第7章 计算机测控系统的总线技术 《计算机测控技术与系统》电子课件.ppt

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2022/10/15,1,第7章计算机测控系统的总线技术,学习目标：

掌握测控系统总线技术的基本概念熟悉常用的系统总线标准熟悉常用的串行通信总线了解现场总线技术,2022/10/15,2,7.1总线技术的概述,1.总线的产生,为了使插件与插件间、系统与系统间能够正确连接，就必须对连接各插件或各系统的基础总线，制定出严格的规约，即总线标准，为各厂商设计和生产插件模块提供统一的依据。

2.总线的定义及分类,

（1）总线的定义,总线是一组信号线的集合。

这些线是系统的各插件间（或插件内部芯片间）、各系统之间传送规定信息的公共通道，有时也称数据公路，通过它们可以把各种数据和命令传送到各自要去的地方。

2022/10/15,3,

（2）总线的分类,根据总线不同的结构和用途，总线有如下的2种类型,a.专用总线我们将只实现一对物理部件间连接的总线称为专用总线。

专用总线的基本优点是其具有较高的流量，多个部件可以同时发送或接受信息，几乎不会出现总线争用的现象。

在全互连或部分互连以及环形拓扑结构中使用的总线就是专用总线。

b.非专用总线非专用总线可以被多种功能或多个部件所共享，所以也称之为共享总线。

每个部件都能通过共享总线与接在总线上的其他部件相连，但在同一时刻，却只允许2个部件共享通信，其他部件间的通信要分时进行，因此准确地应称之为分时共享总线。

2022/10/15,4,根据总线的用途和应用环境，总线可以有如下3种类型,a.局部总线,b.系统总线,c.外总线,2022/10/15,5,根据总线传送信号的形式，总线又可分为2种,a.并行总线如果用若干根信号线同时传递信号，就构成了并行总线。

并行总线的特点是能以简单的硬件来运行高速的数据传输和处理。

b.串行总线串行总线是按照信息逐位的顺序传送信号。

其特点是可以用几根信号线在远距离范围内传递数据或信息，主要用于数据通信。

显然，上面提到的总线和局部总线均属于并行总线范畴。

而现场总线（Fieldbus）则是连接工业过程现场仪表和控制系统之间的全数字化、双向、多站点的串行通信网络。

2022/10/15,6,7.2系统总线,1.PCI总线,典型PCI总线系统结构示意图,2022/10/15,7,2.PXI总线,PXI总线是1997年美国国家仪器公司（NI）发布的一种高性能低价位的开放性、模块化仪器总线，是一种专为工业数据采集与仪器仪表测量应用领域而设计的模块化仪器自动测试平台。

PXI结合了PCI的电气总线特性与CompactPCI的坚固性、模块化及Eurocard机械封装的特性，采用标准高性能IEC连接器，并增加了专门的同步总线。

这使得它成为测量和自动化系统的高性能、低成本运载平台，广泛应用于制造测试、航空航天、军事国防、汽车生产等各种工业测试领域中。

PXI系统主机组成,2022/10/15,8,PXI系统由三个基本部分组成机箱、系统控制器和外围模块。

图所示的是一个标准的8槽PXI机箱中，包括一个嵌入式系统控制器和七个外围模块。

PXI机箱为系统提供了坚固的模块化封装。

机箱中具有高性能的PXI背板，该背板包括PCI总线，定时总线以及触发总线。

2022/10/15,9,PXI模块化仪器系统中增加了专用的10MHz系统参考时钟、PXI触发总线、星形触发总线和槽与槽之间的局部总线。

PXI在其背板上，将工业标准的PC机组件（如PCI总线）与高级触发和同步扩展组合在一起，从而在保持PCI总线所有优势的同时，满足高级定时、同步和相邻槽直接通信等应用中的需求。

