智能儀器的通信接口技術(shù)

智能儀器第六章智能儀器的通信接口技術(shù)學(xué)習(xí)提綱1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識2串行通信原理及接口設(shè)計3并行通信原理及接口設(shè)計4USB通信原理及接口設(shè)計5其他通信接口技術(shù)1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識用途多智能儀器由通信接口組成自動測試系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化測試技術(shù)的發(fā)展趨勢數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)通信系統(tǒng)組成1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識信道的帶寬和數(shù)據(jù)速率帶寬：任何信道所能傳輸?shù)男盘柕念l率都有限數(shù)據(jù)速率：表征一個信道傳輸數(shù)字信號能力的指標(biāo)，以每秒所能傳送的二進(jìn)制位為單位調(diào)制技術(shù)基帶信號調(diào)制：由基帶信號改變載波信號的參數(shù)的過程調(diào)制的方法：正弦波調(diào)制和脈沖調(diào)制模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制多路復(fù)用技術(shù)頻分多路復(fù)用和時分多路復(fù)用差錯控制技術(shù)差錯控制編碼檢錯碼和糾錯碼編碼效率R奇偶校驗碼：檢錯碼，編碼效率高，只檢1位差錯方塊校驗：行和列校驗確定出錯位置，進(jìn)而糾錯循環(huán)冗余校驗：檢錯能力強(qiáng)，易實現(xiàn)，應(yīng)用廣泛差錯控制方法自動請求重發(fā)ARQ前向糾錯FEC1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識通信方式異步通信方式1幀信息以起始位和停止位來同步起始位與停止位之間是數(shù)據(jù)位和奇偶校驗位LSB在先，兩幀信息之間可用停止位任意延長接收原理：起始位開始計數(shù)，計數(shù)到1個數(shù)據(jù)位寬度一半時采樣電平，確認(rèn)各位，移位成1字節(jié)信息1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識同步通信方式信息幀：同步字符和數(shù)據(jù)塊同步字符：1或2個特殊的8位二進(jìn)制碼數(shù)據(jù)塊：原則上不限字節(jié)數(shù)，互相之間無空隙帶同步時鐘，收發(fā)雙方絕對同步，硬件較異步復(fù)雜2串行通信原理及接口設(shè)計串行通信的基本概念逐位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ欧绞酱⑥D(zhuǎn)換波特率衡量數(shù)據(jù)傳輸速率的指標(biāo)，每秒傳輸?shù)亩M(jìn)制位數(shù)單工、半雙工與全雙工串行通信方式異步同步2串行通信原理及接口設(shè)計RS-232標(biāo)準(zhǔn)通信距離不大于15m，波特率不高于20kbps總線描述定義DCE與DTE之間串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌谛畔⑤敵鲭娖胶蜋z測電平：負(fù)邏輯接口標(biāo)準(zhǔn)：DB25和DB92串行通信原理及接口設(shè)計數(shù)據(jù)線TXD和RXD控制線RTS：請求發(fā)送CTS：允許發(fā)送DCD：數(shù)據(jù)載波檢測DSR：DCE準(zhǔn)備好DTR：DTE準(zhǔn)備好RI：振鈴指示2串行通信原理及接口設(shè)計RS-232常用系統(tǒng)連接2串行通信原理及接口設(shè)計電平轉(zhuǎn)換MAX2322串行通信原理及接口設(shè)計RS485標(biāo)準(zhǔn)電氣接口標(biāo)準(zhǔn)，只規(guī)定了平衡驅(qū)動器和接收器的電特性，沒規(guī)定接插件傳輸電纜和通信協(xié)議基于單對平衡線的多點、雙向、半雙工通信鏈路特點共模電壓范圍：?7V~+12V最大輸入電流：?0.8mA~1mA最大總線負(fù)載：32個最大傳輸速率：10Mbit/s最大電纜長度：100m2串行通信原理及接口設(shè)計MAX4852串行通信原理及接口設(shè)計串行通信實例要求甲機(jī)以78H、77H的內(nèi)容為首地址，以76H、75H的內(nèi)容為末地址，將外部數(shù)據(jù)存儲器該段地址的存儲值，通過串口發(fā)送給乙機(jī)，乙機(jī)將收到的數(shù)據(jù)存入甲機(jī)指定的存儲單元。分析兩機(jī)通信必須規(guī)定相同的數(shù)據(jù)傳輸格式和波特率，對同一型號單片機(jī)而言，設(shè)定相同的工作方式即可由于乙機(jī)存放數(shù)據(jù)的地址是由甲機(jī)規(guī)定的，所以在發(fā)送正式數(shù)據(jù)前，需要先發(fā)送存放數(shù)據(jù)的地址2串行通信原理及接口設(shè)計甲機(jī)發(fā)送程序TANSF:MOVSP,#60HMOVTMOD,#20H;設(shè)置T1工作在方式2MOVTL1，#0F3HMOVTH1,#0F3HSETBTR1;啟動定時器

