第05章總線接口技術(shù)

1、計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)自動化教研室自動化教研室自動化專業(yè)主干課程自動化專業(yè)主干課程華北科技學院華北科技學院電子信息工程學院電子信息工程學院第第5 5章章 總線接口技術(shù)總線接口技術(shù)n5.1串行通信的基本概念n5.2 串行通信標準總線 n5.3 SPI總線n5.4 I2C總線n5.5現(xiàn)場總線技術(shù)5.1串行通信的基本概念串行通信的基本概念 通信實際上是由一地向另一地傳送含有信息的消通信實際上是由一地向另一地傳送含有信息的消息。通信中所傳遞的消息，有各種不同的形式，如息。通信中所傳遞的消息，有各種不同的形式，如符號、文字、語言、數(shù)據(jù)等，因而根據(jù)所傳遞消息符號、文字、語言、數(shù)據(jù)等，因而根據(jù)所傳遞消

2、息的類別，在通信業(yè)務(wù)上中分為電報、電話、數(shù)據(jù)傳的類別，在通信業(yè)務(wù)上中分為電報、電話、數(shù)據(jù)傳輸及可視電話等。輸及可視電話等。通信系統(tǒng)的一般框圖通信系統(tǒng)的一般框圖信息信息信號信號信號信號信息信息 信源信源發(fā)信器發(fā)信器傳輸線路傳輸線路受信器受信器信宿信宿干擾干擾/ /噪聲噪聲5.1.1 數(shù)據(jù)傳送方式數(shù)據(jù)傳送方式并行通訊：數(shù)據(jù)各位同時傳送串行通訊：數(shù)據(jù)一位一位順序傳送串行通信與并行通信的比較 從通信距離上看：并行通信適宜于近距離的數(shù)據(jù)傳送，通常小于30米。而串行通信適宜于遠距離傳送，可以從幾米到數(shù)千公里。 從通信速率上看：一般應(yīng)用中，在短距離內(nèi)，并行接口的數(shù)據(jù)傳輸速率顯然比串行接口的傳輸速率高得多，但

3、長距離內(nèi)串行數(shù)據(jù)傳送速率會比并行數(shù)據(jù)傳送速率快。 由于串行通信的通信時鐘頻率較并行通信容易提高，因此許多高速外部設(shè)備，如數(shù)字攝像機與計算機之間的通信也往往使用串行通信方式。 從抗干擾性能上看：串行通信由于只有一兩根信號線，信號間的互相干擾完全可以忽略。從設(shè)備和費用上看：隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，邏輯器件價格趨低，而通信線路費用趨高，因此對遠距離通信而言，串行通信的費用顯然會低得多。另一方面串行通信還可利用現(xiàn)有的電話網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)遠程通信，降低了通信費用。 串行通信與并行通信相比,雖然有許多優(yōu)點,但也隨之帶來了數(shù)據(jù)的串/并及并/串轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)格式的要求以及位計數(shù)等問題，使之比并行通信實現(xiàn)起來

4、更復雜。全雙工全雙工站站A站站B站站A站站B站站A站站B半雙工半雙工單工單工數(shù)據(jù)傳送方式數(shù)據(jù)傳送方式串行傳送的兩種基本工作方式串行傳送的兩種基本工作方式n異步方式異步方式: :接收端的時鐘完全獨立于發(fā)送端。由自己內(nèi)部的接收端的時鐘完全獨立于發(fā)送端。由自己內(nèi)部的時鐘發(fā)生器產(chǎn)生，但它的標稱頻率必須與發(fā)送端一致。時鐘發(fā)生器產(chǎn)生，但它的標稱頻率必須與發(fā)送端一致。n同步方式：同步方式：接受端的時鐘與發(fā)送端嚴格一致。只要使第一接受端的時鐘與發(fā)送端嚴格一致。只要使第一位的相位關(guān)系正確，以后就可以在一次傳輸中始終保持這位的相位關(guān)系正確，以后就可以在一次傳輸中始終保持這個正確的關(guān)系，不會產(chǎn)生任何積累誤差。個正確

5、的關(guān)系，不會產(chǎn)生任何積累誤差。5.1.2 數(shù)據(jù)通信方式數(shù)據(jù)通信方式1. 1. 異步方式異步方式n串行通信時的數(shù)據(jù)、控制和狀態(tài)信息都使用同一根信號線傳送串行通信時的數(shù)據(jù)、控制和狀態(tài)信息都使用同一根信號線傳送n收發(fā)雙方必須遵守共同的通信協(xié)議（通信規(guī)程），才能解決傳送收發(fā)雙方必須遵守共同的通信協(xié)議（通信規(guī)程），才能解決傳送速率、信息格式、位同步、字符同步、數(shù)據(jù)校驗等問題速率、信息格式、位同步、字符同步、數(shù)據(jù)校驗等問題n串行異步通信以字符為單位進行傳輸，其通信協(xié)議是起止式異步串行異步通信以字符為單位進行傳輸，其通信協(xié)議是起止式異步通信協(xié)議通信協(xié)議異步串行數(shù)據(jù)發(fā)送格式異步串行數(shù)據(jù)發(fā)送格式起始位起始位每每

