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(wú)線通信技術(shù)

3.5實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目二——溫室無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(bào)等），故在智能化測(cè)控儀器儀表中,通常采用串行通信方式來(lái)實(shí)現(xiàn)與其他儀器或計(jì)算機(jī)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(jìn)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(biāo)，也是衡量傳送通道頻帶寬度的指標(biāo)。

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(shí)進(jìn)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(shí)使用同一傳輸線路，即在某一時(shí)刻只允許進(jìn)行一個(gè)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(shí)進(jìn)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(méi)有專門的信號(hào)線可用來(lái)指示接收、發(fā)送的時(shí)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(hào)，收發(fā)雙方需要制定并嚴(yán)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(gè)字符必須由起始位（1位“0”）開(kāi)始，之后是7位或8位數(shù)據(jù)和1位奇偶校驗(yàn)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(kāi)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(yàn)位和停止位（如圖3-2示）。停止位后面可能不會(huì)立刻緊接下一字符的起始位，這時(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(duì)每個(gè)字符都附加了同步信息，降低了對(duì)時(shí)鐘的要求，硬件較為簡(jiǎn)單，但冗余信息（起始位、停止位和奇偶校驗(yàn)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(guò)程中，必須規(guī)定數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度（每個(gè)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(kāi)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(yàn)碼）字符，用于檢驗(yàn)同步傳送的數(shù)據(jù)是否出錯(cuò)。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(shí)鐘精確同步，因此同步傳送方式的硬件較為復(fù)雜。時(shí)鐘信息可以通過(guò)一根獨(dú)立的信號(hào)線進(jìn)行傳送，也可以通過(guò)將信息中的時(shí)鐘代碼化來(lái)實(shí)現(xiàn)（如采用曼徹斯特編碼）。

4.基帶傳輸對(duì)數(shù)字信號(hào)不加調(diào)制，以其基本形式進(jìn)行的傳輸稱為基帶傳輸。基帶傳輸中數(shù)字信息的形式是與其通信速率有關(guān)的開(kāi)關(guān)信號(hào)，覆蓋相當(dāng)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(hào)將會(huì)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(hào)在傳輸過(guò)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(duì)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(méi)有什么問(wèn)題，對(duì)于儀器外部總線上進(jìn)行的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，基帶傳輸不能保證其可靠性，必須對(duì)基帶信號(hào)加以調(diào)制再進(jìn)行傳輸。調(diào)制的本質(zhì)是將頻帶寬度無(wú)限的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻帶寬度有限的調(diào)制信號(hào)(模擬信號(hào)或射頻信號(hào))，從而增加其可靠傳輸?shù)木嚯x。在接收端通過(guò)解調(diào)再將調(diào)制信號(hào)恢復(fù)為原來(lái)的數(shù)字信號(hào)，這一過(guò)程被稱為調(diào)制/解調(diào)(ModulationandDemodulation)。承擔(dān)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(guò)Modem的串行通信示意圖3.1.2

RS-232C標(biāo)準(zhǔn)串行接口總線

RS-232C是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA（ElectronicIndustriesAssociation）公布的串行通信標(biāo)準(zhǔn)，RS是英文“推薦標(biāo)準(zhǔn)”的字頭縮寫，232是標(biāo)識(shí)號(hào)，C表示該標(biāo)準(zhǔn)修改的次數(shù)（3次）。最初發(fā)展RS-232C標(biāo)準(zhǔn)是為了促進(jìn)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(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。20世紀(jì)60年代中期，將此標(biāo)準(zhǔn)引入到計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，目前廣泛用于計(jì)算機(jī)與外圍設(shè)備的串行異步通信接口中，除了真正的遠(yuǎn)程通信外，不再通過(guò)電話網(wǎng)和調(diào)制解調(diào)器。

1.總線描述

RS-232C標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌谛畔?，?guī)定了接口的電氣信號(hào)和接插件的機(jī)械要求。RS-232C對(duì)信號(hào)開(kāi)關(guān)電平規(guī)定如下：驅(qū)動(dòng)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(cè)電平為邏輯“0”：>+3V；邏輯“1”：<-3V。

RS-232C采用負(fù)邏輯，噪聲容限可達(dá)2V。

RS-232C接口定義了20條可以同外界連接的信號(hào)線，并對(duì)它們的功能做了具體規(guī)定。這些信號(hào)線并不是在所有的通信過(guò)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(hào)線。常用的信號(hào)線如表3-1所示。表3-1

RS-232C標(biāo)準(zhǔn)串行接口總線的常用信號(hào)

RS-232C用作計(jì)算機(jī)與遠(yuǎn)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(hào)線分為數(shù)據(jù)信號(hào)線和控制信號(hào)線，分別說(shuō)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(hào)線“發(fā)送數(shù)據(jù)”（TxD）與“接收數(shù)據(jù)”（RxD）是一對(duì)數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)線。TxD用于發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)無(wú)數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，TxD線上的信號(hào)為“1”；RxD用于接收數(shù)據(jù)，當(dāng)無(wú)數(shù)據(jù)接收時(shí)或接收數(shù)據(jù)間隔期間，RxD線上的信號(hào)也為“1”。

2)控制信號(hào)線“請(qǐng)求發(fā)送”（RTS）與“為發(fā)送清零”（CTS）信號(hào)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(shí)進(jìn)行，當(dāng)DTE有數(shù)據(jù)待發(fā)送時(shí)，先發(fā)“請(qǐng)求發(fā)送”信號(hào)通知調(diào)制解調(diào)器。此時(shí)，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(hào)，發(fā)送即開(kāi)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(shí)，才向DTE回送“為發(fā)送清零”信號(hào)。在全雙工方式下，發(fā)送和接收能同時(shí)進(jìn)行，不使用這兩條控制信號(hào)線。

