第5章总线接口技术.ppt

计算机控制技术计算机控制技术第第5 5章章 总线接口技术总线接口技术第第5章章总线接口技术总线接口技术 接口：接口：计计算算机机与与外外设设之之间间相相连连接接的的部部件件。可可以以是是电电路路板板、元元器器件件等等。如如显显卡卡、网网卡卡、并并行行接接口口、串串行行接接口口、A/DA/D转转换换器器、D/AD/A转转换换器器、MODEMMODEM等。等。接口的功能：接口的功能：寻寻址址功功能能、输输入入/输输出出功功能能、数数据据转转换换功功能能（串串转转并并、并并转转串串、A/D、D/A等等）、缓缓冲冲功功能能、以以及及联联络络功功能能、中中断断管管理理功功能能、复复位位功能、错误检测功能等。功能、错误检测功能等。本章主要内容本章主要内容51并行接口总线并行接口总线52串行通信基本概念串行通信基本概念53串行通信标准总线串行通信标准总线54现场总线技术现场总线技术5.1微机并行接口（微机并行接口（1）本节本节内容：并行接口信号、寄存器与应用内容：并行接口信号、寄存器与应用5.1.1微机并行接口信号微机并行接口信号1、连接器：、连接器：25脚脚D型（插孔）。型（插孔）。2、信号：、信号：25条信号，分条信号，分4类类类型与方向类型与方向信号名称信号名称信号意义信号意义引脚号引脚号数据信号数据信号（输出）（输出）D0D7D0D78 8位数据信号位数据信号2-92-9控制信号控制信号（输出）（输出）/STOBE/STOBE/AUTO LF/AUTO LF/INIT/INIT、/SLCTIN/SLCTIN数据选通数据选通自动换行自动换行复位、联机复位、联机1 114141616、1717状态信号状态信号（输入）（输入）/ACK/ACK、BUSYBUSYPEPE、SLCTSLCT/ERROR/ERROR应答应答(低低)、忙、忙(高高)缺纸缺纸(高高)、联机、联机(高高)出错出错(低低)1010、11111212、13131515其它信号其它信号GNDGND信号地线信号地线1818-25-255.1微机并行接口（微机并行接口（2）5.1.2微机并行接口寄存器微机并行接口寄存器微机并行接口寄存器有三个，数据寄存器、状态寄存器和控微机并行接口寄存器有三个，数据寄存器、状态寄存器和控制寄存器，其地址分别为制寄存器，其地址分别为378H、379H和和37AH。1、数据寄存器数据寄存器地址为地址为378H。为为8位的，用于向外设传送数据。位的，用于向外设传送数据。数据寄存器可以写、也可以读，但读出的是写入的数据。数据寄存器可以写、也可以读，但读出的是写入的数据。2、控制寄存器控制寄存器地址为地址为37AH。为为8位的，用于向外设发出控制信号。位的，用于向外设发出控制信号。控制寄存器也是可以写、可以读，读出的是写入的控制字。控制寄存器也是可以写、可以读，读出的是写入的控制字。IRQ ENIRQ EN：为为1 1使使中断允许，使中断请求中断允许，使中断请求/ACK有效；有效；/INITINIT：为为0 0使打印机进行初始化，持续使打印机进行初始化，持续5050 s s后应置位；后应置位；AUTO LFAUTO LF：为为1 1进行自动换行；进行自动换行；SLCTINSLCTIN：为为1 1打印机联机；打印机联机；STOBESTOBE：为为1 1使数据选通，持续使数据选通，持续0.50.5 s s后应复位后应复位D7D7D6D6D5D5D4D4D3D3D2D2D1D1D0D0-IRQ ENIRQ EN SLCTINSLCTIN/INIT/INIT AUTO LFAUTO LF STOBESTOBE5.1微机并行接口（微机并行接口（3）3、状态寄存器状态寄存器地址为地址为379H。为为8位的，其内容为外设的工作状态，状态寄存位的，其内容为外设的工作状态，状态寄存器只能够读。