進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

3.串行傳送（通信）方式及規(guī)程在串行傳送中，沒有專門的信號線可用來指示接收、發(fā)送的時刻并辨別字符的起始和結(jié)束，為了使接收方能夠正確地解釋接收到的信號，收發(fā)雙方需要制定并嚴格遵守通信規(guī)程（協(xié)議）。串行傳送有異步和同步兩種基本方式，通信規(guī)程如下。

1）異步傳送規(guī)程異步傳送是以字符為單位傳送的。異步傳送的每個字符必須由起始位（1位“0”）開始，之后是7位或8位數(shù)據(jù)和1位奇偶校驗位。數(shù)據(jù)的低位在先，高位在后，字符以停止位（1位、1位半或2位邏輯“1”）表示字符的結(jié)束，從起始位開始到停止位結(jié)束組成一幀信息。因此，異步串行傳送的一幀字符信息由四部分組成：起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位和停止位（如圖3-2示）。停止位后面可能不會立刻緊接下一字符的起始位，這時停止位后面一直維持“1”狀態(tài)，這些位稱為“空閑位”。3-2異步串行傳送數(shù)據(jù)格式

異步傳送的標準波特率有很多種，目前常用的是300、600、1200、2400、4800、9600、19200b/s。異步傳送對每個字符都附加了同步信息，降低了對時鐘的要求，硬件較為簡單，但冗余信息（起始位、停止位和奇偶校驗位）所占比例較大，數(shù)據(jù)的傳輸速度一般低于同步傳送方式。

2）同步傳送規(guī)程在同步傳送過程中，必須規(guī)定數(shù)據(jù)的長度（每個字符有效數(shù)據(jù)為幾位），并以數(shù)據(jù)塊形式傳送，用同步字符指示數(shù)據(jù)塊的開始。同步字符可用單字符、雙字符或多字符。數(shù)據(jù)塊之后為CRC（CyclicRedundancyCheck，循環(huán)冗余校驗碼）字符，用于檢驗同步傳送的數(shù)據(jù)是否出錯。同步傳送的數(shù)據(jù)格式如圖3-3所示。圖3-3同步傳送的數(shù)據(jù)格式

由于同步傳送中的冗余信息（同步字符、CRC字符）所占比例小，因此數(shù)據(jù)的傳輸速度一般高于異步傳送方式。由于要求發(fā)送方與接收方的時鐘精確同步，因此同步傳送方式的硬件較為復(fù)雜。時鐘信息可以通過一根獨立的信號線進行傳送，也可以通過將信息中的時鐘代碼化來實現(xiàn)（如采用曼徹斯特編碼）。

4.基帶傳輸對數(shù)字信號不加調(diào)制，以其基本形式進行的傳輸稱為基帶傳輸?；鶐鬏斨袛?shù)字信息的形式是與其通信速率有關(guān)的開關(guān)信號，覆蓋相當寬廣的頻譜。受傳輸介質(zhì)（電纜）分布參數(shù)和外界噪聲等的影響，信號將會產(chǎn)生一定程度的畸變。為了在接收端能正確地還原數(shù)據(jù)信息，必須將信號在傳輸過程中的畸變限制在一定的范圍內(nèi)。由于分布參數(shù)和外界噪聲的影響與傳輸距離成正比，因而導(dǎo)致了對傳輸速率和傳輸距離的限制。

5.調(diào)制/解調(diào)與調(diào)制解調(diào)器儀器內(nèi)部總線、片間總線和底板總線采用基帶傳輸一般沒有什么問題，對于儀器外部總線上進行的遠距離數(shù)據(jù)傳輸，基帶傳輸不能保證其可靠性，必須對基帶信號加以調(diào)制再進行傳輸。調(diào)制的本質(zhì)是將頻帶寬度無限的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為頻帶寬度有限的調(diào)制信號(模擬信號或射頻信號)，從而增加其可靠傳輸?shù)木嚯x。在接收端通過解調(diào)再將調(diào)制信號恢復(fù)為原來的數(shù)字信號，這一過程被稱為調(diào)制/解調(diào)(ModulationandDemodulation)。承擔調(diào)制/解調(diào)任務(wù)的設(shè)備稱為調(diào)制解調(diào)器(Modem)，如圖3-4所示。圖3-4通過Modem的串行通信示意圖3.1.2

RS-232C標準串行接口總線

RS-232C是美國電子工業(yè)協(xié)會EIA（ElectronicIndustriesAssociation）公布的串行通信標準，RS是英文“推薦標準”的字頭縮寫，232是標識號，C表示該標準修改的次數(shù)（3次）。最初發(fā)展RS-232C標準是為了促進數(shù)據(jù)通信在公用電話網(wǎng)上的應(yīng)用，通常要采用調(diào)制解調(diào)器進行遠距離數(shù)據(jù)傳輸。20世紀60年代中期，將此標準引入到計算機領(lǐng)域，目前廣泛用于計算機與外圍設(shè)備的串行異步通信接口中，除了真正的遠程通信外，不再通過電話網(wǎng)和調(diào)制解調(diào)器。

1.總線描述

RS-232C標準定義了數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）與數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）之間進行串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌谛畔?，?guī)定了接口的電氣信號和接插件的機械要求。RS-232C對信號開關(guān)電平規(guī)定如下：驅(qū)動器的輸出電平為邏輯“0”：+5V~+15V；邏輯“1”：-5V~-15V。接收器的輸入檢測電平為邏輯“0”：>+3V；邏輯“1”：<-3V。

RS-232C采用負邏輯，噪聲容限可達2V。

RS-232C接口定義了20條可以同外界連接的信號線，并對它們的功能做了具體規(guī)定。這些信號線并不是在所有的通信過程中都要用到，可以根據(jù)通信聯(lián)絡(luò)的繁雜程度選用其中的某些信號線。常用的信號線如表3-1所示。表3-1

RS-232C標準串行接口總線的常用信號

RS-232C用作計算機與遠程通信設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸接口，如圖3-5所示。圖中信號線分為數(shù)據(jù)信號線和控制信號線，分別說明如下。圖3-5帶RS-232C接口的通信設(shè)備連接

1)數(shù)據(jù)信號線“發(fā)送數(shù)據(jù)”（TxD）與“接收數(shù)據(jù)”（RxD）是一對數(shù)據(jù)傳輸信號線。TxD用于發(fā)送數(shù)據(jù)，當無數(shù)據(jù)發(fā)送時，TxD線上的信號為“1”；RxD用于接收數(shù)據(jù)，當無數(shù)據(jù)接收時或接收數(shù)據(jù)間隔期間，RxD線上的信號也為“1”。

2)控制信號線“請求發(fā)送”（RTS）與“為發(fā)送清零”（CTS）信號線用于半雙工通信方式。半雙工方式下發(fā)送和接收只能分時進行，當DTE有數(shù)據(jù)待發(fā)送時，先發(fā)“請求發(fā)送”信號通知調(diào)制解調(diào)器。此時，若調(diào)制解調(diào)器處于發(fā)送方式，則回送“為發(fā)送清零”信號，發(fā)送即開始；若調(diào)制解調(diào)器處于接收方式，則必須等到接收完畢轉(zhuǎn)為發(fā)送方式時，才向DTE回送“為發(fā)送清零”信號。在全雙工方式下，發(fā)送和接收能同時進行，不使用這兩條控制信號線。

“DCE就緒”（DSR）與“DTE就緒”（DTR）信號線分別表示DCE和DTE是否處于可供使用的狀態(tài)。“保護地”信號線一般連接設(shè)備的屏蔽地。

2.RS-232C接口的常用系統(tǒng)連接計算機與智能設(shè)備通過RS-232C標準總線直接互連傳輸數(shù)據(jù)是很有實用價值的，一般使用者需要熟悉互連接線的方法。

圖3-6為全雙工標準系統(tǒng)連接?！鞍l(fā)送數(shù)據(jù)”(TxD)線交叉連接，總線兩端的每個設(shè)備均既可發(fā)送，又可接收。“請求發(fā)送”（RTS）線折回與自身的“為發(fā)送清零”（CTS）線相連，表明無論何時都可以發(fā)送。“DCE就緒”（DSR）線與對方的“DTE就緒”（DTR）線交叉互連，作為總線一端的設(shè)備檢測另一端的設(shè)備是否就緒的握手信號?！拜d波檢測”（DCD）與對方的“請求發(fā)送”（RTS）相連，使一端的設(shè)備能夠檢測對方設(shè)備是否在發(fā)送。這兩條連線較少使用。圖3-6全雙工標準系統(tǒng)連接

如果由RS-232C連接兩端的設(shè)備隨時都可以進行全雙工數(shù)據(jù)交換，那么就不需要進行握手聯(lián)絡(luò)了。此時，圖3-6所示的全雙工標準系統(tǒng)連接就可以簡化為圖3-7所示的全雙工最簡系統(tǒng)連接。圖3-7全雙工最簡系統(tǒng)連接

