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1、6.4 串行数据通信技术6.5 并行数据通信技术6.6 USB总线技术思考题与习题,6.4 串行数据通信技术,6.4.1 串行通信的基本概念串行通信是将数据一位一位地传送。它只需要一根数据线,硬件成本低,而且可以使用现有的通信通道（如电话、电报等）,故在智能化测控仪器仪表中,通常采用串行通信方式来实现与其他仪器或计算机系统之间的数据传送。下面回顾串行通信的一些基本概念。,1.数据率波特率（Baud Rate）所谓波特率,是指每秒串行发送或接收的二进制位（bit）数目,其单位为b/s（每秒比特数）。它是衡量数据传输速度的指标,也是衡量传送通道频带宽度的指标。2.单工、半双工与全双工 按照智能设备
2、发送和接收数据的方向,以及能否同时进行数据传输,可将数据传输分为单工、半双工与全双工三种。,单工、半双工和全双工示意图(a)单工；(b)半双工；(c)全双工,（1）单工（Simplex）方式：相互通信的任何一方仅允许数据单方向传送。（2）半双工（HalfDuplex）方式：通信的双方既可以发送又可以接收数据,但是发送和接收数据只能分时使用同一传输线路,即在某一时刻只允许进行一个方向的数据传送。（3）全双工（FullDuplex）方式：通信的双方采用两根传输线连接两端设备,可同时进行数据的发送和接收。,3.串行传送（通信）方式及规程 在串行传送中,没有专门的信号线可用来指示接收、发送的时刻并辨别
3、字符的起始和结束,为了使接收方能够正确地解释接收到的信号,收发双方需要制定并严格遵守通信规程（协议）。串行传送有异步和同步两种基本方式,通信规程如下。1）异步传送规程异步传送是以字符为单位传送的。异步传送的每个字符必须由起始位（1位“0”）开始,之后是7位或8位数据和一位奇偶校验位。数据的低位在先,高位在后,字符以停止位（1位、1位半或2位逻辑“1”）表示字符的结束,从起始位开始到停止位结束组成一帧信息。,因此,异步串行传送的一帧字符信息由四部分组成：起始位、数据位、奇偶校验位和停止位。停止位后面可能不会立刻紧接下一字符的起始位,这时停止位后面一直维持“1”状态,这些位称为“空闲位”。,异步传
4、送的标准波特率有很多种,目前常用的是300、600、1200、2400、4800、9600和19 200 b/s。异步传送对每个字符都附加了同步信息,降低了对时钟的要求,硬件较为简单，但冗余信息（起始位、停止位和奇偶校验位）所占比例较大,数据的传输速度一般低于同步传送方式。2）同步传送规程 在同步传送过程中,必须规定数据的长度（每个字符有效数据为几位）,并以数据块形式传送,用同步字符指示数据块的开始。同步字符可用单字符、双字符或多字符。数据块之后为CRC（Cyclic Redundancy Check,循环冗余校验码）字符,用于检验同步传送的数据是否出错。,同步传送的数据格式,由于同步传送中的
5、冗余信息（同步字符、CRC字符）所占比例小,因此数据的传输速度一般高于异步传送方式。由于要求发送方与接收方的时钟精确同步,因此同步传送方式的硬件较为复杂。时钟信息可以通过一根独立的信号线进行传送,也可以通过将信息中的时钟代码化来实现（如采用曼彻斯特编码）。4.基带传输 对数字信号不加调制,以其基本形式进行的传输称之为“基带传输”。基带传输中数字信息的形式是与其通信速率有关的开关信号,覆盖相当宽广的频谱。受传输介质（电缆）分布参数和外界噪声等的影响,信号将会产生一定程度的畸变。,为了在接收端能正确地还原数据信息,必须将信号在传输过程中的畸变限制在一定的范围内。由于分布参数和外界噪声的影响与传输距
6、离成正比,因而导致了对传输速率和传输距离的限制。5.调制/解调与调制解调器“仪器内部总线”、“片间总线”和“底板总线”采用基带传输一般没有什么问题,对于“仪器外部总线”上进行的远距离数据传输,基带传输不能保证其可靠性,必须对基带信号加以调制再进行传输。调制的本质是将频带宽度无限的数字信号转换为频带宽度有限的调制信号（模拟信号或射频信号）,从而增加其可靠传输的距离。,在接收端通过解调再将调制信号恢复为原来的数字信号,这一过程被称为调制解调（Modulation and Demodulation）。承担调制/解调任务的设备称之为调制解调器（Modem）。,通过Modem的串行通信示意图,6.4.2