“DCE就緒”（DSR）與“DTE就緒”（DTR）信號(hào)線分別表示DCE和DTE是否處于可供使用的狀態(tài)?！氨Ｗo(hù)地”信號(hào)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(jì)算機(jī)與智能設(shè)備通過(guò)RS-232C標(biāo)準(zhǔn)總線直接互連傳輸數(shù)據(jù)是很有實(shí)用價(jià)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(biāo)準(zhǔn)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(gè)設(shè)備均既可發(fā)送，又可接收?！罢?qǐng)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(wú)論何時(shí)都可以發(fā)送?！癉CE就緒”（DSR）線與對(duì)方的“DTE就緒”（DTR）線交叉互連，作為總線一端的設(shè)備檢測(cè)另一端的設(shè)備是否就緒的握手信號(hào)?！拜d波檢測(cè)”（DCD）與對(duì)方的“請(qǐng)求發(fā)送”（RTS）相連，使一端的設(shè)備能夠檢測(cè)對(duì)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(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)連接

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

RS-232C發(fā)送器電容負(fù)載的最大驅(qū)動(dòng)能力為2500pF，這就限制了信號(hào)線的最大長(zhǎng)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(duì)于長(zhǎng)距離傳輸或無(wú)線傳輸，則需要用調(diào)制解調(diào)器通過(guò)電話線或無(wú)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(jì)算機(jī)及智能儀器內(nèi)，通用的信號(hào)是正邏輯的TTL電平。而RS-232C的邏輯電平為負(fù)邏輯的±12V信號(hào)，與TTL電平不兼容，必須進(jìn)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(jì)算機(jī)接口計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)是并行的，為了實(shí)現(xiàn)異步串行傳輸，發(fā)送時(shí)必須進(jìn)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(shí)必須從圖3-2所示的格式中把有用的字符提取出來(lái)，再進(jìn)行串-并轉(zhuǎn)換。此外，還要檢驗(yàn)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(lái)完成。UART作為計(jì)算機(jī)的串行通信接口電路芯片，在相應(yīng)的控制軟件配合下，實(shí)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(jì)算機(jī)也有UART，詳細(xì)內(nèi)容讀者可參閱有關(guān)的書籍和產(chǎn)品手冊(cè)。3.1.3RS-422A與RS-423A標(biāo)準(zhǔn)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(guò)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(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。

（4）信號(hào)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(duì)以上不足，EIA于1977年制定了新標(biāo)準(zhǔn)（RS-449），目的在于支持較高的傳輸速率和較遠(yuǎn)的傳輸距離。RS-449標(biāo)準(zhǔn)定義了RS-232C所沒(méi)有的10種電路功能，規(guī)定了37腳的連接器標(biāo)準(zhǔn)。RS-422A和RS-423A實(shí)際上只是RS-449標(biāo)準(zhǔn)的子集。

RS-423A與RS-232C兼容，單端輸出驅(qū)動(dòng)，雙端差分接收。正信號(hào)邏輯電平為+200mV~+6V，負(fù)信號(hào)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(dòng)，雙端差分接收，從而使其抑制共模干擾的能力更強(qiáng)，傳輸速率和傳輸距離比RS-423A更進(jìn)一步。

RS-423A與RS-422A帶負(fù)載能力較強(qiáng)，一個(gè)發(fā)送器可以帶動(dòng)10個(gè)接收器同時(shí)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(biāo)準(zhǔn)串行接口總線

RS-485標(biāo)準(zhǔn)串行接口總線實(shí)際上是RS-422A的變型，它是為了適應(yīng)用最少的信號(hào)線實(shí)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(gè)設(shè)備相連時(shí)，RS-422A為全雙工，RS-485為半雙工；

·對(duì)于RS-422A，數(shù)據(jù)信號(hào)線上只能連接一個(gè)發(fā)送驅(qū)動(dòng)器，而RS-485卻可以連接多個(gè)，但在某一時(shí)刻只能有一個(gè)發(fā)送驅(qū)動(dòng)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(gè)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(yuǎn)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(cè)控系統(tǒng)提供了方便。通過(guò)RS-]485總線進(jìn)行多站互連的原理如圖3-11所示。在同一對(duì)信號(hào)線上，RS-485總線可以連接多達(dá)32個(gè)發(fā)送器和32個(gè)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(gè)）。圖3-11

RS-485總線多站互連原理圖

應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)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(shí)達(dá)到。傳輸距離長(zhǎng)時(shí)，傳輸速率就低一些；傳輸距離短時(shí)，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?，在最高傳輸速率為10Mb/s的情況下，傳輸距離僅為10m。只有在傳輸速率不超過(guò)100kb/s的條件下，傳輸距離才可以達(dá)到1200m。當(dāng)傳輸速率在100kb/s~10Mb/s范圍內(nèi)時(shí)，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(hào)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(yàn)公式進(jìn)行計(jì)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(xiàng)性能對(duì)比

實(shí)踐證明，在構(gòu)成RS1485總線互連網(wǎng)絡(luò)時(shí)，要使系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸達(dá)到高可靠性的要求，通常需要考慮下列幾個(gè)方面的問(wèn)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(hào)傳輸線。雙絞線價(jià)格低廉，使用方便，兩條線基本對(duì)稱，外界干擾噪聲主要以共模方式出現(xiàn)，對(duì)接收器的差動(dòng)輸入影響不大。信號(hào)在傳輸線上傳送時(shí)，如果遇到阻抗不連續(xù)的情況，會(huì)出現(xiàn)反射現(xiàn)象。傳送的數(shù)字信號(hào)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(guò)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(gè)120Ω的電阻進(jìn)行阻抗匹配。有些型號(hào)的RS1485發(fā)送器芯片有意降低信號(hào)變化沿斜率（簡(jiǎn)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(lái)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(shí)，相距較遠(yuǎn)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(wèn)題簡(jiǎn)單有效的方法是將各站的串行通信接口電路與其他站進(jìn)行電氣隔離，如圖3-13所示。實(shí)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(duì)地的共模電壓范圍為-7V~+12V，超過(guò)此范圍時(shí)器件可能損壞。接口芯片在安裝和使用過(guò)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(dá)35kV。靜電放電會(huì)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(hù)的RS-485接口器件，例如MAX1487E、MAX483E-491E、SN75LBC184等。這些器件對(duì)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(wèn)題的另一個(gè)辦法是在傳輸信號(hào)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(shí)，應(yīng)盡量做到傳輸線單獨(dú)鋪設(shè)，不與交流動(dòng)力線一起鋪設(shè)在同一條電纜溝中。強(qiáng)信號(hào)線與弱信號(hào)線避免平行走向，盡量使兩者正交。如果這些要求很難實(shí)現(xiàn)，也要盡量使信號(hào)線離干擾線遠(yuǎn)一些，一般認(rèn)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(huì)有很好的效果。3.2.1