器只能够读。状态寄存器格式如下。状态寄存器格式如下。/BUSYBUSY：为为0 0示打印机忙；示打印机忙；/ACKACK：为为0 0示打印机应答（就绪），可产生中断请求；示打印机应答（就绪），可产生中断请求；PEPE：为为1 1示缺纸示缺纸 SLCTSLCT：为为1 1示联机状态；示联机状态；/ERRORERROR：为为0 0示出错（包括脱机、缺纸等）示出错（包括脱机、缺纸等）注意区分：注意区分：（1 1）控制字位和控制信号，由前者产生后者，符号不一定相同；）控制字位和控制信号，由前者产生后者，符号不一定相同；（2 2）状态字位和状态信号，有后者产生前者，符号不一定相同。）状态字位和状态信号，有后者产生前者，符号不一定相同。D7D7D6D6D5D5D4D4D3D3D2D2D1D1D0D0/BUSY/BUSY/ACK/ACKPEPESLCTSLCT/ERROR/ERROR-5.1.3微机并行接口应用微机并行接口应用1 1、控制打印机、控制打印机这是最经常应用的。这是最经常应用的。5.1微机并行接口（微机并行接口（4）2 2、控制其它设备、控制其它设备如：烧录器等一些只需接收数据的设备。如：烧录器等一些只需接收数据的设备。也可以自己开发的并行口设备，如显示设备、控制设备等。也可以自己开发的并行口设备，如显示设备、控制设备等。5.3串行通信标准总线串行通信标准总线（1）本本节节主主要要介介绍绍RS-232-C、RS-422和和RS-485串串行行总总线线标标准、主要特点、接口方法、传输介质及电平转换等。准、主要特点、接口方法、传输介质及电平转换等。5.3.1RS-232-C串行总线串行总线一、一、RS-232-C的的电气特性电气特性由由于于RS-232-C总总线线标标准准是是在在TTL电电路路出出现现之之前前研研制制的的，其电平是对称的其电平是对称的高电平：高电平：+3V+15V，低电平：低电平：-3V-15V并且并且RxD、TxD使用负逻辑，使用负逻辑，即高电平表示逻辑即高电平表示逻辑0、低电平表示逻辑、低电平表示逻辑1。其它控制信号使用正逻辑。其它控制信号使用正逻辑。5.3串行通信标准总线串行通信标准总线（2）二、二、RS-232-C的连接器的连接器RS-232-C总总线线标标准准采采用用的的是是25芯芯D型型连连接接器器，但但是是现现在在计计算算机上保留使用的是机上保留使用的是9芯芯D型连接器（如下图），各个引脚信号如下。型连接器（如下图），各个引脚信号如下。1、载波检测、载波检测(DCD、入入)2、接受数据接受数据(RXD、入入)3、发送数据发送数据(TXD、出出)4、数据终端准备好数据终端准备好(DTR、出出)5、信号地线信号地线(SGND)6、数据设备准备好数据设备准备好(DSR、入入)7、请求发送请求发送(RTS、出出)8、清除请求发送清除请求发送(CTS、入入)9、振铃指示振铃指示(RI、入入)1、4、6、7、8、9信信号号，均均是是要要与与MODEM联联系系，2、3、5信信号就可以构成串行通信。号就可以构成串行通信。123456789计计算算机机端端5.3串行通信标准总线串行通信标准总线（3）三、三、RS-232-C电平转换电路电平转换电路现现在在最最常常用用的的RS-232-C电电平平转转换换电电路路是是MAX232等等（如如下下图图所所示），其特点是单示），其特点是单5V供电。供电。