7、 RS-232C标准串行接口总线 RS-232C是美国电子工业协会EIA（Electronic Industries Association）公布的串行通信标准,RS是英文“推荐标准”的字头缩写,232是标识号,C表示该标准修改的次数（3次）。最初发展RS-232C标准是为了促进数据通信在公用电话网上的应用,通常要采用调制解调器（Modem）进行远距离数据传输。20世纪60年代中期,将此标准引入到计算机领域,目前广泛用于计算机与外围设备的串行异步通信接口中,除了真正的远程通信外,不再通过电话网和调制解调器。,1.总线描述 RS-232C标准定义了数据通信设备（DCE）与数据终端设备（DTE）之
8、间进行串行数据传输的接口信息,规定了接口的电气信号和接插件的机械要求。RS-232C对信号开关电平规定如下：驱动器的输出电平为逻辑“0”：+5+15 V；逻辑“1”：-5-15 V。接收器的输入检测电平为逻辑“0”：+3 V；逻辑“1”：-3 V。RS-232C采用负逻辑,噪声容限可达2 V。,RS-232C接口定义了20条可以同外界连接的信号线,并对它们的功能做了具体规定。这些信号线并不是在所有的通信过程中都要用到,可以根据通信联络的繁杂程度选用其中的某些信号线。,RS-232C标准串行接口总线的常用信号线,带RS-232C接口的通信设备连接,1)数据信号线“发送数据”（TxD）与“接收数据
9、”（RxD）是一对数据传输信号线。TxD用于发送数据，当无数据发送时,TxD线上的信号为“1”；RxD用于接收数据,当无数据接收时或接收数据间隔期间,RxD线上的信号也为“1”。2)控制信号线“请求发送”（RTS）与“为发送清零”（CTS）信号线用于半双工通信方式。半双工方式下发送和接收只能分时进行,当DTE有数据待发送时,先发“请求发送”信号通知调制解调器。此时,若调制解调器处于发送方式,回送“为发送清零”信号,发送即开始；,若调制解调器处于接收方式,则必须等到接收完毕转为发送方式时,才向DTE回送“为发送清零”信号。在全双工方式下,发送和接收能同时进行,不使用这两条控制信号线。“DCE就绪
10、”（DSR）与“DTE就绪”（DTR）信号线分别表示DCE和DTE是否处于可供使用的状态。“保护地”信号线一般连接设备的屏蔽地。2.RS-232C接口的常用系统连接 计算机与智能设备通过RS-232C标准总线直接互连传输数据是很有实用价值的,一般使用者需要熟悉互连接线的方法。,全双工标准系统连接。“发送数据”(TxD)线交叉连接,总线两端的每个设备均既可发送,又可接收。“请求发送”（RTS）线折回与自身的“为发送清零”（CTS）线相连，表明无论何时都可以发送。“DCE就绪”（DSR）线与对方的“DTE就绪”（DTR）线交叉互连,作为总线一端的设备检测另一端的设备是否就绪的握手信号。“载波检测”
11、（DCD）与对方的“请求发送”（RTS）相连,使一端的设备能够检测对方设备是否在发送。这两条连线较少使用。,全双工标准系统连接,如果由RS-232C连接两端的设备随时都可以进行全双工数据交换,那么就不需要进行握手联络了。全双工标准系统连接就可以简化连接。RS-232C发送器电容负载的最大驱动能力为2500 pF,这就限制了信号线的最大长度。,全双工最简系统连接,例如,如果采用每米分布电容约为150pF的双绞线通信电缆,则最大传输距离限制在15m。如果使用分布电容较小的同轴电缆,则传输距离可以再增加一些。对于长距离传输或无线传输,则需要用调制解调器通过电话线或无线收发设备连接。,调制解调器通信系
12、统连接图,3.电平转换在计算机及智能仪器内,通用的信号是正逻辑的TTL电平。而RS-232C的逻辑电平为负逻辑的12V信号,与TTL电平不兼容,必须进行电平转换。用于电平转换的集成电路芯片种类很多,RS-232C总线输出驱动器有MC1488、SN75188、SN75150等,总线接收器有MC1489、SN75199、SN75152等。,RS-232C与TTL电平转换器(a)MC1488；(b)MC1489,为了把+5V的TTL电平转换为-2+12V的RS-232C电平,输出驱动器需要12V电源。近年问世的一些RS-232C接口芯片采用单一的+5V电源,其内部已经集成了DC/DC电源转换系统,而