Centronics標(biāo)準(zhǔn)并行接口

微型計(jì)算機(jī)配備的并行接口遵從Centronics標(biāo)準(zhǔn)，這是一個(gè)得到工業(yè)界普遍支持的標(biāo)準(zhǔn)，多用于計(jì)算機(jī)與打印機(jī)的并行連接，在智能儀器和其他智能設(shè)備（如仿真開(kāi)發(fā)裝置）與微型計(jì)算機(jī)的連接中也被采用。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)始規(guī)定了一個(gè)36芯插頭座，并對(duì)每個(gè)引腳的信號(hào)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(lái)將這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)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(biāo)準(zhǔn)并行接口引腳信號(hào)

3.2.2

GP-IB（IEEE488）總線自動(dòng)測(cè)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(guó)際通用的儀器接口標(biāo)準(zhǔn)。GP-IB總線可將多臺(tái)配置有GP-IB接口的獨(dú)立儀器連接起來(lái)，在具有GP-IB接口的計(jì)算機(jī)和GP-IB協(xié)議的控制下形成協(xié)調(diào)運(yùn)行的有機(jī)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(shì)。

在自動(dòng)測(cè)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(guò)接口系統(tǒng)發(fā)送“儀器消息”和“接口消息”來(lái)實(shí)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(cè)量結(jié)果、機(jī)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(duì)儀器尋址、將儀器設(shè)置為遠(yuǎn)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(gè)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(lái)處理的。在一個(gè)GP-IB標(biāo)準(zhǔn)接口總線系統(tǒng)中要進(jìn)行有效的通信聯(lián)絡(luò)，至少有“講者”（Talker）、“聽(tīng)者”（Listener）和“控者”（Controller）三類儀器裝置。講者通過(guò)總線向接收數(shù)據(jù)的一個(gè)或多個(gè)聽(tīng)者發(fā)送數(shù)據(jù)信息；聽(tīng)者是通過(guò)總線接收由講者發(fā)出消息的裝置；控制器（控者）則通過(guò)向所有的儀器發(fā)送命令來(lái)管理GP-IB總線上的信息流。自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中的某臺(tái)GP-IB儀器既可能是講者，也可能是聽(tīng)者。但在某一時(shí)刻，只能有一個(gè)講者在起作用。圖3-14中的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)由數(shù)字電壓表、信號(hào)發(fā)生器、打印機(jī)和計(jì)算機(jī)（安裝GP-IB卡）組成。計(jì)算機(jī)為控者，用以控制三臺(tái)GP-IB儀器按照GP-IB協(xié)議規(guī)范協(xié)調(diào)地工作。“聽(tīng)”、“講”、“控”是相對(duì)GP-IB總線而言的。圖3-14

GP-IB自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

GP-IB標(biāo)準(zhǔn)接口由16根信號(hào)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(yàn)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(guò)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(cuò)誤。

3根掛鉤線的信號(hào)如下：

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

(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(hào)線在接受命令時(shí)由所有的儀器驅(qū)動(dòng)，而在接收數(shù)據(jù)消息時(shí)由聽(tīng)者驅(qū)動(dòng)。

(3)DAV（DataValid，數(shù)據(jù)有效）：指示數(shù)據(jù)線上的信號(hào)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(shí)發(fā)送此信號(hào)，而講者則在發(fā)送數(shù)據(jù)消息時(shí)發(fā)送此信號(hào)。

5根管理信號(hào)線的信號(hào)如下：

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

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

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

(4)SRQ（ServiceRequest，服務(wù)請(qǐng)求）：任何儀器均可以驅(qū)動(dòng)該信號(hào)線，實(shí)現(xiàn)異步請(qǐng)求控制器服務(wù)。

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

GP-IB總線通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電纜將GP-IB系統(tǒng)中各獨(dú)立的GP-IB儀器連接起來(lái)。GP-IB控制器的作用如同計(jì)算機(jī)中的CPU，但更像市話系統(tǒng)中的交換機(jī)，對(duì)GP-IB總線構(gòu)成的通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)施監(jiān)控。當(dāng)控制器察覺(jué)到某儀器欲發(fā)送一條數(shù)據(jù)消息時(shí)，即把講者連接到聽(tīng)者?？刂破魍ǔＴ谥v者向聽(tīng)者發(fā)送消息之前，對(duì)講者和聽(tīng)者尋址，在講者和聽(tīng)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(gè)系統(tǒng)中某儀器永遠(yuǎn)是講者，而其他儀器則只是聽(tīng)者）。如果系統(tǒng)中講者和聽(tīng)者的身份需要?jiǎng)討B(tài)更換，則系統(tǒng)中必須有一個(gè)控制器，這個(gè)控制器通常是一臺(tái)計(jì)算機(jī)。GP-IB系統(tǒng)中可以存在多個(gè)控制器，但任何時(shí)刻只能有一個(gè)執(zhí)行控制器（ControllerinCharge，CIC）,其他控制器只能充當(dāng)講者或聽(tīng)者的角色。圖3-15

24線連接器的引腳信號(hào)