TTLRS232RS2325.3串行通信标准总线串行通信标准总线（4）5.3.2RS-422/RS-485串行通信总线串行通信总线由于由于RS-232-C总线推出较早，因此在使用中暴露出了明显的缺总线推出较早，因此在使用中暴露出了明显的缺点，主要表现在：点，主要表现在：1）传输速率不够快）传输速率不够快2）传输距离不够远）传输距离不够远3）非平衡接口、共用信号地，故电气性能不佳）非平衡接口、共用信号地，故电气性能不佳4）接口处各信号容易产生串扰）接口处各信号容易产生串扰5）未规定连接器）未规定连接器一、一、RS-423-A/RS-422-A串行通信总线串行通信总线1、RS-423-A/RS-422-A的的产生产生1977年年EIA（ElectronicIndustriesAssociation,（美美国国）电电子子工工业业协协会会）制制定定了了新新标标准准RS-449，RS-423-A/RS-422-A是是RS-449标标准准的一个子集，的一个子集，RS-485是是RS-422-A的的一个变型。一个变型。5.3串行通信标准总线串行通信标准总线（5）2、RS-422-A的主要特点（的主要特点（RS-423-A的传输性能差些）的传输性能差些）1）单端收、发，双极性电源（）单端收、发，双极性电源（-6V+6V）2）信号也是负逻辑信号也是负逻辑3）抗干扰能力强：平衡传输（与驱动），差分接受）抗干扰能力强：平衡传输（与驱动），差分接受4）传输距离远、速率高。最大距离为）传输距离远、速率高。最大距离为1200m。距距离离为为1200m时时速速率率为为100Kbps；距距离离为为120m时时速速率率为为1Mbps；距离为距离为12m时速率为时速率为10Mbps。5）可连接多个接收器，并且可同时工作。可连接多个接收器，并且可同时工作。5.3串行通信标准总线串行通信标准总线（6）3、RS-232-C/RS-423-A/RS-422-A的的电气接口电路比较电气接口电路比较（C）平衡驱动差分接收电路平衡驱动差分接收电路RS-422-ARS-423-ARS-232-C2V5.3串行通信标准总线（串行通信标准总线（7）二、二、RS-485串行通信总线串行通信总线1、RS-485RS-485是是RS-422-A的一个变型，二者的区别如下：的一个变型，二者的区别如下：1）RS-422为全双工，而为全双工，而RS485为半双工；为半双工；2）RS-422采用两采用两对平衡差分信号线，对平衡差分信号线，RS-485只需其中的一只需其中的一对，更适合多站互连。对，更适合多站互连。（b）RS-422（a）RS-4855.3串行通信标准总线（串行通信标准总线（8）2、RS-422与与RS-485比较比较项项 目目RS-422RS-422RS-485RS-485动作方式动作方式差动方式差动方式差动方式差动方式可可连接的台数连接的台数1 1台台驱动器、驱动器、1010台接收器台接收器3232台驱动器、台驱动器、3232台接收器台接收器传输最大距离传输最大距离12001200m m12001200m m传输最大速率传输最大速率12m12m1010MbpsMbps1010MbpsMbps120120m m1Mbps1Mbps1Mbps1Mbps12001200m m100100KbpsKbps100100KbpsKbps驱动器输出电压最大值驱动器输出电压最大值-0.25V-0.25V-+6-+6V V-7V-7V-+12-+12V V驱动器输出驱动器输出信号电平信号电平无无负载负载5 5V V5 5V V有有负载负载2 2V V1.51.5V V驱动器负载阻抗驱动器负载阻抗100100 5454 接收器输入电压范围接收器输入电压范围-7V-7V +7V+7V-7-7V V +12V+12V接收器输入敏感度接收器输入敏感度200200mVmV200200mVmV接收器输入阻抗接收器输入阻抗4k4k 1212k k 5.3串行通信标准总线（串行通信标准总线（9）3、RS-485电平转换芯片电平转换芯片常用的有常用的有MAX481E/483E/485E/487E/1487E、SN76176等芯片，等芯片，实现实现TTL电平到电平到RS-485电平的转换；电平的转换；MAX488E/490E等芯片，实等芯片，实现现TTL电平到电平到RS-422电平的转换。