13、且输出驱动器与接收器制作在同一芯片中,使用更为方便。例如MAX232,ICL232等。,4.计算机接口计算机中的数据是并行的,为了实现异步串行传输,发送时必须进行并-串转换,而且要把数据字符组织成相应的数据格式；接收时必须先把有用的字符提取出来,再进行串-并转换。此外,还要检验传送是否正确。这些工作一般采用专用集成电路芯片UART（通用异步接收器/发送器）来完成。UART作为计算机的串行通信接口电路芯片,在相应的控制软件配合下,实现异步串行数据传输。UART芯片种类很多,常用的有Intel8251、Intel8250、ZilogZ80-SIO、MotorolaMC6850等。许多单片计算机也有
14、UART,详细内容可参阅有关的书籍和产品手册。,6.4.3 RS-422A与RS-423A标准串行接口总线 虽然RS-232C使用很广泛,但它存在着一些不足,主要有：（1）数据传输速率低,一般低于20kb/s。（2）传输距离短,一般局限于15m。即使采用较好的器件及优质同轴电缆,最大传输距离也不能超过60m。（3）有25芯D型插针和9芯D型插针等多种连接方式,不利于标准化设计。（4）信号传输电路为单端电路,共模抑制性能较差,抗干扰能力弱。,针对以上不足,EIA于1977年制定了新标准（RS-449）,目的在于支持较高的传输速率和较远的传输距离。RS-449标准定义了RS-232C所没有的10种
15、电路功能,规定了37脚的连接器标准。RS-422A和RS-423A实际上只是RS-449标准的子集。RS-423A与RS-232C兼容,单端输出驱动,双端差分接收。正信号逻辑电平为+200mV+6V,负信号逻辑电平为-2000mV-6V。差分接收提高了总线的抗干扰能力,从而在传输速率和传输距离上都优于RS-232C。,RS-422A与RS-232C不兼容,双端平衡输出驱动,双端差分接收,从而使其抑制共模干扰的能力更强,传输速率和传输距离比RS-423A更进一步。RS-423A与RS-422A带负载能力较强,一个发送器可以带动10个接收器同时接收。,RS-423A和RS-422A的电路连接(a)
16、RS-423A电路连接；(b)RS-422A电路连接,6.4.4 RS-485标准串行接口总线RS-485标准串行接口总线实际上是RS-422A的变型,它是为了适应用最少的信号线实现多站互连,构建数据传输网的需要而产生的。它与RS-422A的不同之处在于：两个设备相连时,RS-422A为全双工,RS-485为半双工；对于RS-422A,数据信号线上只能连接一个发送驱动器,而RS-485却可以连接多个,但在某一时刻只能有一个发送驱动器发送数据。因此,RS-485的发送电路必须由使能端E加以控制。,RS-485用于多个设备互连,构建数据传输网十分方便,而且,它可以高速远距离传送数据。因此,许多智能
17、仪器都配有RS-485总线接口,为网络互连,构成分布式测控系统提供了方便。通过RS-485总线进行多站互连的原理如图3-11所示。在同一对信号线上,RS-485总线可以连接多达32个发送器和32个接收器。最近几年问世的一些RS-485接口芯片,可以连接更多的发送器和接收器（128或256个）。,RS-485总线多站互连原理图,传输距离与传输速率的关系,应当指出,对于RS-423A、RS-422A与RS-485总线,表中列出的最大传输距离和最大传输速率并不能同时达到。传输距离长时,传输速率就低一些；传输距离短时,传输速率就可以高一些。RS-422A与RS-485在最高传输速率10Mb/s情况下,
18、传输距离仅为10m。只有在传输速率不超过100kb/s的条件下,传输距离才可以达到1200m。当传输速率在100kb/s10Mb/s范围内时,传输距离受限于传输线的欧姆阻抗、集肤效应等损耗而导致信号畸变。由于损耗与频率有关,因此传输速率与传输距离约为反比关系,可用下面的经验公式进行计算：速率（b/s）距离（m）100M,RS-423A、RS-422A与RS-485的各项性能对比,1.传输线的选择和阻抗匹配在差分平衡系统中,一般选择双绞线作为信号传输线。双绞线价格低廉,使用方便,两条线基本对称,外界干扰噪声主要以共模方式出现,对接收器的差动输入影响不大。信号在传输线上传送时,如果遇到阻抗不连续的
19、情况,会出现反射现象。传送的数字信号包含丰富的谐波分量,如果传输线阻抗不匹配,高次谐波可能通过传输线向外辐射形成电磁干扰（EMT）。双绞线的特性阻抗一般在110130之间,通常在传输线末端接一个120的电阻进行阻抗匹配。有些型号的RS-485发送器芯片有意降低信号变化沿斜率（简称限斜率）,从而使高次谐波分量大大减少,并可减少传输线阻抗匹配不完善而带来的不利影响。例如MAX483、MAX488、SN75LBC184等芯片都具有这种功能。,2.隔离RS-485总线在多站互连时,相距较远的不同站之间的地电位差可能很大,各站若直接连网,则很有可能导致接口芯片,尤其是接收器接口芯片的损坏。解决这一问题简