2022/10/15,10,按机械、电气及软件体系结构用方框图汇总了PXI规范的基本内容。

2022/10/15,11,7.3串行通信总线,1.串行通信的基本概念,

（1）数据传送方式,串行通信中数据传送方式有三种：

单工方式、半双工方式和全双工方式。

单工方式,半双工方式,全双工方式,2022/10/15,12,

（2）数据传输率,数据传输率是指单位时间内传输的信息量，可用比特率和波特率来表示。

比特率：

是指每秒传输的二进制位数，用bps（bit/s）表示。

波特率：

是指每秒传输的符号数，若每个符号所含的信息量为1比特，则波特率等于比特率。

位时间：

是指传送一个二进制位所需时间，用Td表示。

Td=1/波特率=1/B,2022/10/15,13,（3）发送时钟和接收时钟,在串行通信中，二进制数据以数字信号的信号形式出现，不论是发送还是接收，都必须有时钟信号对传送的数据进行定位。

在TTL标准表示的二进制数中，传输线上高电平表示二进制1，低电平表示二进制0，且每一位持续时间是固定的，由发送时钟和接收时钟的频率决定。

发送时钟,2022/10/15,14,接收时钟,波特率因子,接收时钟和发送时钟与波特率有如下关系：

F=nB这里F是发送时钟或接收时钟的频率；B是数据传输的波特率；n称为波特率因子。

在实际串行通信中，波特率因子可以设定。

在异步传送时，n=1，16，64，实际常采用n=16。

在同步通信时，波特率因子n必须等于1。

2022/10/15,15,2.串行通信的同步和异步方式,

（1）异步通信,异步通信方式（AsynchronousDataCommunication，ASYNC），又称起止式异步通信，是计算机通信中最常用的数据信息传输方式。

它是以字符为单位进行传输的，字符之间没有固定的时间间隔要求，而每个字符中的各位则以固定的时间传送。

收、发双方取得同步的方法是采用在字符格式中设置起始位和停止位。

在一个有效字符正式发送前，发送器先发送一个起始位，然后发送有效字符位，在字符结束时再发送一个停止位，起始位至停止位构成一帧。

2022/10/15,16,异步通信具有如下特点,1、起止式异步通信协议传输数据对收发双方的时钟同步要求不高，即使收、发双方的时钟频率存在一定偏差，只要不使接收器在一个字符的起始位之后的采样出现错位现象，则数据传输仍可正常进行。

2、实际应用中，串行异步通信的数据格式，包括数据位的位数、校验位的设置以及停止位的位数都可以根据实际需要，通过可编程串行接口电路，用软件命令的方式进行设置。

3、串行异步通信中，为发送一个字符需要一些附加的信息位，如起始位、校验位和停止位等。

这些附加信息位不是有效信息本身，它们被称为额外开销或通信开销，这种额外开销使通信效率降低。

4、串行异步通信依靠对每个字符设置起始位和停止位的方法，使通信双方达到同步。

2022/10/15,17,

（2）同步通信,同步通信是一种连续串行传送数据的通信方式，一次通信只传送一帧信息。

因此，在同步通信中，收发双方必须有准确的位定时信号，即双方的时钟频率要严格一致。

在数据格式上，这里的信息帧与异步通信中的字符帧不同，通常含有若干个数据字符。

每个字符不增加任何附加位，字符和字符是连续发送的。

它们均由同步字符、数据字符和校验字符（CRC）组成。

其中同步字符位于帧开头，用于确认数据字符的开始。

数据字符在同步字符之后，个数没有限制，由所需传输的数据块长度来决定；校验字符有1到2个，用于接收端对接收到的字符序列进行正确性的校验。

同步通信的缺点是要求发送时钟和接收时钟保持严格的同步。

2022/10/15,18,3.串行通信的差错控制技术,

（1）纠错编码,纠错编码是差错控制技术的核心。

所谓纠错编码方法是在有效数据信息的基础上附加一定的冗余信息位，利用每个信息位的组合来监督信息码的传送情况。

纠错编码的方法很多，最常用的有两种：

奇偶效验码和循环冗余校验码。

奇偶效验码,数据6的奇偶校验码数据格式,2022/10/15,19,循环冗余校验码,循环冗余校验码（CyclicRedundancyCheck，CRC）是数据通信领域中最常用的一种差错校验码，其特征是信息字段和校验字段的长度可以任意选定。