GP-IB總線信號(hào)采用TTL電平負(fù)邏輯。GP-IB總線上的每臺(tái)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(gè)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(tái)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(hào)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(hào)線形成雙絞線，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

為了達(dá)到GP-IB在設(shè)計(jì)時(shí)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(duì)于一般的操作來(lái)說(shuō)，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(zhǎng)度不得超過(guò)20m,最多只能掛接15臺(tái)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(guò)程。

1.控制器的操作

控制器加電后一般應(yīng)發(fā)出IFC信號(hào)，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(tīng)者和講者發(fā)送命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的配置和調(diào)度。這時(shí)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(duì)聽(tīng)者和講者身份進(jìn)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(gè)地址（雖然GP-IB總線上最多只能驅(qū)動(dòng)15個(gè)裝置）。表3-4

GP-IB總線命令地址組合碼

控制器的操作過(guò)程：①檢測(cè)SRQ線，當(dāng)其為低電平時(shí)，通過(guò)查詢確定請(qǐng)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(tīng)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(tīng)者交換數(shù)據(jù)；⑦發(fā)送X0111111，關(guān)閉聽(tīng)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(biāo)準(zhǔn)過(guò)程如圖3-16所示。首先需要聽(tīng)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(tīng)者都必須接觸NRFD才能使NRFD線呈高電平。而講者在確認(rèn)所有聽(tīng)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(hào)，通知聽(tīng)者已有一個(gè)有效的數(shù)據(jù)字節(jié)放置在數(shù)據(jù)線上。這時(shí)，聽(tīng)者即可開(kāi)始接收數(shù)據(jù)。只要有一個(gè)聽(tīng)者開(kāi)始接收數(shù)據(jù)，即將NRFD置為低電平。聽(tīng)者在接受了數(shù)據(jù)后試圖接觸NDAC（未接收數(shù)據(jù)）信號(hào)，表示數(shù)據(jù)已被接收。同樣，必須所有的聽(tīng)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(guò)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(gè)字節(jié)的傳輸不能少于以下過(guò)程所需要的時(shí)間：①NRFD傳送到講者的時(shí)間；②聽(tīng)者接收字節(jié)并產(chǎn)生NDAC信號(hào)的時(shí)間；③NDAC回傳到講者的時(shí)間；④講者再次產(chǎn)生DAV信號(hào)之前所需要的穩(wěn)定時(shí)間。為了提高數(shù)據(jù)傳輸速率，NI（NationalInstruments）公司開(kāi)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(shí)。

以上所述的一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)傳輸?shù)娜€掛鉤過(guò)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(gè)字節(jié)，傳送完整的信息涉及數(shù)據(jù)格式、狀態(tài)報(bào)告、消息交換協(xié)議等多方面的問(wèn)題。雖然IEEE488.1標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)明確定義機(jī)械、電氣和硬件協(xié)議的規(guī)格，大大簡(jiǎn)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(bào)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(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題。不同廠家在解決這些問(wèn)題時(shí)采用不同的方法，留給用戶無(wú)所適從的困難。IEEE488.2標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)原IEEE488.1標(biāo)準(zhǔn)的局限和含糊之處進(jìn)行了進(jìn)一步的標(biāo)準(zhǔn)化，并保持與IEEE488.1標(biāo)準(zhǔn)兼容。IEEE488.2標(biāo)準(zhǔn)主要在軟件協(xié)議方面制定了數(shù)據(jù)格式、狀態(tài)上報(bào)、出錯(cuò)處理、控制器功能以及公共命令的標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)化工作使得GP-IB系統(tǒng)工作更加可靠。

為了簡(jiǎn)化GP-IB接口設(shè)計(jì)，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(shí)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(dòng)能力。以下僅對(duì)8291A做簡(jiǎn)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(jī)）相連，另一類與GP-IB總線相連。與微處理器相連的主要信號(hào)有：雙向數(shù)據(jù)線（D7~D0）、地址線（RS2~RS0，選擇內(nèi)部8個(gè)讀寄存器和8個(gè)寫寄存器），片選信號(hào)（），讀/寫控制信號(hào)（），中斷請(qǐng)求信號(hào)（INT），DMA請(qǐng)求/響應(yīng)信號(hào)（），觸發(fā)信號(hào)（TRIG）以及復(fù)位信號(hào)（RESET）。與GP-IB總線相連的主要信號(hào)有：8位GP-IB數(shù)據(jù)線，3條GP-IB掛鉤信號(hào)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(hào)線(

)。圖3-178291A引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

Intel8291A內(nèi)部有16個(gè)專用寄存器（詳見(jiàn)表3-5），其中8個(gè)接收來(lái)自CPU的數(shù)據(jù)或控制命令（稱為“寫寄存器”）；另外8個(gè)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(duì)這16個(gè)寄存器進(jìn)行適當(dāng)?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(dú)立功能的模板式智能儀器連接在一起，構(gòu)成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)或[計(jì)算機(jī)測(cè)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(dòng)測(cè)試系統(tǒng)或測(cè)控系統(tǒng)的功能要求，將選定的若干IAC安置在同一個(gè)機(jī)箱中，并掛在機(jī)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(jī)（Local）方式下獨(dú)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(shí)，可通過(guò)背板總線進(jìn)入遠(yuǎn)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(diǎn)，是當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室儀器系統(tǒng)研究和發(fā)展的熱點(diǎn)。