20、单有效的方法是将各站的串行通信接口电路与其他站进行电气隔离。电路可以用分立的高速光耦器件、带隔离的DC/DC电源变换器与RS-485收发器组合而成,也可以采用专门的带隔离收发器的芯片。MAXIM公司生产的MAX1480B是具有光隔离的RS-485接口芯片,片内包括收发器、光电耦合器和隔离电源,由单一的+5V电源供电,使用十分方便。,光电隔离的RS-485总线,3.抗静电放电冲击RS-485接收器差分输入端对地的共模电压范围为-7+12V,超过此范围时器件可能损坏。接口芯片在安装和使用过程中,可能受到静电放电冲击,例如人体接触芯片引脚引起的静电放电,其电压可以高达35kV。静电放电会影响电路的正
21、常工作或导致器件损坏,解决的办法是选用带静电放电保护的RS-485接口器件,例如MAX1487E、MAX483E-491E、SN75LBC184等。这些器件对抗其他类型的高共模电压干扰（如雷电干扰）也很有效。解决这一问题的另一个办法是在传输信号线上加箝位电路。,4.传输线的铺设及屏蔽在系统安装时,应尽量做到传输线单独铺设,不与交流动力线一起铺设在同一条电缆沟中。强信号线与弱信号线避免平行走向,尽量使两者正交。如果这些要求很难实现,也要尽量使信号线离干扰线远一些,一般认为两者的距离应为干扰导线内径的40倍以上。如果采用带有屏蔽层的双绞线,将屏蔽层良好地接地,也会有很好的效果。,6.5 并行数据通
22、信技术,6.5.1 Centronics标准并行接口微型计算机配备的并行接口遵从Centronics标准,这是一个得到工业界普通支持的标准,多用于计算机与打印机的并行连接,在智能仪器和其他智能设备（如仿真开发装置）与微型计算机的连接中也被采用。这个标准开始规定了一个36芯插头座,并对每个引脚的信号做了明确的规定,其中有8条数据线、3条联络线和一些特殊的控制线。后来将这个标准简化为25芯插头座。,Centronics标准并行接口引脚信号,6.5.2 GP-IB（IEEE488）总线自动测试系统中典型的并行总线是GP-IB（IEEE488）总线,GP-IB（General Purpose Inte
23、rface Bus,通用接口总线）是国际通用的仪器接口标准。GP-IB总线可将多台配置有GP-IB接口的独立仪器连接起来,在具有GP-IB接口的计算机和GP-IB协议的控制下形成协调运行的有机整体。由于数据传输距离较近,并行数据电缆的导线数目较多,因此可以体现并行通信高速传输的优势。,在自动测试系统中,配置有GP-IB接口的智能仪器（一般称之为GP-IB仪器）之间的通信是通过接口系统发送“仪器消息”和“接口消息”来实现的。仪器消息即通常概念中的数据或数据消息,主要包含该仪器的特定信息（如编程指令、测量结果、机器状态和数据文件等）；接口消息则用于管理总线,通常称之为命令（Command）或命令消
24、息。接口消息执行诸如总线初始化,对仪器寻址,将仪器设置为远程方式或本地方式等操作。此处的“命令”与特定仪器的专用命令是两个不同的概念,特定仪器的专用命令在GP-IB系统中是作为数据消息来处理的。,在一个GP-IB标准接口总线系统中要进行有效的通信联络,至少有“讲者”（Talker）、“听者”（Listener）和“控者”（Controller）三类仪器装置。讲者通过总线向接收数据的一个或多个听者发送数据信息；听者是通过总线接收由讲者发出消息的装置；控制器（控者）则通过向所有的仪器发送命令来管理GP-IB总线上的信息流。自动测试系统中的某台GP-IB仪器既可能是讲者,也可能是听者。但在某一时刻,
25、只能有一个讲者在起作用。,GP-IB自动测试系统,自动测试系统由数字电压表、信号发生器、打印机和计算机（安装GP-IB卡）组成。计算机为控者,用以控制三台GP-IB仪器按照GP-IB协议规范协调地工作。“听”、“讲”、“控”是相对GP-IB总线而言的。,GP-IB标准接口由16根信号线组成,分为数据线（8根）、挂钩线（HandShake）（3根）和接口管理线（5根）三组。数据线DIO1DIO8传输数据消息和命令消息。ATN线的状态决定数据线上的消息是数据还是命令。所有的命令和大多数数据采用7位ASCII或ISO代码,故数据线的第8位（DIO8）可用做奇偶校验位或不用。3根挂钩线控制仪器之间信息