6、個字符開始傳個字符開始傳送的標志，起送的標志，起始位采用邏輯始位采用邏輯0電平電平起始位起始位校驗位校驗位停止位停止位空閑位空閑位數(shù)據(jù)位數(shù)據(jù)位低位低位高位高位字符字符0/10/10/10/10/10/10/10/11 10 01 11 11 1數(shù)據(jù)位數(shù)據(jù)位緊跟著起始位傳送。由58個二進制位組成，低位先傳送校驗位用于校驗是否傳送正確；可選擇奇檢驗、偶校驗或不傳送校驗位停止位表示該字符傳送結(jié)束。停止位采用邏輯1電平，可選擇1、1.5或2位空閑位傳送字符之間的邏輯1電平，表示沒有進行傳送2. 2. 同步方式同步方式n以一個數(shù)據(jù)塊（幀）為傳輸單位，每個數(shù)據(jù)塊附加以一個數(shù)據(jù)塊（幀）為傳輸單位，每個數(shù)據(jù)塊

7、附加1個或個或2個同步個同步字符，最后以校驗字符結(jié)束字符，最后以校驗字符結(jié)束n同步通信的數(shù)據(jù)傳輸效率和傳輸速率較高，但硬件電路比較復雜同步通信的數(shù)據(jù)傳輸效率和傳輸速率較高，但硬件電路比較復雜n串行同步通信主要應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)當中串行同步通信主要應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)當中n最常使用高級數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議最常使用高級數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議HDLC同步字符同步字符數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)校驗字符校驗字符5.2 串行通信標準總線5.2.1 RS-232-CnRS-232CRS-232C標準是美國標準是美國EIAEIA（電子工業(yè)聯(lián)合會）與（電子工業(yè)聯(lián)合會）與BELLBELL等公司一起開發(fā)的等公司一起開發(fā)的19691969年公布的

8、通信協(xié)議。年公布的通信協(xié)議。n它適合于數(shù)據(jù)傳輸速率在它適合于數(shù)據(jù)傳輸速率在020000bit/s020000bit/s范圍內(nèi)的范圍內(nèi)的通信。通信。n它最初是為遠程通信連接數(shù)據(jù)終端設(shè)備它最初是為遠程通信連接數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTEDTE（Data Terminal EquipmentData Terminal Equipment）與數(shù)據(jù)通信設(shè)備）與數(shù)據(jù)通信設(shè)備DCEDCE（Data Communication EquipmentData Communication Equipment）而制定）而制定的。的。nRS-232CRS-232C標準對信號電平標準和控制信號線作了標準對信號電平標準和控制信號線作

9、了的定義的定義nRS-232CRS-232C采用負邏輯規(guī)定邏輯電平，信號電平與采用負邏輯規(guī)定邏輯電平，信號電平與通常的通常的TTLTTL電平不兼容電平不兼容n RS-232CRS-232C將將 -5V -5V -15V-15V規(guī)定為規(guī)定為“1”1”，n +5V +5V +15V+15V規(guī)定為規(guī)定為“0”0”nTTLTTL標準和標準和RS-232CRS-232C標準之間的電平轉(zhuǎn)換可以通過標準之間的電平轉(zhuǎn)換可以通過專用芯片完成專用芯片完成 n 例如：例如： MC1488/MC1489MC1488/MC1489，MAX232MAX232等。等。nRS-232CRS-232C有有DB-25DB-25，

10、DB-9DB-9兩種連接器，如圖所示。兩種連接器，如圖所示。引腳號信號名稱方 向信 號 功 能1DCDPC機儀器PC機收到遠程信號（載波檢測）2RXDPC機儀器PC機接收數(shù)據(jù)3TXDPC機儀器PC機發(fā)送數(shù)據(jù)4DTR PC機儀器PC機準備就緒5GND- 信號地6DSRPC機儀器儀器準備就緒7RTSPC機儀器PC機請求發(fā)送數(shù)據(jù)8CTSPC機儀器儀器已切換到接收狀態(tài)（清除發(fā)送）9RIPC機儀器通知PC機，線路正常（振鈴指示）電平轉(zhuǎn)換芯片介紹 n(1)(1)驅(qū)動器的輸出電平驅(qū)動器的輸出電平n邏輯邏輯0 0：+5V+5V+15V+15V； 邏輯邏輯1 1：-5V-5V1 15V5Vn(2)(2)接收器的

11、輸入檢測電平接收器的輸入檢測電平n邏輯邏輯0 0：+3V +3V ； 邏輯邏輯1 1：- -3V3VnRS-232CRS-232C使用的是負邏輯。使用的是負邏輯。 TXDRXDRXDTXDT1INR1OUTT1OUTR2OUTR2INT2OUTR2OUTT2IN11611610610610610696967676868680318031MAX232AMAX232An電平轉(zhuǎn)換最常用的芯片是傳送線驅(qū)動器電平轉(zhuǎn)換最常用的芯片是傳送線驅(qū)動器MC1488MC1488和和接收器接收器MC1489MC1489，其作用除了電平轉(zhuǎn)換外，還實現(xiàn)，其作用除了電平轉(zhuǎn)換外，還實現(xiàn)正負邏輯電平轉(zhuǎn)換。正負邏輯電平轉(zhuǎn)換。n下

12、圖是單片機與下圖是單片機與RS-232RS-232標準接口電路。標準接口電路。 RS-232C接口的缺點接口的缺點n數(shù)據(jù)通信速率低。數(shù)據(jù)通信速率低。RS-232CRS-232C規(guī)定的最高傳輸速率規(guī)定的最高傳輸速率20kbit/s20kbit/s雖然可以滿足一般的異步通信需要，但雖然可以滿足一般的異步通信需要，但并不能滿足同步傳輸?shù)囊蟆２⒉荒軡M足同步傳輸?shù)囊?。n通信距離短。使用通信距離短。使用RS-232CRS-232C接口的通信線路在接口的通信線路在15m15m左右可以達到正常的通信要求，左右可以達到正常的通信要求， 但無法滿足更但無法滿足更長的通信距離，即使使用極好的線路器件和優(yōu)良長的通