这些芯片均为单电平的转换。这些芯片均为单5V电源供电。电源供电。5.3串行通信标准总线（串行通信标准总线（10）4、RS-485/RS-422连接电路（两点连接）连接电路（两点连接）传输介质为双绞线，如用计算机网络线。传输介质为双绞线，如用计算机网络线。R1为匹配电阻，消为匹配电阻，消除反射信号。除反射信号。双绞线的特性双绞线的特性阻抗。一般要求节阻抗。一般要求节距比距比D/d=10，D为为节距、节距、d为线外径；为线外径；若使用若使用12mm平方平方的双绞线，每米的双绞线，每米100匝时特性阻抗为匝时特性阻抗为123欧姆，每米欧姆，每米40匝时特匝时特性阻性阻 抗为抗为129欧姆。欧姆。（b）RS-422（a）RS-4855.3串行通信标准总线（串行通信标准总线（11）5、RS-485/RS-422连接电路（多点连接）连接电路（多点连接）RS-4225.4现场总线技术现场总线技术本节主要内容本节主要内容1、现场总线技术概述、现场总线技术概述2、几种典型现场总线、几种典型现场总线5.4现场总线技术（现场总线技术（1）5.4.1现场总线技术概述现场总线技术概述1、控制技术的三次飞跃发展、控制技术的三次飞跃发展在自动化、计算机控制技术的发展过程中，有三次技术进在自动化、计算机控制技术的发展过程中，有三次技术进步起着重要作用。步起着重要作用。第一次是第一次是20世纪五六十年代，以模拟信号为主的电子装世纪五六十年代，以模拟信号为主的电子装置和自动化仪表的监控系统，是以微电子技术的进步为基础。置和自动化仪表的监控系统，是以微电子技术的进步为基础。第二次是第二次是20世纪七八十年代出现的分布式控制系统，是世纪七八十年代出现的分布式控制系统，是以计算机、控制技术的发展为基础。分布式控制系统是用以计算机、控制技术的发展为基础。分布式控制系统是用420mA模拟信号对系统设备互连。模拟信号对系统设备互连。第三次是第三次是20世纪的八九十年代出现和发展的现场总线技世纪的八九十年代出现和发展的现场总线技术。术。5.4现场总线技术（现场总线技术（2）2、什么是现场总线技术、什么是现场总线技术现场总线是一种工业数据总线，是自动化领域中计算机通信体现场总线是一种工业数据总线，是自动化领域中计算机通信体系最底层的低成本网络。系最底层的低成本网络。国际电工委员会（国际电工委员会（IEC）的标准和现场总线基金会（的标准和现场总线基金会（FF）将现将现场总线定义为；场总线定义为；“现场总线是连接现场智能设备和自动化系统的数现场总线是连接现场智能设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络字式、双向传输、多分支结构的通信网络”。现场总线技术的基本内容包括现场总线技术的基本内容包括：以串行通信方式取代传统的以串行通信方式取代传统的420mA的模拟信号，的模拟信号，一条现场总线可为众多的可寻址现场设备一条现场总线可为众多的可寻址现场设备实现多点连接，实现多点连接，支持底层的现场智能设备与高层的系统利用公用支持底层的现场智能设备与高层的系统利用公用传输介质交换信息。传输介质交换信息。现场总线技术的核心是通信协议现场总线技术的核心是通信协议，这些协议是根据国际标准化，这些协议是根据国际标准化组织（组织（ISO）的计算机网络开放系统互连参考模型（的计算机网络开放系统互连参考模型（OSI，七层网络七层网络协议）制定的，协议）制定的，多数现场总线技术只使用其中的一、二和七层协议多数现场总线技术只使用其中的一、二和七层协议。