26、字节的传输,形成“三线互锁挂钩”过程,以保证数据线上信息字节的发送和接收不产生传输错误。,3根挂钩线的信号为(1)NRFD（NotReadyforData,接收数据未就绪）：指示某仪器是否准备好接收一个消息字节。该信号线在接收命令时由所有的仪器驱动,在接收数据消息时由听者驱动。(2)NDAC（NotDataAccepted,未接收数据）：指示某仪器是否接收到消息字节。该信号线在接受命令时由所有的仪器驱动,而在接收数据消息时由听者驱动。(3)DAV（DataValid,数据有效）：指示数据线上的信号是稳定（有效）的,并可由仪器安全接收。控制器在发送命令时发送此信号,而讲者则在发送数据消息时发送此
27、信号。,5根管理信号线的信号为(1)ATN（Attention,注意）：控制器在使用数据线发送命令时将这根信号线设置为真，而在某一讲者可以发送数据消息时将其设置为假。(2)IFC（InterfaceClear,接口清除）：系统某控制器驱动该信号线对总线初始化,并成功地执行控制器。(3)REN（RemoteEnable,远程允许）：系统控制器驱动REN,用于将各仪器设置为远程Remote）编程或本地（Local）编程方式。(4)SRQ（ServiceRequest,服务请求）：任何仪器均可以驱动该信号线,实现异步请求控制器服务。,(5)EOI（EndorIdentify,结束或识别）：讲者使用该
28、信号线标记信息字符串的结束，而控制器则使用该信号线要求各仪器在并行查询操作中识别各自的响应。GP-IB总线通过标准电缆将GP-IB系统中各独立的GP-IB仪器连接起来。GP-IB控制器的作用如同计算机中的CPU,但更像市话系统中的交换机,对GP-IB总线构成的通信网络实施监控。当控制器察觉到某仪器欲发送一条数据消息时,即把讲者连接到听者。控制器通常在讲者向听者发送消息之前,对讲者和听者寻址,在讲者和听者之间建立联系。某些GP-IB系统的组成不需要控制器（例如,一个系统中某仪器永远是讲者,而其他仪器则只是听者）。,如果系统中讲者和听者的身份需要动态更换,则系统中必须有一个控制器,这个控制器通常是
29、一台计算机。GP-IB系统中可以存在多个控制器,但任何时刻只能有一个执行控制器（CIC,ControllerinCharge）,其他控制器只能充当讲者或听者的角色。,24线连接器的引脚信号,GP-IB总线信号采用TTL电平负逻辑。GP-IB总线上的每台仪器均采用一种特殊的24线屏蔽电缆连接,每根电缆的两端都是一个将插头和插座组合在一起的连接器。这样的连接器可将多台设备按串联和星型的形式连接。连接器中1823脚上的接地导线GND分别与611脚的信号线形成双绞线,以提高系统的抗干扰能力。为了达到GP-IB在设计时所确定的高数据传输速率,总线上仪器之间的距离和能够挂接的仪器数目是有限的。对于一般的操
30、作来说,总线上相邻两仪器之间的距离不得大于4m,而总线上所有仪器之间的平均距离不得大于2m,系统中GP-IB总线的电缆总长度不得超过20m,最多只能挂接15台仪器,且加电的仪器不得少于2/3。以下介绍GP-IB总线的两种典型操作及其通信过程。,1.控制器的操作控制器加电后一般应发出IFC信号,使所有的GP-IB设备初始化；然后设置ATN（低电平有效）,表示控制器将向总线上的听者和讲者发送命令,实现对系统的配置和调度。这时数据线上的8位数据为命令地址组合码,。除对听者和讲者身份进行设置和取消命令外,还可使用16条通用命令。GP-IB设备可选用32个地址（虽然GP-IB总线上最多只能驱动15个装置
31、）。,GP-IB总线命令地址组合码,控制器的操作过程：检测SRQ线,当其为低电平时,通过查询确定请求服务的仪器；设置ATN为有效（低电平）；发送X0100001,确定地址为1的仪器为听者；发送X1000010,确定地址为2的仪器为讲者；设置ATN为高电平；讲者与听者交换数据；发送X0111111,关闭听者；发送X1011111,关闭讲者。,2.三线挂钩操作处于GP-IB总线数据传输最底层的三线挂钩操作的标准过程如图所示。首先需要听者解除（接收数据未就绪）,由于NRFD和NDAC具有“线或”特性,因此总线上的所有听者都必须接触NRFD才能使NRFD线呈高电平。而讲者在确认所有听者均已就绪后,将有