13、信距離，即使使用極好的線路器件和優(yōu)良的信號條件，也無法使電纜長度超過的信號條件，也無法使電纜長度超過60m60m。n抗干擾能力差。通信兩端的電平轉(zhuǎn)換電路均為單抗干擾能力差。通信兩端的電平轉(zhuǎn)換電路均為單端電路，無法抑制共模干擾，各信號間也易受到端電路，無法抑制共模干擾，各信號間也易受到干擾。干擾。 5.2.2 RS-423/RS-422/RS-485n鑒于鑒于RS-232CRS-232C標準的缺點，標準的缺點，19771977年年EIAEIA公布了新的公布了新的標準接口標準接口RS-449RS-449作為作為RS-232CRS-232C的替代標準。的替代標準。nRS-449RS-449接口使用差

14、分信號進行數(shù)據(jù)傳輸，接口使用差分信號進行數(shù)據(jù)傳輸， 使用使用雙絞線作為通信線路，無需使用調(diào)制解調(diào)器，通雙絞線作為通信線路，無需使用調(diào)制解調(diào)器，通信距離可以達到信距離可以達到1200m1200m，速率可達，速率可達90kbit/s90kbit/s。n由于其使用信號差電路傳輸高速信號，所以噪聲由于其使用信號差電路傳輸高速信號，所以噪聲低，又可以多點或使用公用線通信，兩臺以上的低，又可以多點或使用公用線通信，兩臺以上的設(shè)備可與設(shè)備可與RS-449RS-449通信電纜并聯(lián)。通信電纜并聯(lián)。nRS-423RS-423422422標準是標準是RS-449RS-449標準的子集，規(guī)定了標準的子集，規(guī)定了電氣方

15、面的要求。電氣方面的要求。nRS-423ARS-423A標準是標準是EIAEIA公布的公布的“非平衡電壓數(shù)字接口非平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性電路的電氣特性”標準，這個標準是為改善標準，這個標準是為改善RS-RS-232C232C標準的電氣特性，又考慮與標準的電氣特性，又考慮與S-232CS-232C兼容而制兼容而制定的。定的。nRS-423ARS-423A采用非平衡發(fā)送器和差分接收器，其標采用非平衡發(fā)送器和差分接收器，其標準傳輸線連接如圖所示。準傳輸線連接如圖所示。n圖圖 RS-423ARS-423A標準傳輸線連接標準傳輸線連接nRS-423ARS-423A電平變化范圍為電平變化范圍為12

16、V12V（6V6V）n允許使用比允許使用比RS-232CRS-232C串行接口更高的波特率且可串行接口更高的波特率且可傳送到更遠的距離傳送到更遠的距離n通信速率最大通信速率最大100kbit/s100kbit/s，此時傳輸距離可達，此時傳輸距離可達90m90mn 當通信速率為當通信速率為1kbit/s1kbit/s時，傳輸距離可達時，傳輸距離可達1200m1200mn實現(xiàn)實現(xiàn)RS-422ARS-422A接口的芯片有：接口的芯片有： n MC3487/3486MC3487/3486， SN75174/75175SN75174/75175等等nRS-422ARS-422A是平衡發(fā)送、差分接收，即雙

17、端發(fā)送、是平衡發(fā)送、差分接收，即雙端發(fā)送、雙端接收，如圖所示。雙端接收，如圖所示。n圖圖 RS-422ARS-422A標準傳輸線連接標準傳輸線連接nRS-422ARS-422A標準允許驅(qū)動器輸出為標準允許驅(qū)動器輸出為(26)V(26)Vn接收器可以檢測到的輸入信號電平可低至接收器可以檢測到的輸入信號電平可低至200mV200mV。n當傳輸距離為當傳輸距離為15m15m時，最大通信速率可達時，最大通信速率可達10Mbit/s10Mbit/sn 當通信速率為當通信速率為90kbit/s90kbit/s時，時， 傳輸距離可達傳輸距離可達1200m 1200m nRS-485RS-485是是RS-42

18、2ARS-422A的變型的變型nRS-422ARS-422A為全雙工工作方式，可以同時發(fā)送和接為全雙工工作方式，可以同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而收數(shù)據(jù)，而RS-485RS-485則為半雙工工作方式，在某一則為半雙工工作方式，在某一時刻，一個發(fā)送另一個接收。時刻，一個發(fā)送另一個接收。nRS-485RS-485是一種多發(fā)送器的電路標準，它擴展了是一種多發(fā)送器的電路標準，它擴展了RS-422ARS-422A的性能，在同一個的性能，在同一個RS-485RS-485網(wǎng)絡(luò)中，可以網(wǎng)絡(luò)中，可以有多達有多達3232個模塊，這些模塊可以是被動發(fā)送器、個模塊，這些模塊可以是被動發(fā)送器、 接收器或收發(fā)器。接收器或收發(fā)器。

19、nRS-485RS-485電路允許公用電話線通信電路允許公用電話線通信n電路結(jié)構(gòu)是在平衡連接電纜兩端有終端電阻，在電路結(jié)構(gòu)是在平衡連接電纜兩端有終端電阻，在平衡電纜上掛發(fā)送器、接收器或收發(fā)器平衡電纜上掛發(fā)送器、接收器或收發(fā)器nRS-485RS-485標準沒有規(guī)定在何時控制發(fā)送器發(fā)送和接標準沒有規(guī)定在何時控制發(fā)送器發(fā)送和接收器接收數(shù)據(jù)的規(guī)則收器接收數(shù)據(jù)的規(guī)則n電纜選擇比電纜選擇比RS-422ARS-422A更為嚴格更為嚴格n實現(xiàn)實現(xiàn)RS-485RS-485接口的芯片有接口的芯片有MAX485/491MAX485/491等等 n多機通信示意圖如圖所示，多機通信一般是一多機通信示意圖如圖所示，多機通