5.4现场总线技术（现场总线技术（3）3、现场总线技术的特点、现场总线技术的特点1）数字信号完全取代）数字信号完全取代420mA模拟信号；模拟信号；2）使基本过程控制、报警和计算功能等完全分布在现场）使基本过程控制、报警和计算功能等完全分布在现场完成；完成；3）使设备增加非控制信息，如自诊断信息、组态信息以）使设备增加非控制信息，如自诊断信息、组态信息以及补偿信息等；及补偿信息等；4）实现现场管理和控制的统一；）实现现场管理和控制的统一；5）真正实现系统开放性、互操作性。）真正实现系统开放性、互操作性。现场总线控制系统（现场总线控制系统（FCS）相对于分布控制系统（相对于分布控制系统（DCS）的优越性的优越性1）系统结构简单、成本低；）系统结构简单、成本低；2）现场设备自治性强，系统性能高；）现场设备自治性强，系统性能高；3）信号传输的可靠性高、精度高；）信号传输的可靠性高、精度高；4）真正的全分散、全数字化控制网络；）真正的全分散、全数字化控制网络；5）用户可以随意集成。）用户可以随意集成。5.4现场总线技术（现场总线技术（4）5.4.2几种典型现场总线几种典型现场总线目前世界上出现了多种现场总线的企业、集团或国家标准。目前世界上出现了多种现场总线的企业、集团或国家标准。主要的有五种：主要的有五种：CAN、LONWorks、PROFIBUS、HART、FFCAN（ControllerAreaNetwork），），控制器局域网控制器局域网LONWorks（LocalOpereatingNetwork），），局域操作网络局域操作网络PROFIBUS（ProcessFieldBus），），过程现场总线过程现场总线HART（HighwayAddressableRemoteTransducer），），可寻可寻址远程传感器数据通路通信协议址远程传感器数据通路通信协议FF（FieldBusFund），），现场总线基金会现场总线基金会5.4现场总线技术（现场总线技术（5）LONWorks（局域操作网络局域操作网络）简介简介由美国由美国Echelon公司研制。主要有如下特点。公司研制。主要有如下特点。1）速率）速率：78kb/2700m、1.25Mb/130m；节点达节点达32000个，传个，传输介质多种。输介质多种。2）协议）协议：全部：全部OSI七层模型。七层模型。3）LONWorks的核心的核心是是NEURON（神经元）芯片神经元）芯片MC143150，含含3个个8位位CPU1个为访问控制器，个为访问控制器，2个为网络处理器。个为网络处理器。4）NEURON芯片编程语言芯片编程语言为为NEURONC，由，由ANSIC派生。派生。5）其协议提供了）其协议提供了5种基本的报文服务种基本的报文服务：确认、非确认、请求：确认、非确认、请求/响应、重复、非确认重复。响应、重复、非确认重复。6）其协议对介质访问控制层作了修改）其协议对介质访问控制层作了修改，使负载轻时延迟最，使负载轻时延迟最小化，使负载重时冲突可能最小化。小化，使负载重时冲突可能最小化。5.5现场总线现场总线CAN局域网局域网本节主要内容本节主要内容1、CAN的主要特性的主要特性2、CAN节点结构与系统连接方式节点结构与系统连接方式3、CAN控制器与数据收发器控制器与数据收发器5.5现场总线现场总线CAN局域网局域网CAN（ControllerAreaNetwork）是控制器局域网是控制器局域网CAN是由德国是由德国Bosch公司专门公司专门为汽车监测和控制而设计的为汽车监测和控制而设计的，逐，逐步发展到用于其它工业领域的现场控制。步发展到用于其它工业领域的现场控制。CAN已经成为国际标准已经成为国际标准化化组织组织ISO11898标准。标准。5.5.1CAN的主要特性的主要特性（1）传输速率最高）传输速率最高1Mbps/40m，距离最远距离最远10km/5kbps。（2）节点数达节点数达110个，传输介质为双绞线或光纤。个，传输介质为双绞线或光纤。（3）通信方式，）通信方式，CAN采用点对点、一点对多点及全局广播几采用点对点、一点对多点及全局广播几种数据收发方式。