32、效数据字节放置在数据线上,然后发出DAV（数据有效)信号,通知听者已有一个有效的数据字节放置在数据线上。这时,听者即可开始接收数据。只要有一个听者开始接收数据,即将NRFD置为低电平。听者在接受了数据后试图接触NDAC（未接收数据）信号，表示数据已被接收。同样，必须所有的听者均发出NDAC，才能使NDAC线呈现高电平。,GP-IB总线的三线挂钩操作,从以上挂钩过程中可以看到,GP-IB总线上的数据传输速率取决于速度最慢的设备。一个字节的传输不能少于以下过程所需要的时间：NRFD传送到讲者的时间；听者接收字节并产生NDAC信号的时间；NDAC回传到讲者的时间；讲者再次产生DAV信号之前所需要的稳
33、定时间。为了提高数据传输速率,NI（NationalInstruments）公司开发了一种称之为HS488的专利性高速GP-IB挂钩协议,它可以有效地消除三线挂钩操作中的传递延时。,以上所述的一个数据字节传输的三线挂钩过程是GP-IB总线数据通信的基础,但是完整的信息一般包括多个字节,传送完整的信息涉及数据格式、状态报告、消息交换协议等多方面的问题。虽然IEEE488.1标准通过明确定义机械、电气和硬件协议的规格,大大简化了不同GP-IB仪器之间的互连,但并未很好地解决数据格式、状态报告、消息交换协议、公共组态命令或装置专用命令等方面的标准化问题。不同厂家在解决这些问题时采用不同的方法,留给用
34、户无所适从的困难。IEEE488.2标准针对原IEEE488.1标准的局限和含糊之处进行了进一步的标准化,并保持与IEEE488.1标准兼容。IEEE488.2标准主要在软件协议方面制定了数据格式、状态上报、出错处理、控制器功能以及公共命令的标准,这些标准化工作使得GP-IB系统工作更加可靠。,为了简化GP-IB接口设计,Intel、Motorola等公司推出了专用大规模集成电路接口芯片。Intel公司的8291A、8292及8293为其中的典型代表。Intel8291A可以实现除控者功能以外的全部接口功能。8292接口芯片仅具有控者功能,一般与8291A联合使用,组成全功能GP-IB接口。8
35、293是专门为8291A和8292配套的总线收发器,以保证GP-IB总线具有足够的驱动能力。以下仅对8291A做简要介绍。,8291A引脚及内部结构图,Intel8291A采用40脚双列直插封装,它的引脚分为两类,一类与微处理器（含单片机）相连,另一类与GP-IB总线相连。与微处理器相连的主要信号有：双向数据线（D7D0）；地址线（RS2RS0,选择内部8个读寄存器和8个写寄存器）；片选信号（CS）；读/写控制信号（）；中断请求信号（INT）；DMA请求/响应信号（DREQ/DACK）；触发信号（TRIG）以及复位信号（RESET）。与GP-IB总线相连的主要信号有：8位GP-IB数据线；3条
36、GP-IB挂钩信号线；5条GP-IB管理线；还有控制双向GP-IB总线发送和接收数据方向的2条外部收发控制信号线（）。,Intel8291A内部有16个专用寄存器（详见表3-5）,其中8个接收来自CPU的数据或控制命令（称为“写寄存器”）；另外8个向CPU传送GP-IB总线状态或数据（称为“读寄存器”）。只要对这16个寄存器进行适当的读写操作,就能使8291A完成各种工作。,8291A内部寄存器一览表,总线（VMEbusExtensionsforInstrumentation）VXI总线仪器系统是模板插卡式结构的智能仪器系统,可将各种具有独立功能的模板式智能仪器连接在一起,构成自动测试系统或计
37、算机测控系统。VXI总线仪器系统中的模板式智能仪器被称为卡式仪器（IAC,InstrumentAtCard）,如卡式数字电压表、示波器、函数发生器、AI/AO和DI/DO通道等。按照自动测试系统或测控系统的功能要求,将选定的若干IAC安置在同一个机箱中,并挂在机箱背板的高速并行总线（背板总线）上,即可构成不同用途和规模的VXI总线仪器系统。,这些IAC可以在本机（Local）方式下独立工作,在需要彼此呼应或与仪器系统外部交换数据时,可通过背板总线进入远程（Remote）。VXI总线仪器系统具有信息吞吐量大、配置灵活、结构紧凑、仪器体积小等特点,是当前实验室仪器系统研究和发展的热点。VME（Ve