20、信一般是一主多從。主多從。n由于多發(fā)送線是接在一起的，由于多發(fā)送線是接在一起的， 每根發(fā)送線應(yīng)具每根發(fā)送線應(yīng)具有三態(tài)控制。有三態(tài)控制。5.3 SPI總線5.3.1 SPI總線簡介總線簡介SPI（Serial Peripheral Interface Bus）總線系統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口，允許MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式進行通信和交換信息。使用SPI總線可以簡化電路設(shè)計，節(jié)省常規(guī)電路中的接口器件，提高設(shè)計的可靠性。nSPISPI總線是一種三線同步總線，總線是一種三線同步總線， 三根線分別是：三根線分別是： MISO ( Master Input Slave Output )MISO ( Ma

21、ster Input Slave Output ) MOSI ( Master Output Slave Input ) MOSI ( Master Output Slave Input ) CLK ( Clock ) CLK ( Clock )n實際應(yīng)用中還要有一根片選線。實際應(yīng)用中還要有一根片選線。n通信中有一個主控制器，多個從控制器通信中有一個主控制器，多個從控制器n主控器：即主機，提供時鐘，每個時鐘的主控器：即主機，提供時鐘，每個時鐘的 寬度可以不一樣寬寬度可以不一樣寬n從控器：即從機從控器：即從機nSPISPI總線以字節(jié)（總線以字節(jié)（8 bit8 bit）單位進行傳送）單位進行傳送n

22、SPISPI總線可以全雙工同步傳送總線可以全雙工同步傳送 圖 SPI總線的系統(tǒng)組成5.3.2 SPI總線接口及程序設(shè)計總線接口及程序設(shè)計 nX5045/43X5045/43是美國是美國XicorXicor公司生產(chǎn)的公司生產(chǎn)的EEPROMEEPROM器件器件nX5045X5045是把微處理器外圍器件最基本的三種功能：是把微處理器外圍器件最基本的三種功能： 看門狗定時器、看門狗定時器、 復位控制和復位控制和EEPROMEEPROM集成在單個集成在單個8 8引腳封裝的引腳封裝的CMOSCMOS器件內(nèi)器件內(nèi)n 將電源監(jiān)控和看門狗功能與高速、三線、非易將電源監(jiān)控和看門狗功能與高速、三線、非易失性存儲器組

23、合在一起，從而很大程度上降低失性存儲器組合在一起，從而很大程度上降低了系統(tǒng)成本對電路板空間的要求。了系統(tǒng)成本對電路板空間的要求。 nX5043X5043是低電平復位，是低電平復位，X5045X5045是高電平復位是高電平復位nX5045X5045的外形如圖所示。的外形如圖所示。 n看門狗定時器對微處理器提供了獨立的保護系看門狗定時器對微處理器提供了獨立的保護系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)故障，統(tǒng)，一旦出現(xiàn)故障，RESETRESET就做出響應(yīng)；就做出響應(yīng)；n VccVcc檢測電路可使系統(tǒng)免受電壓低狀況的影響，檢測電路可使系統(tǒng)免受電壓低狀況的影響，當降到最小工作電壓以下時，系統(tǒng)復位，直到當降到最小工作電壓以下時，

24、系統(tǒng)復位，直到VccVcc返回到穩(wěn)定為止；返回到穩(wěn)定為止； n其存儲器部分是其存儲器部分是4096 4096 位串行位串行EEPROMEEPROM，具有簡，具有簡單的三線總線工作的串行外設(shè)接口單的三線總線工作的串行外設(shè)接口SPISPI；n利用了利用了XicorXicor公司的公司的Direct WriteTMDirect WriteTM專利技術(shù)，專利技術(shù)，提供不少于提供不少于100000100000次的使用期限和最小次的使用期限和最小100100年年的數(shù)據(jù)保存期。的數(shù)據(jù)保存期。n具有以下一些基本特點：具有以下一些基本特點： n(1) (1) 低電源電壓檢測以及直至低電源電壓檢測以及直至VccV

25、cc=1V =1V ， 復位信號有效；復位信號有效； n(2) (2) 數(shù)據(jù)傳送速率快，數(shù)據(jù)傳送速率快， 時鐘速率為時鐘速率為1MHz1MHz； n(3) 512(3) 5128 8位串行位串行EEPROMEEPROM，4 4字節(jié)頁方式；字節(jié)頁方式；n(4) (4) 采用低功耗采用低功耗CMOSCMOS工藝，具有工藝，具有1010微安等待微安等待 電流和電流和3mA3mA工作電流；工作電流； n(5) (5) 工作電源范圍寬為工作電源范圍寬為2.72.75.5V5.5V； n(6) (6) 塊鎖定塊鎖定(block lock)(block lock)，保護，保護1/41/4、1/21/2或所或

26、所有的有的EEPROMEEPROM陣列；陣列； n(7) (7) 片內(nèi)異常事件寫保護片內(nèi)異常事件寫保護( (上電、掉電寫保護上電、掉電寫保護 和提供寫鎖存和提供寫鎖存) )。 n下圖是下圖是X5045X5045與與89C5189C51接口原理圖，接口原理圖， 一般在設(shè)計一般在設(shè)計線路時最好在線路時最好在CPUCPU的的I/OI/O加一個到加一個到+5V+5V的上接電阻。的上接電阻。 n程序設(shè)計分為三部分：定義、主程序、功能子程序設(shè)計分為三部分：定義、主程序、功能子程序。程序。n定義部分分為定義部分分為I/OI/O引腳功能定義、引腳功能定義、 X5045X5045命令命令定義、定義、 X5045