循环冗余校验码就是在K位信息码后，再拼接R位的校验码，整个编码长度为N位。

校验码生成的具体过程为：

设发送信息用多项式C（x）来表示，将C（x）左移R位，则可以表示为C（x）2R（左移一位相当于乘2，左移R位相当于乘2R）。

这样，在C（x）的右边会出现R位空位，这些空位就是校验码的位置。

通过C（x）2R除以生成多项式G（x）得到余数就是校验码。

2022/10/15,20,下面通过一个例子说明CRC码的生成过程。

已知要发送的二进制信息码为11101010001，设生成多项式为G（x），则可以利用如下所示的多项式模2除法求出余数，即校验码。

余数1010即为校验码，于是可求得该信息码的循环校验码为：

111010100011010。

2022/10/15,21,

（2）纠错方法,重发纠错,重发纠错的工作原理是发送端发送能校验错误码的信息码（如奇偶校验码），接收端根据该码的编码规则，判断信息传输中有无错误，并把判断结果反馈给发送端。

如果发现有错误，则请求再次发送，直到接收端认为正确为止。

自动纠错,自动纠错原理是发送端发送的信息码中要包含检错的信息码和纠错的信息码。

接收端收到这些编码后，进行译码，通过译码能够自动发现错误，而且要能够自动纠正传输中的错误。

混合纠错,混合纠错方式是重发纠错和自动纠错两种方式的结合。

其工作原理是发送端发送的信息编码中有一定的检错和纠错能力；接收端接收到编码后，进行解码，若发现错误位数，且在纠错能力范围内，则自动纠错；如果错误位数较多，超过了纠错能力，则发出反馈信息，要求发送端重新发送。

2022/10/15,22,4.常用串行通信标准总线,

（1）RS-232C总线,RS-232C是由美国电子工业协会（ElectronicIndustryAssociation，EIA）在1969年颁布的一种的串行物理接口标准，也是在计算机系统中最常用的串行接口标准，用于实现计算机与计算机之间、计算机与外设之间的同步或异步通信。

采用RS-232C作为串行通信时，通信距离可达12m，传输数据的速率可任意调整，最大可达20kbps。

2022/10/15,23,RS-232C总线的电气特性,电气连接方式,主要特点：

非平衡的连接方式采用点对点通信公用地线,2022/10/15,24,最高通信速率为115200bpsRS-232C标准规定通信距离应小于15m。

电气参数,引线信号状态RS-232C标准引线状态必须是以下三种之一，即SPACE/MARK（空号/传号）、或ON/OFF（通/断）、或逻辑0/逻辑1。

引线逻辑电平,用-3-15V表示逻辑1用+3+15V表示逻辑0,短路抑制性能RS-232C的驱动电路必须能承受电缆中任何导线短路,通信速率,2022/10/15,25,RS-232C串行通信的典型连接形式有两种：

一种是数据终端计算机（DTE）之间，零调制解调器的连接形式；另一种是数据终端PC机（DTE）与数据通信设备（DCE）的通信。

当通信距离较近时，可不需要Modem，通信双方可以直接连接，这种情况下，只需使用三根线（发送线、接收线、信号地线）便可实现全双工异步串行通信。

2022/10/15,26,RS-232C逻辑状态定义的正负电压范围与TTL高低电平表示逻辑状态的规定不同。

因此，为了能够使计算机接口与终端的TTL器件连接，必须在RS-232C与TTL电路之间进行电平和逻辑关系变换。

MAX232是MAXIM公司生产的，包含两路驱动器和接收器的RS-232C转换芯片。

芯片内部有一个电压转换器，可以把输入的+5V电压转换为RS-232C接口所需的12V电压，尤其适用于没有12V的单电源系统。

2022/10/15,27,

（2）RS-422A总线,为了解决RS-232C的一系列不足，在1977年EIA公布了“平衡电压数字接口电路的电气特性标准”，即RS-422A串行总线标准。

与RS-232C的关键区别在于把单端输入改为双端差分输入，信号地不再公用，双方的信号地也无须相连；数据传送首先通过驱动器，把逻辑电平转换为平衡驱动的差分信号，通过双绞线传送至接收器，接收器把差分信号的电位差转换回逻辑电平，实现信号的传输。

差分信号,2022/10/15,28,（3）RS-485总线,EIA于