RS-232C發(fā)送器電容負載的最大驅(qū)動能力為2500pF，這就限制了信號線的最大長度。例如，如果采用每米分布電容約為150pF的雙絞線通信電纜，則最大傳輸距離限制在15m。如果使用分布電容較小的同軸電纜，則傳輸距離可以再增加一些。對于長距離傳輸或無線傳輸，則需要用調(diào)制解調(diào)器通過電話線或無線收發(fā)設(shè)備連接，如圖3-8所示。圖3-8調(diào)制解調(diào)器通信系統(tǒng)連接圖

3.電平轉(zhuǎn)換在計算機及智能儀器內(nèi)，通用的信號是正邏輯的TTL電平。而RS-232C的邏輯電平為負邏輯的±12V信號，與TTL電平不兼容，必須進行電平轉(zhuǎn)換。用于電平轉(zhuǎn)換的集成電路芯片種類很多，RS-232C總線輸出驅(qū)動器有MC1488、SN75188、SN75150等，總線接收器有MC1489、SN75199、SN75152等，其中MC1488和MC1489的應(yīng)用方法如圖3-9所示。圖3-9

RS-232C與TTL電平轉(zhuǎn)換器為了把+5V的TTL電平轉(zhuǎn)換為-2V~+12V的RS-232C電平，輸出驅(qū)動器需要±12V電源。一些RS-232C接口芯片采用單一的+5V電源，其內(nèi)部已經(jīng)集成了DC/DC電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，而且輸出驅(qū)動器與接收器制作在同一芯片中，使用更為方便。例如MAX232、ICL232等。

4.計算機接口計算機中的數(shù)據(jù)是并行的，為了實現(xiàn)異步串行傳輸，發(fā)送時必須進行并-串轉(zhuǎn)換，而且要把數(shù)據(jù)字符組織成如圖3-2所示的數(shù)據(jù)格式；接收時必須從圖3-2所示的格式中把有用的字符提取出來，再進行串-并轉(zhuǎn)換。此外，還要檢驗傳送是否正確。這些工作一般采用專用集成電路芯片UART（通用異步接收器/發(fā)送器）來完成。UART作為計算機的串行通信接口電路芯片，在相應(yīng)的控制軟件配合下，實現(xiàn)異步串行數(shù)據(jù)傳輸。UART芯片種類很多，常用的有Intel8251、Intel8250、ZilogZ80-SIO、MotorolaMC6850等。許多單片計算機也有UART，詳細內(nèi)容讀者可參閱有關(guān)的書籍和產(chǎn)品手冊。3.1.3RS-422A與RS-423A標準串行接口總線雖然RS-232C使用很廣泛，但它存在著一些不足，主要有：（1）數(shù)據(jù)傳輸速率低，一般低于20kb/s。（2）傳輸距離短，一般局限于15m。即使采用較好的器件及優(yōu)質(zhì)同軸電纜，最大傳輸距離也不能超過60m。（3）有25芯D型插針和9芯D型插針等多種連接方式，不利于標準化設(shè)計。

（4）信號傳輸電路為單端電路，共模抑制性能較差，抗干擾能力弱。針對以上不足，EIA于1977年制定了新標準（RS-449），目的在于支持較高的傳輸速率和較遠的傳輸距離。RS-449標準定義了RS-232C所沒有的10種電路功能，規(guī)定了37腳的連接器標準。RS-422A和RS-423A實際上只是RS-449標準的子集。

RS-423A與RS-232C兼容，單端輸出驅(qū)動，雙端差分接收。正信號邏輯電平為+200mV~+6V，負信號邏輯電平為-2000mV~-6V。差分接收提高了總線的抗干擾能力，從而在傳輸速率和傳輸距離上都優(yōu)于RS-232C。

RS-422A與RS-232C不兼容，雙端平衡輸出驅(qū)動，雙端差分接收，從而使其抑制共模干擾的能力更強，傳輸速率和傳輸距離比RS-423A更進一步。

RS-423A與RS-422A帶負載能力較強，一個發(fā)送器可以帶動10個接收器同時接收。

RS-423A與RS-422A的電路連接分別如圖3-10(a)、(b)所示。圖3-10

RS-423A和RS-422A的電路連接3.1.4

RS-]485標準串行接口總線

RS-485標準串行接口總線實際上是RS-422A的變型，它是為了適應(yīng)用最少的信號線實現(xiàn)多站互連，構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)的需要而產(chǎn)生的。它與RS-422A的不同之處在于：

·兩個設(shè)備相連時，RS-422A為全雙工，RS-485為半雙工；

·對于RS-422A，數(shù)據(jù)信號線上只能連接一個發(fā)送驅(qū)動器，而RS-485卻可以連接多個，但在某一時刻只能有一個發(fā)送驅(qū)動器發(fā)送數(shù)據(jù)。因此，RS-485的發(fā)送電路必須由使能端E加以控制。

RS-485用于多個設(shè)備互連，構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)十分方便，而且它可以高速遠距離傳送數(shù)據(jù)。因此，許多智能儀器都配有RS-485總線接口，為網(wǎng)絡(luò)互連，構(gòu)成分布式測控系統(tǒng)提供了方便。通過RS-]485總線進行多站互連的原理如圖3-11所示。在同一對信號線上，RS-485總線可以連接多達32個發(fā)送器和32個接收器。一些RS-485接口芯片，可以連接更多的發(fā)送器和接收器（128或256個）。圖3-11

RS-485總線多站互連原理圖

應(yīng)當指出，對于RS-423A、RS-422A與RS-485總線，表3-2中列出的最大傳輸距離和最大傳輸速率并不能同時達到。傳輸距離長時，傳輸速率就低一些；傳輸距離短時，傳輸速率就可以高一些。RS-422A與RS-485的傳輸距離與傳輸速率之間的關(guān)系如圖3-12所示?？梢钥闯觯谧罡邆鬏斔俾蕿?0Mb/s的情況下，傳輸距離僅為10m。只有在傳輸速率不超過100kb/s的條件下，傳輸距離才可以達到1200m。當傳輸速率在100kb/s~10Mb/s范圍內(nèi)時，傳輸距離受限于傳輸線的歐姆阻抗、集膚效應(yīng)等損耗而導(dǎo)致信號畸變。由于損耗與頻率有關(guān)，因此傳輸速率與傳輸距離大體為反比關(guān)系，可用下面的經(jīng)驗公式進行計算：圖3-12傳輸距離與傳輸速率的關(guān)系表3-12

RS1423A、RS1422A與RS1485的各項性能對比

實踐證明，在構(gòu)成RS1485總線互連網(wǎng)絡(luò)時，要使系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸達到高可靠性的要求，通常需要考慮下列幾個方面的問題。

1.傳輸線的選擇和阻抗匹配在差分平衡系統(tǒng)中，一般選擇雙絞線作為信號傳輸線。雙絞線價格低廉，使用方便，兩條線基本對稱，外界干擾噪聲主要以共模方式出現(xiàn)，對接收器的差動輸入影響不大。信號在傳輸線上傳送時，如果遇到阻抗不連續(xù)的情況，會出現(xiàn)反射現(xiàn)象。傳送的數(shù)字信號包含豐富的諧波分量，如果傳輸線阻抗不匹配，高次諧波可能通過傳輸線向外輻射形成電磁干擾（EMT）。雙絞線的特性阻抗一般在110Ω~130Ω之間，通常在傳輸線末端接一個120Ω的電阻進行阻抗匹配。有些型號的RS1485發(fā)送器芯片有意降低信號變化沿斜率（簡稱限斜率），從而使高次諧波分量大大減少，并可減少傳輸線阻抗匹配不完善而帶來的不利影響。例如MAX483、MAX488、SN75LBC184等芯片都具有這種功能。

2.隔離

RS-1485總線在多站互連時，相距較遠的不同站之間的地電位差可能很大，各站若直接連網(wǎng)，則很有可能導(dǎo)致接口芯片，尤其是接收器接口芯片的損壞。解決這一問題簡單有效的方法是將各站的串行通信接口電路與其他站進行電氣隔離，如圖3-13所示。實踐證明，這是一種有效的辦法。圖3-13所示電路可以用分立的高速光耦器件、帶隔離的DC/DC電源變換器與RS1485收發(fā)器組合而成，也可以采用專門的帶隔離收發(fā)器的芯片。MAXIM公司生產(chǎn)的MAX1480B是具有光隔離的RS1485接口芯片，片內(nèi)包括收發(fā)器、光電耦合器和隔離電源，由單一的+5V電源供電，使用十分方便。圖3-13光電隔離的RS-485總線