27、X5045讀寫單元定義。讀寫單元定義。n主程序完成設(shè)置緩沖區(qū)、主程序完成設(shè)置緩沖區(qū)、X5045X5045讀寫、清看門讀寫、清看門狗和顯示功能。狗和顯示功能。n子程序完成讀寫子程序完成讀寫X5045X5045等各種功能。等各種功能。 5.4 I2C總線5.4.1 I2C總線簡介總線簡介nI I2 2C (Inter IC Bus)C (Inter IC Bus)總線是總線是PHILIPSPHILIPS公司推出公司推出的設(shè)備內(nèi)部串行總線的設(shè)備內(nèi)部串行總線nI I2 2C C 總線是一種具有自動尋址、高低速設(shè)備同總線是一種具有自動尋址、高低速設(shè)備同步和仲裁等功能的高性能串行總線步和仲裁等功能的高性能

28、串行總線n能夠?qū)崿F(xiàn)完善的全雙工數(shù)據(jù)傳輸，是各種總線能夠?qū)崿F(xiàn)完善的全雙工數(shù)據(jù)傳輸，是各種總線中使用信號線數(shù)量較少的中使用信號線數(shù)量較少的nI I2 2C C 總線使用兩根信號線傳輸數(shù)據(jù)，即串行數(shù)總線使用兩根信號線傳輸數(shù)據(jù)，即串行數(shù)據(jù)線據(jù)線SDASDA和串行時鐘線和串行時鐘線SCLSCLnSDASDA和和SCLSCL都為雙向都為雙向I/OI/O線，線， 通過上拉電阻通過上拉電阻RpRp接接+5V+5V電源，總線空閑時皆為高電平電源，總線空閑時皆為高電平nI I2 2C C總線的輸出端必須是開路或集電極開路，總線的輸出端必須是開路或集電極開路， 以便具有以便具有“線與線與”功能功能5.4.2 I2C

29、總線總線的通信時序的通信時序 n當執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送時，啟動數(shù)據(jù)發(fā)送并產(chǎn)生時鐘當執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送時，啟動數(shù)據(jù)發(fā)送并產(chǎn)生時鐘信號的器件稱為主器件；被尋址的任何器件都信號的器件稱為主器件；被尋址的任何器件都可看做從器件可看做從器件n任何時刻總線只能由一個主器件控制，各從器任何時刻總線只能由一個主器件控制，各從器件在總線空閑時啟動數(shù)據(jù)傳送，由件在總線空閑時啟動數(shù)據(jù)傳送，由I2CI2C總線仲裁總線仲裁決定哪個主器件控制總線決定哪個主器件控制總線n在在I I2 2C C總線中發(fā)送數(shù)據(jù)的器件叫發(fā)送器，從總線總線中發(fā)送數(shù)據(jù)的器件叫發(fā)送器，從總線中接收數(shù)據(jù)的器件叫接收器中接收數(shù)據(jù)的器件叫接收器nI I2 2C C總線尋

30、址采用純軟件的尋址方法，總線上所總線尋址采用純軟件的尋址方法，總線上所有器件要依靠有器件要依靠SDASDA發(fā)送的地址信號尋址，無需片發(fā)送的地址信號尋址，無需片選線選線n主機在發(fā)送完開始條件后，立即發(fā)送尋址字節(jié)主機在發(fā)送完開始條件后，立即發(fā)送尋址字節(jié)來尋址被控器件來尋址被控器件n開始條件和結(jié)束條件：開始條件和結(jié)束條件：n具有具有I I2 2C C總線的設(shè)備都是工作在主從方式總線的設(shè)備都是工作在主從方式n由主設(shè)備發(fā)開始由主設(shè)備發(fā)開始(START)(START)和停止和停止(STOP)(STOP)信號信號n串行時鐘線串行時鐘線SCLSCL的上升沿將數(shù)據(jù)寫入從設(shè)備，的上升沿將數(shù)據(jù)寫入從設(shè)備，下降沿將數(shù)

31、據(jù)從從設(shè)備讀出下降沿將數(shù)據(jù)從從設(shè)備讀出n即在即在SCLSCL為高電平時，為高電平時，SDLSDL為高電平期間為高電平期間SDASDA的下的下降沿為開始信號，而降沿為開始信號，而SDASDA的上升沿為停止信號。的上升沿為停止信號。n開始條件和結(jié)束條件時序如圖所示。開始條件和結(jié)束條件時序如圖所示。 nI2CI2C總線協(xié)議的技術(shù)規(guī)范中規(guī)定每次發(fā)送到總線協(xié)議的技術(shù)規(guī)范中規(guī)定每次發(fā)送到SDASDA上的數(shù)據(jù)必須是一個字節(jié)上的數(shù)據(jù)必須是一個字節(jié)n每次傳輸發(fā)送的字節(jié)數(shù)不受限制每次傳輸發(fā)送的字節(jié)數(shù)不受限制n傳輸?shù)臄?shù)據(jù)字節(jié)按照由高位到低位的順序發(fā)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)字節(jié)按照由高位到低位的順序發(fā)送送n每發(fā)送一個字節(jié)后必須跟一