VXI總線具有嚴(yán)格的機(jī)械和電氣標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)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(jī)箱中。VXI系統(tǒng)的機(jī)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(gè)96針連接器標(biāo)準(zhǔn)，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(hào)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(kuò)展到32位，還增加了許多資源，如4個(gè)附加電源電壓、局部總線、模塊識(shí)別總線(允許確定模塊的槽編號(hào))等。此外，還有TTL和ECL觸發(fā)總線和10MHz差分ECL時(shí)鐘信號(hào)等。任選的P3連接器只用于D尺寸模板，對(duì)P2提供的資源進(jìn)一步擴(kuò)展，又提供了24根局部總線、附加的ECL觸發(fā)線、100MHz時(shí)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(gè)裝置都有唯一的地址編碼（0~255），每個(gè)VXI總線儀器系統(tǒng)中最多可容納256個(gè)裝置。一個(gè)裝置可以占據(jù)數(shù)個(gè)槽位，也允許幾個(gè)裝置共用一個(gè)槽位。電壓表、計(jì)數(shù)器或信號(hào)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(chǔ)器裝置、消息基裝置和擴(kuò)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(méi)有通信寄存器。裝置的通信通過(guò)寄存器讀/寫來(lái)實(shí)現(xiàn)，在命令者/受令者的分層結(jié)構(gòu)中擔(dān)任受令者。寄存器基裝置電路簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，節(jié)省了指令的譯碼時(shí)間，數(shù)據(jù)傳輸速度快。存儲(chǔ)器裝置與寄存器基裝置很相似，也沒(méi)有通信寄存器，只能靠寄存器的讀/寫來(lái)進(jìn)行通信。一般可將存儲(chǔ)器裝置與寄存器基裝置同等對(duì)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(lái)支持復(fù)雜的通信規(guī)程，進(jìn)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(jì)算機(jī)、資源管理者、各類高性能測(cè)試儀器插件等，可以擔(dān)任分層結(jié)構(gòu)中的命令者，也可以擔(dān)任受命者，或者同時(shí)兼任上層的受命者及下層的命令者。擴(kuò)展裝置是有特定目的的裝置，用于為VXI未來(lái)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(guò)寄存器的讀/寫來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通信速度快，硬件費(fèi)用節(jié)省。但這種通信也是針對(duì)用戶支持最少，最不方便的通信。第2層是“信號(hào)/中斷層”，允許VXI裝置向它的命令者回報(bào)信息，也是一種寄存器基裝置和存儲(chǔ)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(guò)488-VXI規(guī)程和IEEE488.2語(yǔ)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(guò)通信寄存器還支持一種共享存儲(chǔ)器規(guī)程，即兩個(gè)裝置可以通過(guò)它們中的一個(gè)裝置所占有的存儲(chǔ)器塊進(jìn)行通信，從而達(dá)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(guò)本地總線高速傳送數(shù)據(jù)，這也是VXI系統(tǒng)的一個(gè)重要特點(diǎn)。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(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中采用了兩個(gè)軟件標(biāo)準(zhǔn)，即IEEE488.2和可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)化的問(wèn)題。

有兩個(gè)特殊功能是每個(gè)VXI總線系統(tǒng)不可缺少的。第一個(gè)是負(fù)責(zé)機(jī)箱背板管理的0號(hào)插槽功能。0號(hào)插槽處于每個(gè)VXI總線機(jī)箱中特定的物理位置，從這個(gè)槽上發(fā)出的信號(hào)必須包括時(shí)鐘源和數(shù)據(jù)通過(guò)背板時(shí)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(jì)算機(jī)的GP-IB接口通信等。這個(gè)插槽一般由命令器（Commander）或嵌入式計(jì)算機(jī)占據(jù)。VXI總線系統(tǒng)的第二個(gè)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(gè)消息基命令器，負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)的配置。可以將資源管理器理解為系統(tǒng)初始化程序，每當(dāng)系統(tǒng)加電或復(fù)位時(shí)進(jìn)行的操作為：①識(shí)別系統(tǒng)中所有的VXI裝置；②為系統(tǒng)運(yùn)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(jí)機(jī)制；⑥啟動(dòng)正常運(yùn)行。為了充分利用其他外部資源，VXI總線開(kāi)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(dāng)一個(gè)機(jī)箱不能容納所有的IAC時(shí)，可增添擴(kuò)展機(jī)箱，采用總線擴(kuò)展器將主機(jī)箱與擴(kuò)展機(jī)箱連接起來(lái)，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(jī)箱的0號(hào)槽，兼有控制器和0號(hào)槽功能。嵌入式控制器取代GP-IB/VXI轉(zhuǎn)換模塊對(duì)消息基儀器編程，可使VXI儀器系統(tǒng)成為獨(dú)立系統(tǒng)，但系統(tǒng)的通信性能并未改善。因?yàn)橥ㄐ潘俾手饕蹵SCII消息轉(zhuǎn)換時(shí)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(guò)不同的接口方式與多種計(jì)算機(jī)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(jí)語(yǔ)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(biāo)準(zhǔn)命令SCPI，創(chuàng)造了一個(gè)從程控儀器標(biāo)準(zhǔn)命令、儀器之間信息交換到系統(tǒng)操作運(yùn)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)接口的主流。USB是一種電纜總線，支持主機(jī)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(gè)設(shè)備按協(xié)議規(guī)定分享USB帶寬，在主機(jī)和總線上設(shè)備的運(yùn)行過(guò)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(wú)關(guān)，并提供了動(dòng)態(tài)連接、動(dòng)態(tài)識(shí)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?duì)多個(gè)USB總線設(shè)備（最多127個(gè)）同時(shí)進(jìn)行操作，利用底層協(xié)議提高了總線利用率，使主機(jī)和設(shè)備之間可傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)流和報(bào)文。

(3)靈活性。USB總線允許對(duì)設(shè)備緩沖區(qū)大小進(jìn)行選擇，并通過(guò)設(shè)定緩沖區(qū)的大小和執(zhí)行時(shí)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(cuò)性強(qiáng)。USB總線在協(xié)議中規(guī)定了出錯(cuò)處理和差錯(cuò)校正的機(jī)制，可以對(duì)有缺陷的設(shè)備進(jìn)行認(rèn)定，對(duì)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正或報(bào)告。

(5)“即插即用”的體系結(jié)構(gòu)。USB總線具有簡(jiǎn)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(huì)產(chǎn)生任何沖突。