种数据收发方式。（4）CAN可实现全分布式多机系统，并且无主、从机之分，可实现全分布式多机系统，并且无主、从机之分，每个节点均主动发送报文，可方便地构成多机备份系统。每个节点均主动发送报文，可方便地构成多机备份系统。（5）CAN节点发送数据有冲突时，自动按优先级次序发送。节点发送数据有冲突时，自动按优先级次序发送。（6）具有可靠的错误检测和处理机制（）具有可靠的错误检测和处理机制（CRC循环冗余校验循环冗余校验）。）。（7）节点具有自动关闭功能（在错误严重时）。节点具有自动关闭功能（在错误严重时）。（8）CAN器件丰富，有带器件丰富，有带CAN的单片机（的单片机（82C200）、）、CAN控控制器制器(SJA1000)、收发器收发器(TJA1050)、CANI/O器件器件(82C150)等。等。5.5现场总线现场总线CAN局域网（局域网（2）5.5.2CAN节点结构与系统连接方式节点结构与系统连接方式一、一、CAN节点结构节点结构每一个每一个CAN节点，必不可少的器件有：单片机、节点，必不可少的器件有：单片机、CAN控制控制器、器、CAN收发器和光电耦合器等。收发器和光电耦合器等。光电耦合器光电耦合器隔离电源隔离电源CAN收发器收发器CAN控制器控制器单片机单片机89C51等等5.5现场总线现场总线CAN局域网局域网隔离电源隔离电源CAN控制器控制器单片机单片机如如89C51等等5.5现场总线现场总线CAN局域网局域网CAN收发器收发器5.5现场总线现场总线CAN局域网（局域网（3）二、二、CAN系统连接方式系统连接方式MCU5.5现场总线现场总线CAN局域网（局域网（4）5.5.3CAN控制器与数据收发器控制器与数据收发器一、一、CAN控制器控制器SJA1000SJA1000是是PHILIPS公司的产品。公司的产品。1、控制器的功能、控制器的功能（1）实现）实现CAN现场总线协议；现场总线协议；（2）设置通信波特率；（）设置通信波特率；（3）进行发送和）进行发送和接收缓冲；（接收缓冲；（4）进行校验和错误处理；）进行校验和错误处理；（5）产生中断请求等。）产生中断请求等。2、引脚信号、引脚信号28引脚，引脚，DIP或或SO封装封装AD0AD7：地址地址/数据复用数据复用MODE：CPU模式选择模式选择1：Intel模式；模式；0：Motorola模式模式TX0、1：从：从SJA1000输出数据输出数据RX0、1：SJA1000接收数据接收数据/INT：中断请求输出，送给单片机中断请求输出，送给单片机5.5现场总线现场总线CAN局域网（局域网（5）二、二、CAN高速数据收发器高速数据收发器SJA1050SJA1050是是PHILIPS公司的产品。公司的产品。1、数据收发器的功能、数据收发器的功能（1）完成）完成CAN协议电平转换；（协议电平转换；（2）完成数据收发；（）完成数据收发；（3）起到）起到保护和抗干扰作用。保护和抗干扰作用。2、主要特点、主要特点：（1）高速率（达）高速率（达1Mb/s）；（）；（2）多节点（达多节点（达110个）；（个）；（3）有静音模式只收不发；（）有静音模式只收不发；（4）保护和抗干扰能力强。）保护和抗干扰能力强。3、引脚信号、引脚信号TXD：发送数据输入发送数据输入RXD：接收数据输出接收数据输出CANL：低电平低电平CAN总线总线CANH：高电平高电平CAN总线总线S：模式选择，模式选择，0：高速模式；：高速模式；1：静音模式，只收不发：静音模式，只收不发Vref：参考电压输出参考电压输出进一步可参考：进一步可参考：周立功所著的周立功所著的增强型增强型80C51单片机速成与实战单片机速成与实战，P266272、P305-353北京航空航天大学出版社北京航空航天大学出版社作作业业5.165.175.18