32、個響應(yīng)位每發(fā)送一個字節(jié)后必須跟一個響應(yīng)位n如果從器件在接收下一字節(jié)之前需要時間對如果從器件在接收下一字節(jié)之前需要時間對當前數(shù)據(jù)進行處理，那么在從器件完成當前當前數(shù)據(jù)進行處理，那么在從器件完成當前數(shù)據(jù)的接收后，將保持數(shù)據(jù)的接收后，將保持SCLSCL為低電平，通知主為低電平，通知主器件進入等待狀態(tài)，直到從器件準備好接收器件進入等待狀態(tài)，直到從器件準備好接收下一字節(jié)數(shù)據(jù)時，釋放時鐘線下一字節(jié)數(shù)據(jù)時，釋放時鐘線SCLSCL，主器件才，主器件才可以繼續(xù)發(fā)數(shù)據(jù)。可以繼續(xù)發(fā)數(shù)據(jù)。 n發(fā)送器每發(fā)送完一個字節(jié)，發(fā)送器每發(fā)送完一個字節(jié)， 將數(shù)據(jù)線將數(shù)據(jù)線SDASDA拉高，拉高，由主控制器產(chǎn)生第由主控制器產(chǎn)生第9

33、9個脈沖，個脈沖， 接收器將接收器將SDASDA拉拉低，以此作為接收器對發(fā)送器的應(yīng)答。低，以此作為接收器對發(fā)送器的應(yīng)答。n發(fā)送器在第發(fā)送器在第9 9個脈沖探測個脈沖探測SDASDA為低，表明接收器為低，表明接收器已成功接收到發(fā)送器發(fā)送的一個字節(jié)，可以繼已成功接收到發(fā)送器發(fā)送的一個字節(jié)，可以繼續(xù)進行后面的通信。續(xù)進行后面的通信。5.4.3 I2C總線總線的的應(yīng)用實例應(yīng)用實例 數(shù)字電位器X9241應(yīng)用程序設(shè)計5.5 現(xiàn)場總線技術(shù)到目前為止，自動化技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了兩次飛躍，第一次是到目前為止，自動化技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了兩次飛躍，第一次是在在2020世紀世紀50506060年代從傳統(tǒng)的電氣傳動控制發(fā)展到以模擬

34、年代從傳統(tǒng)的電氣傳動控制發(fā)展到以模擬信號為主的電子裝置和自動化儀表監(jiān)控系統(tǒng)，這次飛躍是信號為主的電子裝置和自動化儀表監(jiān)控系統(tǒng)，這次飛躍是以微電子技術(shù)進步為基礎(chǔ)的。以微電子技術(shù)進步為基礎(chǔ)的。第二次則是在第二次則是在2020世紀世紀70708080年代，分布式控制系統(tǒng)年代，分布式控制系統(tǒng)DCSDCS的的出現(xiàn)，把分散的、單回路的測控系統(tǒng)用計算機進行了統(tǒng)一出現(xiàn)，把分散的、單回路的測控系統(tǒng)用計算機進行了統(tǒng)一的管理，用各種的管理，用各種I/OI/O功能模板代替了控制室的儀表，利用功能模板代替了控制室的儀表，利用計算機高速運算的強大功能，集中實現(xiàn)了回路調(diào)節(jié)，工礦計算機高速運算的強大功能，集中實現(xiàn)了回路調(diào)節(jié)，

35、工礦連鎖、參數(shù)顯示報警，歷史數(shù)據(jù)儲存，工藝流程動態(tài)顯示連鎖、參數(shù)顯示報警，歷史數(shù)據(jù)儲存，工藝流程動態(tài)顯示等多種功能，在大型控制系統(tǒng)中往往還帶有操作指導和專等多種功能，在大型控制系統(tǒng)中往往還帶有操作指導和專家系統(tǒng)等軟件。家系統(tǒng)等軟件。 進入進入2020世紀世紀9090年代后，數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化成為當今控制技年代后，數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化成為當今控制技術(shù)發(fā)展的主要方向。人們意識到傳統(tǒng)的模擬信號只能提供原術(shù)發(fā)展的主要方向。人們意識到傳統(tǒng)的模擬信號只能提供原始的測量和控制信息，而智能變送器在始的測量和控制信息，而智能變送器在4 420mA20mA信號之上附信號之上附加信息的能力又受其低通信速率的制約，所以對整個過

36、程控加信息的能力又受其低通信速率的制約，所以對整個過程控制系統(tǒng)的機制進行數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，應(yīng)是其發(fā)展的必然趨勢。制系統(tǒng)的機制進行數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，應(yīng)是其發(fā)展的必然趨勢。 現(xiàn)場總線是現(xiàn)代計算機、通信和控制技術(shù)的集成，使自現(xiàn)場總線是現(xiàn)代計算機、通信和控制技術(shù)的集成，使自動化技術(shù)正在進入第三次飛躍。可以預言，隨著現(xiàn)場總線技動化技術(shù)正在進入第三次飛躍?？梢灶A言，隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的興起和逐漸成熟，將使術(shù)的興起和逐漸成熟，將使2121世紀的自動化領(lǐng)域成為現(xiàn)場總世紀的自動化領(lǐng)域成為現(xiàn)場總線的世界。線的世界。5.5.1 現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展概況現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展概況 現(xiàn)場總線是一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，是自動化領(lǐng)域中通訊現(xiàn)場總