3.抗靜電放電沖擊

RS-485接收器差分輸入端對地的共模電壓范圍為-7V~+12V，超過此范圍時器件可能損壞。接口芯片在安裝和使用過程中，可能受到靜電放電沖擊，例如人體接觸芯片引腳引起的靜電放電，其電壓可以高達35kV。靜電放電會影響電路的正常工作或?qū)е缕骷p壞，解決的辦法是選用帶靜電放電保護的RS-485接口器件，例如MAX1487E、MAX483E-491E、SN75LBC184等。這些器件對抗其他類型的高共模電壓干擾（如雷電干擾）也很有效。解決這一問題的另一個辦法是在傳輸信號線上加箝位電路。

4.傳輸線的鋪設(shè)及屏蔽在系統(tǒng)安裝時，應(yīng)盡量做到傳輸線單獨鋪設(shè)，不與交流動力線一起鋪設(shè)在同一條電纜溝中。強信號線與弱信號線避免平行走向，盡量使兩者正交。如果這些要求很難實現(xiàn)，也要盡量使信號線離干擾線遠一些，一般認為兩者的距離應(yīng)為干擾導(dǎo)線內(nèi)徑的40倍以上。如果采用帶有屏蔽層的雙絞線，將屏蔽層良好地接地，也會有很好的效果。3.2.1

Centronics標準并行接口

微型計算機配備的并行接口遵從Centronics標準，這是一個得到工業(yè)界普遍支持的標準，多用于計算機與打印機的并行連接，在智能儀器和其他智能設(shè)備（如仿真開發(fā)裝置）與微型計算機的連接中也被采用。這個標準開始規(guī)定了一個36芯插頭座，并對每個引腳的信號做了明確的規(guī)定（如表3-3所示），其中有8條數(shù)據(jù)線、3條聯(lián)絡(luò)線和一些特殊的控制線。后來將這個標準簡化為25芯插頭座。3.2并行數(shù)據(jù)通信技術(shù)

表3-3

Centronics標準并行接口引腳信號

3.2.2

GP-IB（IEEE488）總線自動測試系統(tǒng)中典型的并行總線是GP-IB（IEEE488）總線，GP-IB（GeneralPurposeInterfaceBus，通用接口總線）是國際通用的儀器接口標準。GP-IB總線可將多臺配置有GP-IB接口的獨立儀器連接起來，在具有GP-IB接口的計算機和GP-IB協(xié)議的控制下形成協(xié)調(diào)運行的有機整體。由于數(shù)據(jù)傳輸距離較近，并行數(shù)據(jù)電纜的導(dǎo)線數(shù)目較多，因此可以體現(xiàn)并行通信高速傳輸?shù)膬?yōu)勢。

在自動測試系統(tǒng)中，配置有GP-IB接口的智能儀器（一般稱之為GP-IB儀器）之間的通信是通過接口系統(tǒng)發(fā)送“儀器消息”和“接口消息”來實現(xiàn)的。儀器消息即通常概念中的數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)消息，主要包含該儀器的特定信息（如編程指令、測量結(jié)果、機器狀態(tài)和數(shù)據(jù)文件等）；接口消息則用于管理總線，通常稱之為命（Command）或命令消息。接口消息執(zhí)行諸如總線初始化、對儀器尋址、將儀器設(shè)置為遠程方式或本地方式等操作。此處的“命令”與特定儀器的專用命令是兩個不同的概念，特定儀器的專用命令在GP-IB系統(tǒng)中是作為數(shù)據(jù)消息來處理的。在一個GP-IB標準接口總線系統(tǒng)中要進行有效的通信聯(lián)絡(luò)，至少有“講者”（Talker）、“聽者”（Listener）和“控者”（Controller）三類儀器裝置。講者通過總線向接收數(shù)據(jù)的一個或多個聽者發(fā)送數(shù)據(jù)信息；聽者是通過總線接收由講者發(fā)出消息的裝置；控制器（控者）則通過向所有的儀器發(fā)送命令來管理GP-IB總線上的信息流。自動測試系統(tǒng)中的某臺GP-IB儀器既可能是講者，也可能是聽者。但在某一時刻，只能有一個講者在起作用。圖3-14中的自動測試系統(tǒng)由數(shù)字電壓表、信號發(fā)生器、打印機和計算機（安裝GP-IB卡）組成。計算機為控者，用以控制三臺GP-IB儀器按照GP-IB協(xié)議規(guī)范協(xié)調(diào)地工作。“聽”、“講”、“控”是相對GP-IB總線而言的。圖3-14

GP-IB自動測試系統(tǒng)

GP-IB標準接口由16根信號線組成，分為數(shù)據(jù)線（8根）、掛鉤線（HandShake）（3根）[JP]和接口管理線（5根）三組。數(shù)據(jù)線DIO1~DIO8傳輸數(shù)據(jù)消息和命令消息。ATN線的狀態(tài)決定數(shù)據(jù)線上的消息是數(shù)據(jù)還是命令。所有的命令和大多數(shù)數(shù)據(jù)采用7位ASCII或ISO代碼，故數(shù)據(jù)線的第8位（DIO8）可用做奇偶校驗位或不用。3根掛鉤線控制儀器之間信息字節(jié)的傳輸，形成“三線互鎖掛鉤”過程，以保證數(shù)據(jù)線上信息字節(jié)的發(fā)送和接收不產(chǎn)生傳輸錯誤。

3根掛鉤線的信號如下：

(1)NRFD（NotReadyforData，接收數(shù)據(jù)未就緒）：指示某儀器是否準備好接收一個消息字節(jié)。該信號線在接收命令時由所有的儀器驅(qū)動，在接收數(shù)據(jù)消息時由聽者驅(qū)動。

(2)NDAC（NotDataAccepted，未接收數(shù)據(jù)）：指示某儀器是否接收到消息字節(jié)。該信號線在接受命令時由所有的儀器驅(qū)動，而在接收數(shù)據(jù)消息時由聽者驅(qū)動。

(3)DAV（DataValid，數(shù)據(jù)有效）：指示數(shù)據(jù)線上的信號是穩(wěn)定（有效）的，并可由儀器安全接收?？刂破髟诎l(fā)送命令時發(fā)送此信號，而講者則在發(fā)送數(shù)據(jù)消息時發(fā)送此信號。

5根管理信號線的信號如下：

(1)ATN（Attention，注意）：控制器在使用數(shù)據(jù)線發(fā)送命令時將這根信號線設(shè)置為真，而在某一講者可以發(fā)送數(shù)據(jù)消息時將其設(shè)置為假。

(2)IFC（InterfaceClear，接口清除）：系統(tǒng)控制器驅(qū)動該信號線對總線初始化，并成功地執(zhí)行控制器。

(3)REN（RemoteEnable，遠程允許）：系統(tǒng)控制器驅(qū)動REN，用于將各儀器設(shè)置為遠程（Remote）編程或本地（Local）編程方式。

(4)SRQ（ServiceRequest，服務(wù)請求）：任何儀器均可以驅(qū)動該信號線，實現(xiàn)異步請求控制器服務(wù)。

(5)EOI（EndorIdentify，結(jié)束或識別）：講者使用該信號線標記信息字符串的結(jié)束，而控制器則使用該信號線要求各儀器在并行查詢操作中識別各自的響應(yīng)。

GP-IB總線通過標準電纜將GP-IB系統(tǒng)中各獨立的GP-IB儀器連接起來。GP-IB控制器的作用如同計算機中的CPU，但更像市話系統(tǒng)中的交換機，對GP-IB總線構(gòu)成的通信網(wǎng)絡(luò)實施監(jiān)控。當控制器察覺到某儀器欲發(fā)送一條數(shù)據(jù)消息時，即把講者連接到聽者?？刂破魍ǔＴ谥v者向聽者發(fā)送消息之前，對講者和聽者尋址，在講者和聽者之間建立聯(lián)系。某些GP-IB系統(tǒng)的組成不需要控制器（例如，一個系統(tǒng)中某儀器永遠是講者，而其他儀器則只是聽者）。如果系統(tǒng)中講者和聽者的身份需要動態(tài)更換，則系統(tǒng)中必須有一個控制器，這個控制器通常是一臺計算機。GP-IB系統(tǒng)中可以存在多個控制器，但任何時刻只能有一個執(zhí)行控制器（ControllerinCharge，CIC）,其他控制器只能充當講者或聽者的角色。圖3-15

24線連接器的引腳信號

GP-IB總線信號采用TTL電平負邏輯。GP-IB總線上的每臺儀器均采用一種特殊的24線屏蔽電纜連接，每根電纜的兩端都是一個將插頭和插座組合在一起的連接器。這樣的連接器可將多臺設(shè)備按串聯(lián)和星型的形式連接。24線連接器的引腳信號如圖3-15所示。連接器中18~23腳上的接地導(dǎo)線GND分別與6~11腳的信號線形成雙絞線，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