38、rsabusModuleEuropean）总线是Motorola公司1981年针对32位微处理器68000而开发的微机总线。VXI总线是VME总线标准在智能仪器领域的扩展,由HP等5个测试仪器公司于1987年联合推荐,是当前仪器系统中得到广泛应用和发展的一个并行总线标准。VXI总线仪器系统采用了数据速率高达40Mb/s的VME总线作为机箱背板总线。,背板总线在功能上相当于连接独立仪器的GP-IB总线,但是具有更高的数据吞吐率。控制器也可以制作成IAC挂接在背板总线上,对总线上的各种信息实施调度和控制。相当于在一个机箱内集成了整个GP-IB总线仪器系统的功能。VXI总线具有严格的机械和电气标准,
39、共定义了4种仪器模板的尺寸：A型（10cm16cm）、B型（23.3cm16cm）、C型（23.3cm34cm）和D型（36.7cm34cm）。其中,A、B两种是VME已定义的且具有真正含义的VME模板；C、D两种是VXI标准专门定义的适用于更高性能仪器的尺寸,应用最多的是C尺寸模板。VXI仪器系统采用可变尺寸结构,允许小尺寸模板插入大机箱中。VXI系统的机箱（Mainframe）除了外壳和背板之外,还提供VXI系统的工作电源系统和冷却系统等。,VXI总线还定义了模板与底板总线插接的3个96针连接器标准,分别称为P1、P2、P3。P1连接器是VME或VXI总线必须配备的基本连接器,它包括数据传
40、输总线（24位地址和16位数据）、中断信号线和某些电源线。任选的P2连接器适用于除A尺寸以外的所有模板,可将数据传输总线扩展到32位,还增加了许多资源,如4个附加电源电压、局部总线、模块识别总线（允许确定模块的槽编号）等。此外,还有TTL和ECL触发总线和10MHz差分ECL时钟信号等。任选的P3连接器只用于D尺寸模板,对P2提供的资源进一步扩展,又提供了24根局部总线、附加的ECL触发线、100MHz时钟和用于精密同步的星型触发线等,以适合特殊用途。,VXI总线装置是VXI总线系统中的基本部件。每个装置都有惟一的地址编码（0255）,每个VXI总线仪器系统中最多可容纳256个装置。一个装置可
41、以占据数个槽位,也允许几个装置共用一个槽位。电压表、计数器或信号发生器等一般都是单槽位装置。VXI总线装置的类型共有4种：寄存器基装置、存储器装置、消息基装置和扩展装置。寄存器基装置只有组态寄存器和由装置决定的寄存器,而没有通信寄存器。装置的通信通过寄存器读/写来实现,在命令者/受令者的分层结构中担任受令者。寄存器基装置电路简单、易于实现,节省了指令的译码时间,数据传输速度快。存储器装置与寄存器基装置很相似,也没有通信寄存器,只能靠寄存器的读/写来进行通信。,一般可将存储器装置与寄存器基装置同等对待。以消息为基础的消息基寄存器不但具有组态寄存器和若干由装置决定的寄存器,而且还具有通信寄存器来支
42、持复杂的通信规程,进行高水平的通信。消息基装置属于智能化的较复杂的装置，如计算机、资源管理者、各类高性能测试仪器插件等,可以担任分层结构中的命令者,也可以担任受命者,或者同时兼任上层的受命者及下层的命令者。扩展装置是有特定目的的装置,用于为VXI未来的发展定义新的装置门类。,VXI系统模板尺寸和连接器的总线分布（a）VXI系统模板尺寸；（b）VXI系统连接器的总线分布,VXI系统的通信有若干层。第1层是“寄存器读/写层”，其通信是通过寄存器的读/写来实现的,通信速度快,硬件费用节省。但这种通信也是针对用户支持最少,最不方便的通信。第2层是“信号/中断层”,允许VXI装置向它的命令者回报信息，也
43、是一种寄存器基装置和存储器装置支持的低层通信。第3层是“字串行规程层”,命令者与受命者之间的字串行通信,应遵守消息基装置的通信规程。字串行规程与仪器特定规程之间有两种联系方式,一种是直接以字串行方式向装置发送所要求的命令或数据,另一种是经过488-VXI规程和IEEE488.2语言与特定规程联系,使用这种方式可以像控制GP-IB仪器一样控制VXI仪器。,VXI总线通信规程示意图,消息基装置通过通信寄存器还支持一种共享存储器规程,即两个装置可以通过它们中的一个装置所占有的存储器块进行通信,从而达到较高的通信速度。这是字串行通信做不到的。在某些情况下,各装置之间还可通过本地总线高速传送数据,这也是
44、VXI系统的一个重要特点。VXI总线仪器系统的硬件规范及字串行协议,确保了众多厂商生产的VXI总线仪器插卡的硬件兼容。为提高软件的兼容性,在VXI总线和GP-IB等自动测试系统中采用了两个软件标准,即IEEE488.2和可编程仪器标准命令SCPI。IEEE488.2主要规定仪器的内务管理功能,并不涉及装置的消息本身；SCPI建立在IEEE488.2的基础上,侧重于解决智能仪器的程控和仪器响应中装置消息标准化的问题。,有两个特殊功能是每个VXI总线系统不可缺少的。第一个是负责机箱背板管理的0号插槽功能。0号插槽处于每个VXI总线机箱中特定的物理位置,从这个槽上发出的信号必须包括时钟源和数据通过背