(6)性價(jià)比較高。USB擁有諸多優(yōu)秀的特性，其價(jià)格較低。USB總線技術(shù)將外設(shè)和主機(jī)硬件進(jìn)行最優(yōu)化集成，并提供了低價(jià)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(tái)式電腦和移動(dòng)式智能設(shè)備普遍配備了USB總線接口，同時(shí)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U(xiǎn)SB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(qiáng)智能儀器的功能。以下僅對(duì)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(jī)、USB設(shè)備和USB連接三部分。任何USB系統(tǒng)中只有一臺(tái)主機(jī)，USB系統(tǒng)和主機(jī)系統(tǒng)的接口稱為主機(jī)控制器（HostController），它是由硬件和軟件綜合實(shí)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(diǎn)，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(gè)集線器處于星型布局的中心，與其他集線器或功能部件點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。根集線器置于主機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部，用以提供對(duì)外的USB連接點(diǎn)。圖3-20為USB系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。圖3-20

USB系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

USB系統(tǒng)通過(guò)一種4線的電纜傳送信號(hào)和電源，分兩種數(shù)據(jù)傳輸模式：12Mb/s高速信號(hào)模式和1.5Mb/s低速信號(hào)模式，兩種模式可在同一USB總線傳輸時(shí)自動(dòng)切換。由于過(guò)多采用低速模式會(huì)降低總線的利用率，因此該模式只支持有限幾個(gè)低速設(shè)備（如鼠標(biāo)等）。若采用同步傳送方式，時(shí)鐘信號(hào)與差分?jǐn)?shù)據(jù)將一同發(fā)送（時(shí)鐘信號(hào)轉(zhuǎn)換成單極性非歸零碼），每個(gè)數(shù)據(jù)包中均帶有同步信號(hào)以保證接收方還原出時(shí)鐘。

USB電纜如圖3-21所示，UBUS、GND兩條線用來(lái)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(gè)端口都可檢測(cè)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(gè)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(duì)互相纏繞的數(shù)據(jù)線。連接器有4個(gè)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(jī)所提供的能源。需要主機(jī)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(biāo)等）。自帶電源設(shè)備被稱做自供電設(shè)備。USB系統(tǒng)的主機(jī)有與USB相互獨(dú)立的電源管理系統(tǒng)，系統(tǒng)軟件可以與主機(jī)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(jī)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(jī)與USB設(shè)備進(jìn)行交互時(shí)的語(yǔ)言結(jié)構(gòu)和規(guī)則。每次傳送開(kāi)始時(shí)，主機(jī)控制器將發(fā)送一個(gè)描述傳輸?shù)牟僮鞣N類、方向、USB設(shè)備地址和端口號(hào)的USB數(shù)據(jù)包，被稱為標(biāo)記包（PID，PacketIdentifier），USB設(shè)備從解碼后的數(shù)據(jù)包的適當(dāng)位置取出屬于自己的數(shù)據(jù)。傳輸開(kāi)始時(shí)，由標(biāo)記包來(lái)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(gè)對(duì)應(yīng)的握手?jǐn)?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(huì)存在，而默認(rèn)控制信道當(dāng)設(shè)備一啟動(dòng)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(duì)流通道進(jìn)行數(shù)據(jù)控制。發(fā)送“不予確認(rèn)”握手信號(hào)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(jìn)行。這種流控制機(jī)制允許靈活的任務(wù)安排，可使不同性質(zhì)的流通道同時(shí)正常工作。這樣多種流通道可在不同時(shí)間段進(jìn)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(jī)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。控制傳送采用了嚴(yán)格的差錯(cuò)控制機(jī)制，其數(shù)據(jù)傳送是無(wú)損的。USB設(shè)備在初次安裝時(shí)，USB系統(tǒng)軟件使用控制傳送來(lái)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(jī)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(jí)上使用錯(cuò)誤檢測(cè)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(dòng)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(shí)間短。這種數(shù)據(jù)可由設(shè)備在任何時(shí)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(biāo)組成，只有一個(gè)或幾個(gè)字節(jié)。

(4)同步傳送。在建立、傳送和使用同步數(shù)據(jù)時(shí)，需滿足其連續(xù)性和實(shí)時(shí)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(shí)間安排，同步信道帶寬的確定必須滿足對(duì)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(duì)傳送延遲非常敏感，因此也須做相關(guān)處理。一個(gè)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(huì)對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)造成損害。一般USB系統(tǒng)會(huì)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(shí)刻的不同設(shè)備具有不同的傳輸速率，并可動(dòng)態(tài)地變化。3.3.4

USB的容錯(cuò)性能

USB提供了多種數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，如使用差分驅(qū)動(dòng)、接收和防護(hù)，以保證信號(hào)的完整性；使用循環(huán)冗余碼，以進(jìn)行外設(shè)裝卸的檢測(cè)和系統(tǒng)資源的設(shè)置，對(duì)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(jī)制的建立，極大地保證了數(shù)據(jù)的可靠傳輸。在錯(cuò)誤檢測(cè)方面，協(xié)議中對(duì)每個(gè)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(lái)保證數(shù)據(jù)的正確性。循環(huán)冗余碼可對(duì)一位或兩位的錯(cuò)誤進(jìn)行100%的恢復(fù)。在錯(cuò)誤處理方面，協(xié)議在硬件和軟件上均有措施。硬件的錯(cuò)誤處理包括匯報(bào)錯(cuò)誤和重新進(jìn)行一次傳輸，傳輸中若再次遇到錯(cuò)誤，由USB的主機(jī)控制器按照協(xié)議重新進(jìn)行傳輸，最多可進(jìn)行三次。若錯(cuò)誤依然存在，則對(duì)客戶端軟件報(bào)告錯(cuò)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(jiǎn)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U(xiǎn)SB系統(tǒng)中。集線器各連接點(diǎn)被稱作端口，上行端口向主機(jī)方向連接（每個(gè)集線器只有1個(gè)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(cè)每個(gè)下行端口設(shè)備的安裝或拆卸的功能，并可對(duì)下行端口的設(shè)備分配能源，每個(gè)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(hào)和恢復(fù)畸變的信號(hào)，并且支持復(fù)位、掛起、喚醒等功能。通過(guò)集線控制器所帶的接口寄存器，可使主機(jī)對(duì)集線器的狀態(tài)參數(shù)和控制命令進(jìn)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(guò)總線進(jìn)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(gè)端口上。功能部件一般相互獨(dú)立，但也有一種復(fù)合設(shè)備，其中有多個(gè)功能部件和一個(gè)內(nèi)置集線器，并共同利用一根USB電纜。每個(gè)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(jī)應(yīng)在功能部件使用前對(duì)其設(shè)置，如分配USB帶寬等。定位設(shè)備（鼠標(biāo)、光筆）、輸入設(shè)備（鍵盤）、輸出設(shè)備（打印機(jī)）等都屬于功能部件。