為了達到GP-IB在設(shè)計時所確定的高數(shù)據(jù)傳輸速率，總線上儀器之間的距離和能夠掛接的儀器數(shù)目是有限的。對于一般的操作來說，總線上相鄰兩儀器之間的距離不得大于4m,而總線上所有儀器之間的平均距離不得大于2m，系統(tǒng)中GP-IB總線的電纜總長度不得超過20m,最多只能掛接15臺儀器，且加電的儀器不得少于2/3。以下介紹GP-IB總線的兩種典型操作及其通信過程。

1.控制器的操作

控制器加電后一般應(yīng)發(fā)出IFC信號，使所有的GP-IB設(shè)備初始化；然后設(shè)置ATN（低電平有效），表示控制器將向總線上的聽者和講者發(fā)送命令，實現(xiàn)對系統(tǒng)的配置和調(diào)度。這時數(shù)據(jù)線上的8位數(shù)據(jù)為命令地址組合碼，其定義如表3-4所示。除對聽者和講者身份進行設(shè)置和取消命令外，還可使用16條通用命令。從該表中還可以看到，GP-IB設(shè)備可選用32個地址（雖然GP-IB總線上最多只能驅(qū)動15個裝置）。表3-4

GP-IB總線命令地址組合碼

控制器的操作過程：①檢測SRQ線，當其為低電平時，通過查詢確定請求服務(wù)的儀器；②設(shè)置ATN為有效（低電平）；③發(fā)送X0100001，確定地址為1的儀器為聽者；④發(fā)送X1000010，確定地址為2的儀器為講者；⑤設(shè)置ATN為高電平；⑥講者與聽者交換數(shù)據(jù)；⑦發(fā)送X0111111，關(guān)閉聽者；⑧發(fā)送X1011111，關(guān)閉講者。

2.三線掛鉤操作處于GP-IB總線數(shù)據(jù)傳輸最底層的三線掛鉤操作的標準過程如圖3-16所示。首先需要聽者解除（接收數(shù)據(jù)未就緒），由于NRFD和NDAC具有“線或”特性，因此總線上的所有聽者都必須接觸NRFD才能使NRFD線呈高電平。而講者在確認所有聽者均已就緒后，將有效數(shù)據(jù)字節(jié)放置在數(shù)據(jù)線上，然后發(fā)出DAV（數(shù)據(jù)有效)信號，通知聽者已有一個有效的數(shù)據(jù)字節(jié)放置在數(shù)據(jù)線上。這時，聽者即可開始接收數(shù)據(jù)。只要有一個聽者開始接收數(shù)據(jù)，即將NRFD置為低電平。聽者在接受了數(shù)據(jù)后試圖接觸NDAC（未接收數(shù)據(jù)）信號，表示數(shù)據(jù)已被接收。同樣，必須所有的聽者均發(fā)出NDAC，才能使NDAC線呈現(xiàn)高電平。

圖3-16

GP-IB總線的三線掛鉤操作

從以上掛鉤過程中可以看到，GP-IB總線上的數(shù)據(jù)傳輸速率取決于速度最慢的設(shè)備。一個字節(jié)的傳輸不能少于以下過程所需要的時間：①NRFD傳送到講者的時間；②聽者接收字節(jié)并產(chǎn)生NDAC信號的時間；③NDAC回傳到講者的時間；④講者再次產(chǎn)生DAV信號之前所需要的穩(wěn)定時間。為了提高數(shù)據(jù)傳輸速率，NI（NationalInstruments）公司開發(fā)了一種稱之為HS488的專利性高速GP-IB掛鉤協(xié)議，它可以有效地消除三線掛鉤操作中的傳遞延時。

以上所述的一個數(shù)據(jù)字節(jié)傳輸?shù)娜€掛鉤過程是GP-IB總線數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)，但是完整的信息一般包括多個字節(jié)，傳送完整的信息涉及數(shù)據(jù)格式、狀態(tài)報告、消息交換協(xié)議等多方面的問題。雖然IEEE488.1標準通過明確定義機械、電氣和硬件協(xié)議的規(guī)格，大大簡化了不同GP-IB儀器之間的互連，但并未很好地解決數(shù)據(jù)格式、狀態(tài)報告、消息交換協(xié)議、公共組態(tài)命令或裝置專用命令等方面的標準化問題。不同廠家在解決這些問題時采用不同的方法，留給用戶無所適從的困難。IEEE488.2標準針對原IEEE488.1標準的局限和含糊之處進行了進一步的標準化，并保持與IEEE488.1標準兼容。IEEE488.2標準主要在軟件協(xié)議方面制定了數(shù)據(jù)格式、狀態(tài)上報、出錯處理、控制器功能以及公共命令的標準，這些標準化工作使得GP-IB系統(tǒng)工作更加可靠。

為了簡化GP-IB接口設(shè)計，Intel、Motorola等公司推出了專用大規(guī)模集成電路接口芯片。Intel公司的8291A、8292及8293為其中的典型代表。Intel8291A可以實現(xiàn)除控者功能以外的全部接口功能。8292接口芯片僅具有控者功能，一般與8291A聯(lián)合使用，組成全功能GP-IB接口。8293是專門為8291A和8292配套的總線收發(fā)器，以保證GP-IB總線具有足夠的驅(qū)動能力。以下僅對8291A做簡要介紹。

圖3-17為Intel8291A的引腳和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。Intel8291A采用40腳雙列直插封裝，它的引腳分為兩類，一類與微處理器（含單片機）相連，另一類與GP-IB總線相連。與微處理器相連的主要信號有：雙向數(shù)據(jù)線（D7~D0）、地址線（RS2~RS0，選擇內(nèi)部8個讀寄存器和8個寫寄存器），片選信號（），讀/寫控制信號（），中斷請求信號（INT），DMA請求/響應(yīng)信號（），觸發(fā)信號（TRIG）以及復(fù)位信號（RESET）。與GP-IB總線相連的主要信號有：8位GP-IB數(shù)據(jù)線，3條GP-IB掛鉤信號線，5條GP-IB管理線，還有控制雙向GP-IB總線發(fā)送和接收數(shù)據(jù)方向的2條外部收發(fā)控制信號線(

)。圖3-178291A引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

Intel8291A內(nèi)部有16個專用寄存器（詳見表3-5），其中8個接收來自CPU的數(shù)據(jù)或控制命令（稱為“寫寄存器”）；另外8個向CPU傳送GP-IB總線狀態(tài)或數(shù)據(jù)（稱為“讀寄存器”）。只要對這16個寄存器進行適當?shù)淖x寫操作，就能使8291A完成各種工作。表3-58291A內(nèi)部寄存器一覽表

3.2.3VXI總線

VXI（VMEbusExtensionsforInstrumentation）總線儀器系統(tǒng)是模板插卡式結(jié)構(gòu)的智能儀器系統(tǒng)，可將各種具有獨立功能的模板式智能儀器連接在一起，構(gòu)成自動測試系統(tǒng)或[計算機測控系統(tǒng)。VXI總線儀器系統(tǒng)中的模板式智能儀器被稱為卡式儀器（IAC，InstrumentAtCard），如卡式數(shù)字電壓表、示波器、函數(shù)發(fā)生器、AI/AO和DI/DO通道等。按照自動測試系統(tǒng)或測控系統(tǒng)的功能要求，將選定的若干IAC安置在同一個機箱中，并掛在機箱背板的高速并行總線（背板總線）上，即可構(gòu)成不同用途和規(guī)模的VXI總線儀器系統(tǒng)。這些IAC可以在本機（Local）方式下獨立工作，在需要彼此呼應(yīng)或與儀器系統(tǒng)外部交換數(shù)據(jù)時，可通過背板總線進入遠程（Remote）。VXI總線儀器系統(tǒng)具有信息吞吐量大、配置靈活、結(jié)構(gòu)緊湊、儀器體積小等特點，是當前實驗室儀器系統(tǒng)研究和發(fā)展的熱點。

VXI總線具有嚴格的機械和電氣標準，共定義了四種儀器模板的尺寸：A型（10cm×16cm）、B型（23.3cm×16cm）、C型（23.3cm×34cm）和D型（36.7cm×34cm）。其中，A、B兩種是VME已定義的且具有真正含義的VME模板；C、D兩種是VXI標準專門定義的適用于更高性能儀器的尺寸，應(yīng)用最多的是C尺寸模板。VXI儀器系統(tǒng)采用可變尺寸結(jié)構(gòu)，允許小尺寸模板插入大機箱中。VXI系統(tǒng)的機箱（Mainframe）除了外殼和背板之外，還提供VXI系統(tǒng)的工作電源系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)等。VXI總線還定義了模板與底板總線插接的3個96針連接器標準，分別稱為P1、P2、P3。P1連接器是VME或VXI總線必須配備的基本連接器，它包括數(shù)據(jù)傳輸總線(24位地址和16位數(shù)據(jù))、中斷信號線和某些電源線。任選的P2連接器適用于除A尺寸以外的所有模板，可將數(shù)據(jù)傳輸總線擴展到32位，還增加了許多資源，如4個附加電源電壓、局部總線、模塊識別總線(允許確定模塊的槽編號)等。此外，還有TTL和ECL觸發(fā)總線和10MHz差分ECL時鐘信號等。任選的P3連接器只用于D尺寸模板，對P2提供的資源進一步擴展，又提供了24根局部總線、附加的ECL觸發(fā)線、100MHz時鐘和用于精密同步的星型觸發(fā)線等，以適合特殊用途。VXI系統(tǒng)的模板尺寸和連接器（P1、P2、P3）的總線分布如圖3-18所示。圖3-18VXI系統(tǒng)模板尺寸和連接器的總線分布