45、板时的仲裁逻辑等。插入该插槽的模板除了能履行这些硬件功能外,还能履行其他的功能,如与外部微型计算机的GP-IB接口通信等。这个插槽一般由命令器（Commander）或嵌入式计算机占据。VXI总线系统的第二个特殊功能是其资源管器。位于逻辑地址0的资源管理器是一个消息基命令器,负责对系统的配置。可以将资源管理器理解为系统初始化程序,每当系统加电或复位的时候进行的操作为：识别系统中所有的VXI装置；为系统运行配置所有的资源；管理系统自检；配置系统A24和A32的映射；配置命令/服务分级机制；启动正常运行。,为了充分利用其他外部资源,VXI总线开发了与其他总线系统（如GP-IB、RS-232C、RS-
46、485和MXI等）连接和转换的模块,使得VXI总线系统可与任何其他总线系统或仪器联合工作。当一个机箱不能容纳所有的IAC时,可增添扩展机箱,采用总线扩展器将主机箱与扩展机箱连接起来,以构成完整的VXI总线仪器系统。VXI总线仪器系统的嵌入式控制器（EmbeddedController）可直接安装在机箱的0号槽,兼有控制器和0号槽功能。嵌入式控制器取代GP-IB/VXI转换模块对消息基仪器编程,可使VXI仪器系统成为独立系统,但系统的通信性能并未改善。因为通信速率主要受ASCII消息转换时间的影响,而不是GP-IB带宽。如果要求比GP-IB有更大的信息吞吐量,可以采用寄存器层的直接通信方式。,V
47、XI总线仪器系统可通过不同的接口方式与多种计算机连接,软件方面可以充分利用各种通用软件、操作系统、高级语言和软件工具等。VXI总线仪器系统充分吸收并继承了GP-IB沿用的IEEE488.1、IEEE488.2和程控仪器标准命令SCPI,创造了一个从程控仪器标准命令、仪器之间信息交换到系统操作运行高度统一的软件环境。,6.6 USB总线技术,USB（UniversalSerialBus）即通用串行总线,在传统计算机组织结构的基础上,引入了网络的某些技术,已成为新型计算机接口的主流。USB是一种电缆总线,支持主机与各式各样“即插即用”外部设备之间的数据传输。多个设备按协议规定分享USB带宽,在主机
48、和总线上的设备运行中,仍允许添加或拆除外设。USB总线具有以下主要特征：,（1）用户易用性。电缆连接和连接头采用单一模型,电气特性与用户无关,并提供了动态连接、动态识别等特性。（2）应用的广泛性。USB总线传输速率从几kb/s到几Mb/s,甚至上百Mb/s,并在同一根电缆线上支持同步、异步两种传输模式。可以对多个USB总线设备（最多127个）同时进行操作,利用底层协议提高了总线利用率,使主机和设备之间可传输多个数据流和报文。（3）使用的灵活性。USB总线允许对设备缓冲区大小进行选择,并通过设定缓冲区的大小和执行时间,支持各种数据传输速率和不同大小的数据包。,（4）容错性强。USB总线在协议中规
49、定了出错处理和差错校正的机制,可以对有缺陷的设备进行认定,对错误的数据进行校正或报告。（5）“即插即用”的体系结构。USB总线具有简单而完善的协议,并与现有的操作系统相适应,不会产生任何冲突。（6）性价比较高。USB虽然拥有诸多优秀的特性,但其价格较低。USB总线技术将外设和主机硬件进行最优化集成,并提供了低价的电缆和连接头等。,目前,USB总线技术应用日益广泛,各种台式电脑和移动式智能设备普遍配备了USB总线接口,同时出现了大量的USB外设（如USB电子盘等）,USB接口芯片也日益普及。在智能仪器中装备USB总线接口,既可以使其方便地连入USB系统,从而大大提高智能仪器的数据通信能力,又可使
50、智能仪器选用各种USB外部设备,增强智能仪器的功能。以下仅对USB总线的体系结构做概略介绍。,6.6.1 USB的系统描述USB系统分为USB主机、USB设备和USB连接3部分。任何USB系统中只有一台主机,USB系统和主机系统的接口称为主机控制器（Host Controller）,它是由硬件和软件综合实现的。USB设备包括集线器（Hub）和功能部件（Function）两种类型。集线器为USB提供了更多的连接点,功能部件则为系统提供了具体的功能。USB的物理连接为分层星型布局,每个集线器处于星型布局的中心,与其他集线器或功能部件点对点连接。根集线器置于主机系统内部，用以提供对外的USB连接点。