37、線是一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，是自動化領(lǐng)域中通訊體系最底層的低成本網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)國際電工委員會體系最底層的低成本網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)國際電工委員會(IEC)(IEC)的標的標準和現(xiàn)場總線基金會（準和現(xiàn)場總線基金會（FFFF）的定義：）的定義：“現(xiàn)場總線是連接智現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸多分支結(jié)構(gòu)能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸多分支結(jié)構(gòu)的通訊網(wǎng)絡(luò)的通訊網(wǎng)絡(luò)”。 基本內(nèi)容包括：基本內(nèi)容包括：以串行通訊方式取代傳統(tǒng)的以串行通訊方式取代傳統(tǒng)的420mA模擬信號，一條現(xiàn)場總線可為眾多的可尋址現(xiàn)場設(shè)備實現(xiàn)模擬信號，一條現(xiàn)場總線可為眾多的可尋址現(xiàn)場設(shè)備實現(xiàn)多點連接，支持底層現(xiàn)場智能設(shè)備與高

38、層系統(tǒng)利用公用傳多點連接，支持底層現(xiàn)場智能設(shè)備與高層系統(tǒng)利用公用傳輸介質(zhì)交換信息；其核心是它的通訊協(xié)議，協(xié)議必須根據(jù)輸介質(zhì)交換信息；其核心是它的通訊協(xié)議，協(xié)議必須根據(jù)ISO的計算機網(wǎng)絡(luò)開放系統(tǒng)的的計算機網(wǎng)絡(luò)開放系統(tǒng)的OSI參考模型來制定，它是一參考模型來制定，它是一種開放的七層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標準，種開放的七層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標準，多數(shù)現(xiàn)場總線只使用其中的多數(shù)現(xiàn)場總線只使用其中的一、二和七層協(xié)議（即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層，這一、二和七層協(xié)議（即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層，這三層也是最重要和必須考慮的）三層也是最重要和必須考慮的）。5.5.2 現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（控制系統(tǒng)（FCS）的特點）的特點 FC

39、S FCS與傳統(tǒng)與傳統(tǒng)DCSDCS相比有著明顯的優(yōu)點。相比有著明顯的優(yōu)點。根據(jù)國際電工委員根據(jù)國際電工委員會會(IEC)(IEC)的標準和現(xiàn)場總線基金會（的標準和現(xiàn)場總線基金會（FFFF）的定義，）的定義，F(xiàn)ieldbusFieldbus技術(shù)技術(shù)以下以下6 6個主要特點：個主要特點：（1 1）數(shù)字信號完全取代）數(shù)字信號完全取代4 420mA20mA模擬信號；實現(xiàn)現(xiàn)場管理和模擬信號；實現(xiàn)現(xiàn)場管理和控制的統(tǒng)一；控制的統(tǒng)一；（2 2）使基本過程控制、報警和計算功能等完全分布在現(xiàn)場完）使基本過程控制、報警和計算功能等完全分布在現(xiàn)場完成；成；（3 3）使設(shè)備增加非控制信息，如自診斷信息、組態(tài)信息以及）使

40、設(shè)備增加非控制信息，如自診斷信息、組態(tài)信息以及補償信息等；補償信息等；（4 4）一般只負責發(fā)送或接收較小的數(shù)據(jù)報文，并且以這種數(shù)）一般只負責發(fā)送或接收較小的數(shù)據(jù)報文，并且以這種數(shù)據(jù)報文作為與較高一級的控制系統(tǒng)實現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)往返傳送的據(jù)報文作為與較高一級的控制系統(tǒng)實現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)往返傳送的有效手段。有效手段。（6 6）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、執(zhí)行協(xié)議直觀，價格低廉，與上層網(wǎng)絡(luò)）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、執(zhí)行協(xié)議直觀，價格低廉，與上層網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接費用也不高。的聯(lián)接費用也不高。（5 5）FieldbusFieldbus是一種開放式實時系統(tǒng)只具有簡化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是一種開放式實時系統(tǒng)只具有簡化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而與而與OSIOSI不完全保

41、持一致。真正實現(xiàn)系統(tǒng)開放性、互操作性。不完全保持一致。真正實現(xiàn)系統(tǒng)開放性、互操作性。FCS和DCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較 5.5.3 五種典型現(xiàn)場總線五種典型現(xiàn)場總線目前較流行的目前較流行的5 5種是：種是：CANCAN、LONWorksLONWorks、PROFIBUSPROFIBUS、 HARTHART、FFFF。1 1、CANCAN（控制器局域網(wǎng)絡(luò)）（控制器局域網(wǎng)絡(luò)）CANCAN（Controller Area NetworkController Area Network）是由德國）是由德國BoschBosch公司專門為公司專門為汽車檢測和控制而設(shè)計的、逐步發(fā)展到用于其他工業(yè)領(lǐng)域汽車檢測和控制而設(shè)

42、計的、逐步發(fā)展到用于其他工業(yè)領(lǐng)域的現(xiàn)場控制。的現(xiàn)場控制。CANCAN已成為國際標準化組織已成為國際標準化組織ISO11898ISO11898標準。標準。CANCAN具有如下特性：具有如下特性：（1）通訊速率為）通訊速率為5kbps/10km、1Mbps/40m，節(jié)點數(shù)，節(jié)點數(shù)110個，個，傳輸介質(zhì)為雙絞線或光纖等。傳輸介質(zhì)為雙絞線或光纖等。（2）采用點對點、一點對多點及全局廣播等方式發(fā)送接受）采用點對點、一點對多點及全局廣播等方式發(fā)送接受數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)。（3）可實現(xiàn)全分布式多機系統(tǒng)，且無主從機之分，每個節(jié)）可實現(xiàn)全分布式多機系統(tǒng)，且無主從機之分，每個節(jié)點均主動發(fā)送報文，可方便的構(gòu)成多機備份系統(tǒng)。點