VXI總線裝置是VXI總線系統(tǒng)中的基本部件。每個裝置都有唯一的地址編碼（0~255），每個VXI總線儀器系統(tǒng)中最多可容納256個裝置。一個裝置可以占據(jù)數(shù)個槽位，也允許幾個裝置共用一個槽位。電壓表、計數(shù)器或信號發(fā)生器等一般都是單槽位裝置。VXI總線裝置的類型共有四種：寄存器基裝置、存儲器裝置、消息基裝置和擴展裝置。寄存器基裝置只有組態(tài)寄存器和由裝置決定的寄存器，而沒有通信寄存器。裝置的通信通過寄存器讀/寫來實現(xiàn)，在命令者/受令者的分層結(jié)構(gòu)中擔任受令者。寄存器基裝置電路簡單、易于實現(xiàn)，節(jié)省了指令的譯碼時間，數(shù)據(jù)傳輸速度快。存儲器裝置與寄存器基裝置很相似，也沒有通信寄存器，只能靠寄存器的讀/寫來進行通信。一般可將存儲器裝置與寄存器基裝置同等對待。以消息為基礎(chǔ)的消息基寄存器不但具有組態(tài)寄存器和若干由裝置決定的寄存器，而且還具有通信寄存器來支持復(fù)雜的通信規(guī)程，進行高水平的通信。消息基裝置屬于智能化的較復(fù)雜的裝置，如計算機、資源管理者、各類高性能測試儀器插件等，可以擔任分層結(jié)構(gòu)中的命令者，也可以擔任受命者，或者同時兼任上層的受命者及下層的命令者。擴展裝置是有特定目的的裝置，用于為VXI未來的發(fā)展定義新的裝置門類。圖3-19

VXI總線通信規(guī)程示意圖

VXI系統(tǒng)的通信有若干層，其通信規(guī)程如圖3-19所示。第1層是“寄存器讀/寫層”，其通信是通過寄存器的讀/寫來實現(xiàn)的，通信速度快，硬件費用節(jié)省。但這種通信也是針對用戶支持最少，最不方便的通信。第2層是“信號/中斷層”，允許VXI裝置向它的命令者回報信息，也是一種寄存器基裝置和存儲器裝置支持的低層通信。第3層是“字串行規(guī)程層”，命令者與受命者之間的字串行通信，應(yīng)遵守消息基裝置的通信規(guī)程。字串行規(guī)程與儀器特定規(guī)程之間有兩種聯(lián)系方式：一種是直接以字串行方式向裝置發(fā)送所要求的命令或數(shù)據(jù)；另一種是經(jīng)過488-VXI規(guī)程和IEEE488.2語言與特定規(guī)程聯(lián)系，使用這種方式可以像控制GP-IB儀器一樣控制VXI儀器。

消息基裝置通過通信寄存器還支持一種共享存儲器規(guī)程，即兩個裝置可以通過它們中的一個裝置所占有的存儲器塊進行通信，從而達到較高的通信速度。這是字串行通信做不到的。在某些情況下，各裝置之間還可通過本地總線高速傳送數(shù)據(jù)，這也是VXI系統(tǒng)的一個重要特點。VXI總線儀器系統(tǒng)的硬件規(guī)范及字串行協(xié)議，確保了眾多廠商生產(chǎn)的VXI總線儀器插卡的硬件兼容。為提高軟件的兼容性，在VXI總線和GP-IB等自動測試系統(tǒng)中采用了兩個軟件標準，即IEEE488.2和可編程儀器標準命令SCPI。IEEE488.2主要規(guī)定儀器的內(nèi)務(wù)管理功能，并不涉及裝置的消息本身；SCPI建立在IEEE488.2的基礎(chǔ)上，側(cè)重于解決智能儀器的程控和儀器響應(yīng)中裝置消息標準化的問題。

有兩個特殊功能是每個VXI總線系統(tǒng)不可缺少的。第一個是負責(zé)機箱背板管理的0號插槽功能。0號插槽處于每個VXI總線機箱中特定的物理位置，從這個槽上發(fā)出的信號必須包括時鐘源和數(shù)據(jù)通過背板時的仲裁邏輯等。插入該插槽的模板除了能履行這些硬件功能外，還能履行其他的功能，如與外部微型計算機的GP-IB接口通信等。這個插槽一般由命令器（Commander）或嵌入式計算機占據(jù)。VXI總線系統(tǒng)的第二個特殊功能是其資源管理器。位于邏輯地址0的資源管理器是一個消息基命令器，負責(zé)對系統(tǒng)的配置?？梢詫①Y源管理器理解為系統(tǒng)初始化程序，每當系統(tǒng)加電或復(fù)位時進行的操作為：①識別系統(tǒng)中所有的VXI裝置；②為系統(tǒng)運行配置所有的資源；③管理系統(tǒng)自檢；④配置系統(tǒng)A24和A32的映射；⑤配置命令/服務(wù)分級機制；⑥啟動正常運行。為了充分利用其他外部資源，VXI總線開發(fā)了與其他總線系統(tǒng)（如GP-IB、RS-232C、RS-485和MXI等）連接和轉(zhuǎn)換的模塊，使得VXI總線系統(tǒng)可與任何其他總線系統(tǒng)或儀器聯(lián)合工作。當一個機箱不能容納所有的IAC時，可增添擴展機箱，采用總線擴展器將主機箱與擴展機箱連接起來，以構(gòu)成完整的VXI總線儀器系統(tǒng)。

VXI總線儀器系統(tǒng)的嵌入式控制器（EmbeddedController）可直接安裝在機箱的0號槽，兼有控制器和0號槽功能。嵌入式控制器取代GP-IB/VXI轉(zhuǎn)換模塊對消息基儀器編程，可使VXI儀器系統(tǒng)成為獨立系統(tǒng)，但系統(tǒng)的通信性能并未改善。因為通信速率主要受ASCII消息轉(zhuǎn)換時間的影響，而不是GP-IB帶寬。如果要求比GP-IB有更大的信息吞吐量，可以采用寄存器層的直接通信方式。

VXI總線儀器系統(tǒng)可通過不同的接口方式與多種計算機連接，軟件方面可以充分利用各種通用軟件、操作系統(tǒng)、高級語言和軟件工具等。VXI總線儀器系統(tǒng)充分吸收并繼承了GP-IB沿用的IEEE488.1、IEEE488.2和程控儀器標準命令SCPI，創(chuàng)造了一個從程控儀器標準命令、儀器之間信息交換到系統(tǒng)操作運行高度統(tǒng)一的軟件環(huán)境。

USB（UniversalSerialBus）即通用串行總線，它在傳統(tǒng)計算機組織結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，引入了網(wǎng)絡(luò)的某些技術(shù)，已成為新型計算機接口的主流。USB是一種電纜總線，支持主機與各式各樣“即插即用”外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。多個設(shè)備按協(xié)議規(guī)定分享USB帶寬，在主機和總線上設(shè)備的運行過程中，仍可以添加或拆除外設(shè)。USB總線具有以下主要特征：3.3

USB總線技術(shù)

(1)易用性。電纜連接和連接頭采用單一模型，電氣特性與用戶無關(guān)，并提供了動態(tài)連接、動態(tài)識別等特性。

(2)應(yīng)用的廣泛性。USB總線傳輸速率從數(shù)千比特每秒到數(shù)兆比特每秒，甚至數(shù)百兆比特每秒，并在同一根電纜線上支持同步、異步兩種傳輸模式?？梢詫Χ鄠€USB總線設(shè)備（最多127個）同時進行操作，利用底層協(xié)議提高了總線利用率，使主機和設(shè)備之間可傳輸多個數(shù)據(jù)流和報文。

(3)靈活性。USB總線允許對設(shè)備緩沖區(qū)大小進行選擇，并通過設(shè)定緩沖區(qū)的大小和執(zhí)行時間，支持各種數(shù)據(jù)傳輸速率和不同大小的數(shù)據(jù)包。

(4)容錯性強。USB總線在協(xié)議中規(guī)定了出錯處理和差錯校正的機制，可以對有缺陷的設(shè)備進行認定，對錯誤的數(shù)據(jù)進行校正或報告。

(5)“即插即用”的體系結(jié)構(gòu)。USB總線具有簡單而完善的協(xié)議，并與現(xiàn)有的操作系統(tǒng)相適應(yīng)，不會產(chǎn)生任何沖突。