當(dāng)設(shè)備被連接并編號(hào)后，有唯一的USB地址。USB系統(tǒng)就是通過(guò)該地址對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作的。每一個(gè)USB設(shè)備通過(guò)一條或多條信道與主機(jī)通信。所有的USB設(shè)備在零號(hào)端口上有一指定的信道，USB的控制信道即與之相連。通過(guò)這條控制信道，所有的USB設(shè)備都有一個(gè)共同的準(zhǔn)入機(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)安裝或拆卸。所有USB設(shè)備連接在USB系統(tǒng)的某個(gè)端口上。集線器有一個(gè)狀態(tài)指示器，可指明USB設(shè)備的連接狀態(tài)。主機(jī)將所有集線器排成隊(duì)列以取回USB設(shè)備的連接狀態(tài)信號(hào)。在USB設(shè)備安裝后，主機(jī)通過(guò)設(shè)備控制信道來(lái)激活該端口，并將默認(rèn)的地址值賦給USB設(shè)備（主機(jī)對(duì)每個(gè)設(shè)備指定了惟一的USB地址），并檢測(cè)這種新裝的USB設(shè)備是下一級(jí)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(guò)程對(duì)每個(gè)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(jī)關(guān)于該設(shè)備的驅(qū)動(dòng)軟件等將被激活。當(dāng)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(jī)報(bào)告設(shè)備已不存在，USB系統(tǒng)軟件將準(zhǔn)確地進(jìn)行撤消處理。如果拆除的是集線器，則系統(tǒng)軟件將對(duì)集線器及連接在其上的所有設(shè)備進(jìn)行撤消處理。

對(duì)每個(gè)連接在總線上的設(shè)備指定地址的操作被稱為“總線標(biāo)識(shí)”。由于允許USB設(shè)備在任何時(shí)刻安裝或拆卸，所以總線標(biāo)識(shí)是USB系統(tǒng)軟件隨時(shí)要進(jìn)行的操作。3.3.7

USB系統(tǒng)中的主機(jī)

USB系統(tǒng)中的主機(jī)通過(guò)主機(jī)控制器與USB設(shè)備進(jìn)行交互。其主要功能為：檢測(cè)USB設(shè)備的安裝或拆卸；管理主機(jī)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(dòng)程序的運(yùn)作，包括設(shè)備編號(hào)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(kāi)發(fā)一般由以下幾部分組成：硬件的設(shè)計(jì)、USB控制芯片固件的實(shí)現(xiàn)、Windows驅(qū)動(dòng)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(jià)比很高的USB器件，通常用于在微控制器系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)與微控制器進(jìn)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(shí)現(xiàn)USB接口的標(biāo)準(zhǔn)組件使得設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)的時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)以及費(fèi)用，通過(guò)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(shí)現(xiàn)最經(jīng)濟(jì)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(gè)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(hào)

注：O2，2mA驅(qū)動(dòng)輸出；D4，4mA驅(qū)動(dòng)開(kāi)漏輸出；OD8，8mA驅(qū)動(dòng)開(kāi)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(guò)一片可編程器件實(shí)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(guò)數(shù)據(jù)總線和地址總線相連，USB總線接口芯片作為一個(gè)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(xì)說(shuō)明各部分的主要特點(diǎn)。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(chǔ)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(shí)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(kuò)展的5V電源，

在批量模式和同步模式下均可實(shí)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(wú)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(jí)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(jī)。它內(nèi)部有64KB的Flash存儲(chǔ)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(gè)機(jī)器周期由6個(gè)時(shí)鐘周期組成，因此運(yùn)行速度是傳統(tǒng)80C51的兩倍。該單片機(jī)有4組8位I/O口、3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、多個(gè)中斷源、4個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)嵌套結(jié)構(gòu)及1個(gè)增強(qiáng)型UART?？紤]到該芯片可以利用ISP和IAP方便地下載程序，可以實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)可編程，并最大限度減小了額外的元器件開(kāi)銷和電路板面積。而且它的速度是相同晶振頻率8051單片機(jī)的兩倍，可以大大地提高系統(tǒng)整體的運(yùn)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(zhǔn)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(jì)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(jī)通信程序。固件程序采用在中斷程序中置相應(yīng)標(biāo)志位，在主循環(huán)程序中處理數(shù)據(jù)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和USB通信的功能。系統(tǒng)軟件中的后臺(tái)程序ISR（中斷處理程序）和前臺(tái)主循環(huán)程序之間的數(shù)據(jù)交換是通過(guò)標(biāo)志位和數(shù)據(jù)緩存區(qū)來(lái)實(shí)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(lái)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(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。這種稱為前后臺(tái)的處理方式可以節(jié)省微處理器的開(kāi)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(jī)啟動(dòng)命令后啟動(dòng)A/D。A/D采集數(shù)據(jù)后經(jīng)過(guò)串-并轉(zhuǎn)換并將數(shù)據(jù)推入FIFO，當(dāng)FIFO半滿時(shí)發(fā)出中斷請(qǐng)求，微控制器響應(yīng)中斷，置相應(yīng)的標(biāo)志位。前臺(tái)主循環(huán)程序查詢標(biāo)志位，進(jìn)行讀數(shù)操作。