43、均主動發(fā)送報文，可方便的構(gòu)成多機備份系統(tǒng)。（4）采用非破壞性總線優(yōu)先級仲裁技術(shù)，當兩個節(jié)點同時）采用非破壞性總線優(yōu)先級仲裁技術(shù)，當兩個節(jié)點同時向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信息時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止發(fā)送數(shù)據(jù)，而向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信息時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止發(fā)送數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)發(fā)送信息；按節(jié)點類型分優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)發(fā)送信息；按節(jié)點類型分成不同的優(yōu)先級字節(jié)數(shù)為成不同的優(yōu)先級字節(jié)數(shù)為8個。這樣傳輸時間短，受干擾的個。這樣傳輸時間短，受干擾的概率低，具有較好的檢錯效果。概率低，具有較好的檢錯效果。（5）采用）采用CRC校驗及其他檢錯措施，保證了極低的信息出校驗及其他檢錯措施，保證了極低的

44、信息出錯率。錯率。（6）節(jié)點具有自動關(guān)閉功能，當節(jié)點錯誤嚴重的情況下，）節(jié)點具有自動關(guān)閉功能，當節(jié)點錯誤嚴重的情況下，自動切斷與總線的聯(lián)系，這樣不影響總線的正常工作。自動切斷與總線的聯(lián)系，這樣不影響總線的正常工作。 2、LONWorks（局部操作網(wǎng)絡(luò)局部操作網(wǎng)絡(luò)） LONWorks(Local Operating Network)是美國是美國Echelon公司研公司研制的一種現(xiàn)場總線，主要特性有：制的一種現(xiàn)場總線，主要特性有：（1）通訊速率為）通訊速率為78kbps/2700m、1.25Mbps/130m、節(jié)點數(shù)、節(jié)點數(shù)32000，傳輸介質(zhì)為雙絞線、同軸電纜、光纖、電源線、電力線以及無線傳輸介

45、質(zhì)為雙絞線、同軸電纜、光纖、電源線、電力線以及無線傳輸?shù)?。傳輸?shù)?。?）采用）采用LONTalk通訊協(xié)議，該協(xié)議遵循通訊協(xié)議，該協(xié)議遵循ISO定義的開放系統(tǒng)互定義的開放系統(tǒng)互連連OSI（Open Sysytem Interconnection）全部）全部7層模型。層模型。（3）LONWorks的核心是的核心是NEURON（神經(jīng)元）芯片（神經(jīng)元）芯片（MC143150和和MC143120，內(nèi)含，內(nèi)含3個個8位的位的CPU：第一個：第一個CPU為介質(zhì)訪問控制為介質(zhì)訪問控制處理器，實現(xiàn)處理器，實現(xiàn)LONTalk協(xié)議的第協(xié)議的第1層和第層和第2層；第二個層；第二個CPU為應(yīng)用為應(yīng)用處理器，實現(xiàn)處理器，

46、實現(xiàn)LONTalk協(xié)議的第協(xié)議的第7層，執(zhí)行用戶編寫的代碼及用戶層，執(zhí)行用戶編寫的代碼及用戶用戶代碼調(diào)用的操作系統(tǒng)服務(wù)）。用戶代碼調(diào)用的操作系統(tǒng)服務(wù)）。（4）NEURON芯片的編程語言為芯片的編程語言為NEURON C，它是從，它是從ANSI C派生出來的。派生出來的。LONWorks提供了一套開發(fā)工具提供了一套開發(fā)工具LONBilder與與NodeBuilder。（5）LONTalk協(xié)議提供了協(xié)議提供了5種基本類型的報文服務(wù)；確認種基本類型的報文服務(wù)；確認（Acknowledged）、非確認（）、非確認（Unacknowledged）、請求）、請求/響響應(yīng)（應(yīng)（Request/Reponse

47、）、重復（）、重復（Repeated）、非確認重復）、非確認重復（Un-acknowledged Repeated）。）。（6）LONTalk協(xié)議的介質(zhì)訪問控制子層（協(xié)議的介質(zhì)訪問控制子層（MAC）對）對CSMA作了改進，采用一種新的作了改進，采用一種新的Predictive P-Persistent CSMA，根，根據(jù)總線負載隨即調(diào)整時間槽據(jù)總線負載隨即調(diào)整時間槽n（163），從而在負載較輕時），從而在負載較輕時使介質(zhì)訪問延遲最小化，而在負載較重時使沖突的可能最小使介質(zhì)訪問延遲最小化，而在負載較重時使沖突的可能最小化?；?、PROFIBUS（過程現(xiàn)場總線過程現(xiàn)場總線） PROFIBUS（P

48、rocess Field Bus）是德國標準，）是德國標準，1991年在年在DIN19245中公布了標準，中公布了標準，PROFIBUS有幾種改進型分別用于不同的有幾種改進型分別用于不同的場合，例如：場合，例如：（1）PROFIBUSPA（Process Automation）用于過程自動化，通）用于過程自動化，通過總線供電，提供本質(zhì)安全型，可用于危險防爆區(qū)域。過總線供電，提供本質(zhì)安全型，可用于危險防爆區(qū)域。（2）PROFIBUSFMS（Fieldbus message Specification）用于一）用于一般自動化。般自動化。（3）PROFIBUSDP用于加工自動化，適用于分散的外圍設(shè)備。用于加工自動化，適用于分散的外圍設(shè)備。PROFIBUS引入功能模塊的概念，不同的應(yīng)用需要使用不同的模塊。引入功能模塊的概念，不同的應(yīng)用需要使用不同的模塊。在一個確定的應(yīng)用中，按照在一個確定的應(yīng)用中，按照PROFIBUS規(guī)范來定義模塊，規(guī)范設(shè)備規(guī)范來定義模塊，規(guī)范設(shè)備功能與功能與PROFI