(6)性價比較高。USB擁有諸多優(yōu)秀的特性，其價格較低。USB總線技術(shù)將外設(shè)和主機硬件進行最優(yōu)化集成，并提供了低價的電纜和連接頭等。

目前，USB總線技術(shù)應(yīng)用日益廣泛，各種臺式電腦和移動式智能設(shè)備普遍配備了USB總線接口，同時出現(xiàn)了大量的USB外設(shè)（如USB電子盤等），USB接口芯片也日益普及。在智能儀器中裝備USB總線接口，既可以使其方便地連入USB系統(tǒng)，從而大大提高智能儀器的數(shù)據(jù)通信能力，又可使智能儀器選用各種USB外部設(shè)備，增強智能儀器的功能。以下僅對USB總線的體系結(jié)構(gòu)做概略介紹。3.3.1

USB系統(tǒng)描述

USB系統(tǒng)分為USB主機、USB設(shè)備和USB連接三部分。任何USB系統(tǒng)中只有一臺主機，USB系統(tǒng)和主機系統(tǒng)的接口稱為主機控制器（HostController），它是由硬件和軟件綜合實現(xiàn)的。USB設(shè)備包括集線器（Hub）和功能部件（Function）兩種類型。集線器為USB提供了更多的連接點，功能部件則為系統(tǒng)提供了具體的功能。USB的物理連接為分層星型布局，每個集線器處于星型布局的中心，與其他集線器或功能部件點對點連接。根集線器置于主機系統(tǒng)內(nèi)部，用以提供對外的USB連接點。圖3-20為USB系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)圖。圖3-20

USB系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)圖

USB系統(tǒng)通過一種4線的電纜傳送信號和電源，分兩種數(shù)據(jù)傳輸模式：12Mb/s高速信號模式和1.5Mb/s低速信號模式，兩種模式可在同一USB總線傳輸時自動切換。由于過多采用低速模式會降低總線的利用率，因此該模式只支持有限幾個低速設(shè)備（如鼠標等）。若采用同步傳送方式，時鐘信號與差分數(shù)據(jù)將一同發(fā)送（時鐘信號轉(zhuǎn)換成單極性非歸零碼），每個數(shù)據(jù)包中均帶有同步信號以保證接收方還原出時鐘。

USB電纜如圖3-21所示，UBUS、GND兩條線用來向USB設(shè)備提供電源。UBUS的電壓為+5V。為了保證足夠的輸入電壓和終端阻抗，重要的終端設(shè)備應(yīng)位于電纜尾部，每個端口都可檢測終端是否連接或分離，并區(qū)分出高速或低速設(shè)備。所有設(shè)備都有一個上行或下行的連接器，上行連接器和下行連接器不可互換，因而避免了集線器間非法的、循環(huán)往復(fù)的連接。同一根電纜中還有一對互相纏繞的數(shù)據(jù)線。連接器有4個方向，并帶有屏蔽層，以避免外界的干擾。USB電源包括電源分配和電源管理兩方面內(nèi)容。電源分配是指USB如何分配主機所提供的能源。需要主機提供電源的設(shè)備稱做總線供電設(shè)備（如鍵盤、輸入筆和鼠標等）。自帶電源設(shè)備被稱做自供電設(shè)備。USB系統(tǒng)的主機有與USB相互獨立的電源管理系統(tǒng)，系統(tǒng)軟件可以與主機的能源管理系統(tǒng)結(jié)合，共同處理各種電源事件，如掛起、喚醒等。圖3-21

USB電纜3.3.2

USB總線協(xié)議

USB是采用輪詢方式工作的總線，主機控制器初始化所有的數(shù)據(jù)傳送。USB協(xié)議反映了USB主機與USB設(shè)備進行交互時的語言結(jié)構(gòu)和規(guī)則。每次傳送開始時，主機控制器將發(fā)送一個描述傳輸?shù)牟僮鞣N類、方向、USB設(shè)備地址和端口號的USB數(shù)據(jù)包，被稱為標記包（PID，PacketIdentifier），USB設(shè)備從解碼后的數(shù)據(jù)包的適當位置取出屬于自己的數(shù)據(jù)。傳輸開始時，由標記包來設(shè)置數(shù)據(jù)的傳輸方向，然后發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)包，接收端則發(fā)送一個對應(yīng)的握手數(shù)據(jù)包以表明是否發(fā)送成功。發(fā)送端和接收端之間的USB傳輸有兩種類型的信道：流通道和消息信道。消息數(shù)據(jù)采用USB所定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、信道與數(shù)據(jù)帶寬、傳送服務(wù)類型和端口特性（如方向、緩沖區(qū)大小等）有關(guān)。多數(shù)信道在USB設(shè)備設(shè)置完成后才會存在，而默認控制信道當設(shè)備一啟動后即存在，從而為設(shè)備的設(shè)置、狀況查詢和輸入控制信息提供了方便。

任務(wù)安排可對流通道進行數(shù)據(jù)控制。發(fā)送“不予確認”握手信號即可阻塞數(shù)據(jù)傳輸，若總線有空閑，數(shù)據(jù)傳輸將重復(fù)進行。這種流控制機制允許靈活的任務(wù)安排，可使不同性質(zhì)的流通道同時正常工作。這樣多種流通道可在不同時間段進行工作，傳送不同大小的數(shù)據(jù)包。3.3.3

USB數(shù)據(jù)流

USB總線上的數(shù)據(jù)流就是主機與USB設(shè)備之間的通信。這種數(shù)據(jù)流可分為應(yīng)用層、USB邏輯設(shè)備層和USB總線接口層，共有四種基本的數(shù)據(jù)傳送類型：

(1)控制傳送?？刂苽魉筒捎昧藝栏竦牟铄e控制機制，其數(shù)據(jù)傳送是無損的。USB設(shè)備在初次安裝時，USB系統(tǒng)軟件使用控制傳送來設(shè)置參數(shù)。

(2)批傳送。批量數(shù)據(jù)即大量數(shù)據(jù)，如打印機和掃描儀中所使用的。批量數(shù)據(jù)是連續(xù)傳送的，在硬件級上使用錯誤檢測以保證可靠的數(shù)據(jù)傳輸，在協(xié)議中引入了數(shù)據(jù)的可重復(fù)傳送。根據(jù)其他的一些總線動作，批量數(shù)據(jù)占用的帶寬可做相應(yīng)的改變。

(3)中斷傳送。中斷數(shù)據(jù)是少量的，要求傳送延遲時間短。這種數(shù)據(jù)可由設(shè)備在任何時刻發(fā)送，并且以不慢于設(shè)備指定的速度在USB上傳送。中斷數(shù)據(jù)一般由事件通告、特征及坐標組成，只有一個或幾個字節(jié)。

(4)同步傳送。在建立、傳送和使用同步數(shù)據(jù)時，需滿足其連續(xù)性和實時性。同步數(shù)據(jù)以穩(wěn)定的速率發(fā)送和接收。為使接收方保持相同的時間安排，同步信道帶寬的確定必須滿足對相關(guān)功能部件的取樣特征。除了傳輸速率，同步數(shù)據(jù)對傳送延遲非常敏感，因此也須做相關(guān)處理。一個典型的例子是聲音傳送，如果數(shù)據(jù)流的傳輸速率不能保證，則數(shù)據(jù)丟失將取決于緩沖區(qū)和幀的大小。即使數(shù)據(jù)在硬件上以合適的速率傳輸，但軟件造成的傳輸延遲也會對實時系統(tǒng)造成損害。一般USB系統(tǒng)會從USB帶寬中給同步數(shù)據(jù)流分配專有部分，以滿足所需要的傳輸速率。

USB的帶寬可容納多種不同數(shù)據(jù)流，因此可連接大量設(shè)備，可容納從1B+D（64kb/s+16kb/s）到T1（1.5Mb/s)速率的電信設(shè)備，而且USB支持在同一時刻的不同設(shè)備具有不同的傳輸速率，并可動態(tài)地變化。3.3.4

USB的容錯性能

USB提供了多種數(shù)據(jù)傳輸機制，如使用差分驅(qū)動、接收和防護，以保證信號的完整性；使用循環(huán)冗余碼，以進行外設(shè)裝卸的檢測和系統(tǒng)資源的設(shè)置，對丟失和損壞的數(shù)據(jù)包暫停傳輸；利用協(xié)議自我恢復(fù)，以建立數(shù)據(jù)控制信道，從而使功能部件避免了相互影響。上述機制的建立，極大地保證了數(shù)據(jù)的可靠傳輸。在錯誤檢測方面，協(xié)議中對每個包的控制位都提供了循環(huán)冗余碼，并提供了一系列的硬件和軟件設(shè)施來保證數(shù)據(jù)的正確性。循環(huán)冗余碼可對一位或兩位的錯誤進行100%的恢復(fù)。在錯誤處理方面，協(xié)議在硬件和軟件上均有措施。硬件的錯誤處理包括匯報錯誤和重新進行一次傳輸，傳輸中若再次遇到錯誤，由USB的主機控制器按照協(xié)議重新進行傳輸，最多可進行三次。若錯誤依然存在，則對客戶端軟件報告錯誤，使之按特定方式處理。3.3.5