(2)USB與主機(jī)通信程序。USB最初被設(shè)計(jì)成可以處理對(duì)傳輸速率、響應(yīng)時(shí)間和錯(cuò)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(gè)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(diǎn)、中斷端點(diǎn)和主端點(diǎn)，它們分別完成控制傳輸、中斷傳輸和同步傳輸。

在這個(gè)系統(tǒng)中，主機(jī)通過(guò)中斷給采集系統(tǒng)發(fā)送命令。主端點(diǎn)可以配置成同步傳輸或批量傳輸，主端點(diǎn)是吞吐大數(shù)據(jù)的主要端點(diǎn)。在數(shù)據(jù)采集儀中，主端點(diǎn)配置成同步傳輸，用來(lái)傳送A/D采集回來(lái)的數(shù)據(jù)。下面分別說(shuō)明各個(gè)端點(diǎn)子程序。

(1)控制端點(diǎn)子程序完成USB總線列舉過(guò)程，如圖3-27所示。當(dāng)USB接口器件（PDIUSBD12）接收到建立包時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)中斷通知微控制器，微控制器響應(yīng)中斷并通過(guò)讀D12中斷寄存器決定包是否發(fā)到控制端點(diǎn)。如果包是送往控制端點(diǎn)，MCU需要通過(guò)讀D12的最后處理狀態(tài)寄存器進(jìn)一步確定數(shù)據(jù)是否是一個(gè)建立包，第一個(gè)包必須是建立包。如果是建立包，就根據(jù)主機(jī)命令作出相應(yīng)的應(yīng)答。圖3-27控制端點(diǎn)子程序(2)主端點(diǎn)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(diǎn)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(biāo)志位。當(dāng)主機(jī)從USB緩沖區(qū)讀數(shù)據(jù)時(shí)，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(diǎn)緩沖區(qū)寫入U(xiǎn)SB緩沖區(qū)，等待主機(jī)下一次讀USB緩沖區(qū)，這樣循環(huán)反復(fù)直至完成主端點(diǎn)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)傳輸。(3)中斷端點(diǎn)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(diǎn)的緩沖區(qū)最大為16個(gè)字節(jié)，通過(guò)中斷端點(diǎn)給系統(tǒng)發(fā)送A/D的啟動(dòng)命令、通道、采樣點(diǎn)數(shù)和采樣間隔，使用中斷端點(diǎn)傳送主機(jī)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(diǎn)子程序首先讀出USB的中斷端點(diǎn)緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)并保存到主循環(huán)中斷端點(diǎn)緩沖區(qū)，之后判斷緩沖區(qū)的第一個(gè)字節(jié)是不是啟動(dòng)A/D的命令。如果是，則置相應(yīng)的標(biāo)志位，在主循環(huán)中讀取中斷端點(diǎn)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(dòng)A/D。圖3-28中斷端點(diǎn)子程序

通過(guò)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(wú)需外接電源、可以熱插拔等特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)測(cè)試，數(shù)據(jù)采集儀采樣速率可以達(dá)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(shuō)明可以達(dá)到480Mb/s）有了長(zhǎng)足的發(fā)展，在USB2.0的補(bǔ)充規(guī)范中提出了USBOTG(OnTheGo）協(xié)議，可以使外設(shè)以主機(jī)的身份與其他外設(shè)相連，外設(shè)與外設(shè)可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)地通信，這給USB帶來(lái)了更強(qiáng)的生命力。目前，USB廣泛應(yīng)用在儀器儀表、計(jì)算機(jī)和消費(fèi)電子類產(chǎn)品等領(lǐng)域。

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

3.4無(wú)線通信技術(shù)

未來(lái)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(kāi)放和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要，將進(jìn)一步推動(dòng)傳統(tǒng)的電信網(wǎng)絡(luò)與新興的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的融合。接入網(wǎng)是通信信息網(wǎng)絡(luò)中最具開(kāi)發(fā)潛力的部分，未來(lái)網(wǎng)絡(luò)可通過(guò)固定接入、移動(dòng)蜂窩接入、無(wú)線本地環(huán)路接入等不同的接入設(shè)備接入核心網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)用戶所需的各種業(yè)務(wù)。在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)固定和移動(dòng)通信等不同業(yè)務(wù)的相互融合，尤其是無(wú)線應(yīng)用協(xié)議（Wap）的問(wèn)世，將極大地推動(dòng)無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的開(kāi)展，進(jìn)一步促進(jìn)移動(dòng)業(yè)務(wù)與IP業(yè)務(wù)的融合。3.4.1信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)無(wú)線電波是無(wú)線通信的信息載體，通常把它稱為載波。就像用車船運(yùn)輸貨物一樣，無(wú)線電波僅僅是運(yùn)輸工具，而進(jìn)行通信的最終目的是要實(shí)現(xiàn)信息的快速、準(zhǔn)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(hào)調(diào)制。裝載了信息的電磁波稱為已調(diào)波，在接收端再?gòu)氖盏降囊颜{(diào)波上把信息取出來(lái)，稱作解調(diào)。因此，調(diào)制與解調(diào)是無(wú)線通信中必不可少的過(guò)程。一個(gè)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(duì)各種信號(hào)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(hào)的包絡(luò)與輸入調(diào)制信號(hào)成正比，其時(shí)間波形表達(dá)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(hào)，它可以是確知信號(hào)，也可以 是隨機(jī)信號(hào)；

ωc——載波角頻率；

θc——載波角初相位。若調(diào)制信號(hào)f(t)為一單頻率信號(hào)，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(hào)波形；圖