USB設(shè)備

USB設(shè)備有集線器和功能部件兩類。在即插即用的USB結(jié)構(gòu)體系中，集線器（如圖3-22所示）簡化了USB互連的復(fù)雜性，可使更多不同性質(zhì)的設(shè)備連入USB系統(tǒng)中。集線器各連接點被稱作端口，上行端口向主機方向連接（每個集線器只有1個上行端口），下行端口可連接另外的集線器或功能部件。集線器具有檢測每個下行端口設(shè)備的安裝或拆卸的功能，并可對下行端口的設(shè)備分配能源，每個下行端口可辨別所連接的設(shè)備是高速還是低速。集線器包括兩部分：集線控制器和集線再生器。集線再生器位于上行端口和下行端口之間，可放大衰減的信號和恢復(fù)畸變的信號，并且支持復(fù)位、掛起、喚醒等功能。通過集線控制器所帶的接口寄存器，可使主機對集線器的狀態(tài)參數(shù)和控制命令進行設(shè)置，并監(jiān)視和控制其端口。

圖3-22

USB集線器示意圖

功能部件是通過總線進行發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)或控制信息的USB設(shè)備，由一根電纜連在集線器某個端口上。功能部件一般相互獨立，但也有一種復(fù)合設(shè)備，其中有多個功能部件和一個內(nèi)置集線器，并共同利用一根USB電纜。每個功能部件都含有描述該設(shè)備的性能和所需資源的設(shè)置信息。主機應(yīng)在功能部件使用前對其設(shè)置，如分配USB帶寬等。定位設(shè)備（鼠標、光筆）、輸入設(shè)備（鍵盤）、輸出設(shè)備（打印機）等都屬于功能部件。

當設(shè)備被連接并編號后，有唯一的USB地址。USB系統(tǒng)就是通過該地址對設(shè)備進行操作的。每一個USB設(shè)備通過一條或多條信道與主機通信。所有的USB設(shè)備在零號端口上有一指定的信道，USB的控制信道即與之相連。通過這條控制信道，所有的USB設(shè)備都有一個共同的準入機制，以獲得控制操作的信息?？刂菩诺乐械男畔?yīng)完整地描述USB設(shè)備，主要包括標準信息類別和USB生產(chǎn)商的信息。3.3.6

USB系統(tǒng)設(shè)置

USB設(shè)備可隨時安裝或拆卸。所有USB設(shè)備連接在USB系統(tǒng)的某個端口上。集線器有一個狀態(tài)指示器，可指明USB設(shè)備的連接狀態(tài)。主機將所有集線器排成隊列以取回USB設(shè)備的連接狀態(tài)信號。在USB設(shè)備安裝后，主機通過設(shè)備控制信道來激活該端口，并將默認的地址值賦給USB設(shè)備（主機對每個設(shè)備指定了惟一的USB地址），并檢測這種新裝的USB設(shè)備是下一級的集線器還是功能部件。如果安裝的是集線器，并有外設(shè)連在其端口上，上述過程對每個USB設(shè)備的安裝都要做一遍；如果安裝的是功能部件，則主機關(guān)于該設(shè)備的驅(qū)動軟件等將被激活。當USB設(shè)備從集線器的端口拆除后，集線器關(guān)閉該端口，并向主機報告設(shè)備已不存在，USB系統(tǒng)軟件將準確地進行撤消處理。如果拆除的是集線器，則系統(tǒng)軟件將對集線器及連接在其上的所有設(shè)備進行撤消處理。

對每個連接在總線上的設(shè)備指定地址的操作被稱為“總線標識”。由于允許USB設(shè)備在任何時刻安裝或拆卸，所以總線標識是USB系統(tǒng)軟件隨時要進行的操作。3.3.7

USB系統(tǒng)中的主機

USB系統(tǒng)中的主機通過主機控制器與USB設(shè)備進行交互。其主要功能為：檢測USB設(shè)備的安裝或拆卸；管理主機和USB設(shè)備間的控制數(shù)據(jù)流；收集狀態(tài)和操作信息；向各USB設(shè)備提供電源。USB系統(tǒng)軟件管理USB設(shè)備驅(qū)動程序的運作，包括設(shè)備編號和設(shè)置、同步數(shù)據(jù)傳輸、異步數(shù)據(jù)傳輸、電源管理、設(shè)備與總線信息管理等。3.3.8

USB總線儀器

USB總線儀器的開發(fā)一般由以下幾部分組成：硬件的設(shè)計、USB控制芯片固件的實現(xiàn)、Windows驅(qū)動的編寫以及應(yīng)用程序編寫。下面介紹一種基于USB的數(shù)據(jù)采集儀。

該儀器的USB接口采用專用芯片PDIUSBD12，它是一款性價比很高的USB器件，通常用于在微控制器系統(tǒng)中實現(xiàn)與微控制器進行通信的高速通用并行接口，它還支持本地的DMA傳輸。這種實現(xiàn)USB接口的標準組件使得設(shè)計者可以在各種不同類型的微控制器中選擇出最合適的微控制器，這種靈活性減小了開發(fā)的時間風(fēng)險以及費用，通過使用已有的結(jié)構(gòu)和減少固件上的投資，從而用最快捷的方法實現(xiàn)最經(jīng)濟的USB外設(shè)的解決方案。

PDIUSBD12的引腳結(jié)構(gòu)如圖3-23所示，其中各個引腳的功能如表3-6所示。圖3-23

PDIUSBD12引腳結(jié)構(gòu)表3-6

PDIUSBD12引腳信號

注：O2，2mA驅(qū)動輸出；D4，4mA驅(qū)動開漏輸出；OD8，8mA驅(qū)動開漏輸出；IO2，4mA輸出。

1.數(shù)據(jù)采集儀組成利用USB做數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采集儀由數(shù)據(jù)采集、MCU微控制器單元和USB總線接口三部分組成，如圖3-24所示。數(shù)據(jù)系統(tǒng)通過一片可編程器件實現(xiàn)串-并轉(zhuǎn)換與微控制器相連。USB總線接口器件與微控制器直接通過數(shù)據(jù)總線和地址總線相連，USB總線接口芯片作為一個微控制器的外圍器件使用。系統(tǒng)的電源采用USB總線提供的電源。下面分別詳細說明各部分的主要特點。圖3-24

USB數(shù)據(jù)采集儀硬件框圖

(1)USB總線接口。USB總線接口采用的是PDIUSBD12。高性能USB接口器件集成了SIE、FIFO存儲器、收發(fā)器以及電壓調(diào)整器，可與任何微控制器/微處理器實現(xiàn)高速并行接口（2Mb/s)，直接內(nèi)存存取DMA操作，雙電源操作3.3V或擴展的5V電源，

在批量模式和同步模式下均可實現(xiàn)1Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。選用PDIUSBD12控制芯片可以方便地與微控制器接口。無論是DSP還是MCU和ARM，都可以方便地與它接口，可以很方便地升級系統(tǒng)。

(2)微控制器單元。P89C51RDHBA是PHILIPS公司推出基于8051核的單片機。它內(nèi)部有64KB的Flash存儲器，支持串行在系統(tǒng)編程（ISP）和在應(yīng)用中編程（IAP）。該器件的1個機器周期由6個時鐘周期組成，因此運行速度是傳統(tǒng)80C51的兩倍。該單片機有4組8位I/O口、3個16位定時/計數(shù)器、多個中斷源、4個中斷優(yōu)先級嵌套結(jié)構(gòu)及1個增強型UART?？紤]到該芯片可以利用ISP和IAP方便地下載程序，可以實現(xiàn)在系統(tǒng)可編程，并最大限度減小了額外的元器件開銷和電路板面積。而且它的速度是相同晶振頻率8051單片機的兩倍，可以大大地提高系統(tǒng)整體的運行速度。圖3-25所示為微控制器與PDIUSBD12的接口電路。(3)數(shù)據(jù)采集部分。ADS7809是TI公司的16位、100kHz的采樣率、單+5V電源A/D芯片。它是電容式逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器。片內(nèi)帶有+2.5V基準源，最大功耗小于100mW。在比較了同類16位A/D后，ADS7809具有較高的穩(wěn)定性，而且功耗較低，采樣率也能滿足要求。

2.數(shù)據(jù)采集儀的固件程序設(shè)計數(shù)據(jù)采集儀的固件程序主要由兩部分構(gòu)成：A/D采集數(shù)據(jù)程序和USB與主機通信程序。固件程序采用在中斷程序中置相應(yīng)標志位，在主循環(huán)程序中處理數(shù)據(jù)的方法來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和USB通信的功能。系統(tǒng)軟件中的后臺程序ISR（中斷處理程序）和前臺主循環(huán)程序之間的數(shù)據(jù)交換是通過標志位和數(shù)據(jù)緩存區(qū)來實現(xiàn)的，如圖3-26所示。使用這種結(jié)構(gòu)，主循環(huán)不再關(guān)心數(shù)據(jù)是來自USB還是其他渠道，只檢查循環(huán)緩沖區(qū)內(nèi)需要處理的新數(shù)據(jù)，這樣主循環(huán)程序可以專注于數(shù)據(jù)的處理，而ISR能夠以最大可能的速度進行數(shù)據(jù)的傳輸。這種稱為前后臺的處理方式可以節(jié)省微處理器的開銷，高效地利用微處理器資源。圖3-26系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)(1)A/D數(shù)據(jù)采集程序。設(shè)備得到主機啟動命令后啟動A/D。A/D采集數(shù)據(jù)后經(jīng)過串-并轉(zhuǎn)換并將數(shù)據(jù)推入FIFO，當FIFO半滿時發(fā)出中斷請求，微控制器響應(yīng)中斷，置相應(yīng)的標志位。前臺主循環(huán)程序查詢標志位，進行讀數(shù)操作。

(2)USB與主機通信程序。USB最初被設(shè)計成可以處理對傳輸速率、響應(yīng)時間和錯誤校正有不同要求的很多類型的外設(shè)。數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟煌愋吞幚聿煌男枰?，一個外設(shè)可以支持它最適合的傳輸類型。PDIUSBD12芯片包括控制端點、中斷端點和主端點，它們分別完成控制傳輸、中斷傳輸和同步傳輸。

在這個系統(tǒng)中，主機通過中斷給采集系統(tǒng)發(fā)送命令。主端點可以配置成同步傳輸或批量傳輸，主端點是吞吐大數(shù)據(jù)的主要端點。在數(shù)據(jù)采集儀中，主端點配置成同步傳輸，用來傳送A/D采集回來的數(shù)據(jù)。下面分別說明各個端點子程序。

(1)控制端點子程序完成USB總線列舉過程，如圖3-27所示。當USB接口器件（PDIUSBD12）接收到建立包時，產(chǎn)生一個中斷通知微控制器，微控制器響應(yīng)中斷并通過讀D12中斷寄存器決定包是否發(fā)到控制端點。如果包是送往控制端點，MCU需要通過讀D12的最后處理狀態(tài)寄存器進一步確定數(shù)據(jù)是否是一個建立包，第一個包必須是建立包。如果是建立包，就根據(jù)主機命令作出相應(yīng)的應(yīng)答。圖3-27控制端點子程序(2)主端點子程序傳送A/D采集的數(shù)據(jù)到PC。在A/D采集完數(shù)據(jù)后，微控制器讀取A/D采集的數(shù)據(jù)并保存數(shù)據(jù)到主端點緩沖區(qū)，主循環(huán)程序先寫一批數(shù)據(jù)到USB的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，置相應(yīng)的標志位。當主機從USB緩沖區(qū)讀數(shù)據(jù)時，中斷程序清空USB緩沖區(qū)，并把下一批要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)從主端點緩沖區(qū)寫入USB緩沖區(qū)，等待主機下一次讀USB緩沖區(qū)，這樣循環(huán)反復(fù)直至完成主端點緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)傳輸。(3)中斷端點子程序完成PC向采集系統(tǒng)發(fā)送采集數(shù)據(jù)命令的功能，如圖3-28所示。中斷端點的緩沖區(qū)最大為16個字節(jié)，通過中斷端點給系統(tǒng)發(fā)送A/D的啟動命令、通道、采樣點數(shù)和采樣間隔，使用中斷端點傳送主機發(fā)送的命令，使數(shù)據(jù)采集儀能夠快速地作出響應(yīng)。

中斷端點子程序首先讀出USB的中斷端點緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)并保存到主循環(huán)中斷端點緩沖區(qū)，之后判斷緩沖區(qū)的第一個字節(jié)是不是啟動A/D的命令。如果是，則置相應(yīng)的標志位，在主循環(huán)中讀取中斷端點緩沖區(qū)的其他數(shù)據(jù)，得到通道、采樣數(shù)和采樣間隔的信息，調(diào)用A/D采集程序，啟動A/D。圖3-28中斷端點子程序

通過應(yīng)用USB作為數(shù)據(jù)采集儀的通信總線，使數(shù)據(jù)采集儀具有了無需外接電源、可以熱插拔等特點。經(jīng)過測試，數(shù)據(jù)采集儀采樣速率可以達到100kb/s，可以完成一般用途的數(shù)據(jù)采集的需要。

隨著USB2.0規(guī)范的推出，USB在速度上（協(xié)議中說明可以達到480Mb/s）有了長足的發(fā)展，在USB2.0的補充規(guī)范中提出了USBOTG(OnTheGo）協(xié)議，可以使外設(shè)以主機的身份與其他外設(shè)相連，外設(shè)與外設(shè)可以點對點地通信，這給USB帶來了更強的生命力。目前，USB廣泛應(yīng)用在儀器儀表、計算機和消費電子類產(chǎn)品等領(lǐng)域。

近幾年來，全球通信技術(shù)的發(fā)展日新月異，尤其是近兩三年來，無線通信技術(shù)的發(fā)展速度與應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)超過了固定通信技術(shù)，呈現(xiàn)出如火如荼的發(fā)展態(tài)勢。其中最具代表性的有蜂窩移動通信和寬帶無線接入，也包括集群通信、衛(wèi)星通信以及手機視頻業(yè)務(wù)與技術(shù)。

3.4無線通信技術(shù)

未來信息網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)模式將向核心網(wǎng)/接入網(wǎng)轉(zhuǎn)變，網(wǎng)絡(luò)的分組化和寬帶化，使在同一核心網(wǎng)絡(luò)上綜合傳送多種業(yè)務(wù)信息成為可能，網(wǎng)絡(luò)的綜合化以及管制的逐步開放和市場競爭的需要，將進一步推動傳統(tǒng)的電信網(wǎng)絡(luò)與新興的計算機網(wǎng)絡(luò)的融合。接入網(wǎng)是通信信息網(wǎng)絡(luò)中最具開發(fā)潛力的部分，未來網(wǎng)絡(luò)可通過固定接入、移動蜂窩接入、無線本地環(huán)路接入等不同的接入設(shè)備接入核心網(wǎng)，實現(xiàn)用戶所需的各種業(yè)務(wù)。在技術(shù)上實現(xiàn)固定和移動通信等不同業(yè)務(wù)的相互融合，尤其是無線應(yīng)用協(xié)議（Wap）的問世，將極大地推動無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的開展，進一步促進移動業(yè)務(wù)與IP業(yè)務(wù)的融合。3.4.1信號的調(diào)制與解調(diào)無線電波是無線通信的信息載體，通常把它稱為載波。就像用車船運輸貨物一樣，無線電波僅僅是運輸工具，而進行通信的最終目的是要實現(xiàn)信息的快速、準確和方便傳遞。因此，在發(fā)射端必須將要傳遞的信息裝載到載波上，即信號調(diào)制。裝載了信息的電磁波稱為已調(diào)波，在接收端再從收到的已調(diào)波上把信息取出來，稱作解調(diào)。因此，調(diào)制與解調(diào)是無線通信中必不可少的過程。一個通信系統(tǒng)的好壞、高效與否，調(diào)制與解調(diào)是關(guān)鍵的一環(huán)。通信中的調(diào)制方式很多，調(diào)制傳輸是對各種信號變換后傳輸?shù)目偡Q。

短波通信較常用的調(diào)制方式有普通調(diào)幅AM、單邊帶調(diào)幅SSB、頻率調(diào)制FM等，超短波和微波通信較常用的調(diào)制方式有頻率調(diào)制FM、相位調(diào)制PM等，短波、超短波和微波段常用的數(shù)字調(diào)制方式有幅移鍵控FSK、相移鍵控PSK等。

1.幅度調(diào)制

1）普通調(diào)幅（AM）幅度調(diào)制中，輸出已調(diào)信號的包絡(luò)與輸入調(diào)制信號成正比，其時間波形表達為

SAM(t［Ucm+f(t)］cos(ωct+θc)

(3-1)式中：

Ucm——載波幅度；

f(t)——調(diào)制信號，它可以是確知信號，也可以 是隨機信號；

ωc——載波角頻率；

θc——載波角初相位。若調(diào)制信號f(t)為一單頻率信號，f(t)=UΩmcosΩt,θc=0,則

(3-2)式中，ma=UΩm/Ucm為調(diào)幅度。

單音調(diào)制的普通調(diào)幅波（AM）的波形和頻譜圖如圖3-29所示。其中，圖（a）為調(diào)制信號波形；圖