CLRTI;清中斷標(biāo)志位

MOVSCON,#50H;串行口初始化

MOVPCON,#80H;SMOD位置1

2串行通信原理及接口設(shè)計MOVSBUF,78HWAIT1:JNBTI,WAIT1;等待發(fā)完

CLRTIMOVSBUF,77HWAIT2:JNBTI,WAIT2;等待發(fā)完

CLRTIMOVSBUF,76HWAIT3:JNBTI,WAIT3;等待發(fā)完

CLRTIMOVSBUF,75HSETBES;允許串口中斷

………….SJMP$;等待2串行通信原理及接口設(shè)計SINT:PUSHDPL;保護(hù)現(xiàn)場

PUSHDPHPUSHAMOVDPH,78H;取數(shù)并發(fā)走

MOVDPL,77HMOVXA,@DPTRCLRTIMOVSBUF,AMOVA,DPH;判斷是否所有數(shù)據(jù)發(fā)完

CJNZA,76H,END1MOVA,DPLCJNZA,75H,END12串行通信原理及接口設(shè)計

CLRES;關(guān)閉中斷

CLRET1CLRTR1ESCON:POPA;恢復(fù)現(xiàn)場

POPDPHPOPDPLRETIEND1：INC77H;低地址加1MOVA,77HJNZ02H;若低地址溢出，高加1INC78HSJMPESON3并行通信原理及接口設(shè)計Centronics標(biāo)準(zhǔn)并行接口GP-IB接口4USB通信原理及接口設(shè)計USB接口適于主機(jī)與各式各樣“即插即用”外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸傳輸速率高達(dá)上百M(fèi)b/s，多個設(shè)備可同時操作，共享帶寬特點*程福德即插即用：非常方便熱插拔特性：不需要重新開機(jī)就可安裝硬件最多連接127個設(shè)備：7位尋址傳輸速率高：USB1.1規(guī)范和USB2.0規(guī)范4USB通信原理及接口設(shè)計USB基本架構(gòu)*程福德USB主機(jī)控制器/根集線器主控制器：USB控制核心根集線器：提供USB端口給USB集線器或USB設(shè)備USB集線器根集線器的功能延伸，提供更多的USB端口USB設(shè)備全速設(shè)備：12Mbps，面向U盤、移動硬盤等設(shè)備低速設(shè)備：1.5Mbps，面向鍵盤、鼠標(biāo)等設(shè)備高速設(shè)備：總480Mbps，USB2.0規(guī)范，設(shè)備同全速4USB通信原理及接口設(shè)計架構(gòu)框圖4USB通信原理及接口設(shè)計USB電氣特性*程福德接口組成D+和D?主機(jī)根集線器或集線器內(nèi)，D+和D?由15k電阻上拉設(shè)備的D+或D?由1.5k電阻上拉至3.3V（全速/低速）主機(jī)每隔一段時間查詢根集線器，檢查D+和D?電位4USB通信原理及接口設(shè)計根據(jù)供電方式將USB設(shè)備分類總線供電集線器：由上游端口供電，但最多只能消耗500mA電流。自我供電集線器：擁有自己的電源，供給自身及所有下游設(shè)備，每個下游設(shè)備可供給500mA電流，而集線器自身最多可從上游端口消耗100mA。低功耗總線供電設(shè)備：由上游端口供電，每個設(shè)備最多消耗100mA電流。高功率總線供電設(shè)備：由上游端口供電，每個設(shè)備最多消耗100mA電流，配置后最多可消耗500mA。自我供電設(shè)備：設(shè)備可從上游端口消耗100mA電流。4USB通信原理及接口設(shè)計USB通信原理設(shè)備端點設(shè)備硬件上具有一定大小的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，主機(jī)通過端點與設(shè)備進(jìn)行通信。主機(jī)與端點的通信是經(jīng)過“管線”來完成的，一旦管線建立好，每個端點就會傳回描述此設(shè)備的相關(guān)信息（描述符）給主機(jī)。信息包括：群組特性、傳輸類別、最大封包、帶寬。端點只能單向傳輸數(shù)據(jù)，控制端點是雙向傳輸數(shù)據(jù)，控制端點事實上是由共享一個端點號碼的IN和OUT端點組成的。4USB通信原理及接口設(shè)計設(shè)備列舉即插即用：可隨時插拔，立即工作，重新連接后不需要重新安裝驅(qū)動程序。第一次連接到USB總線時，主機(jī)做出列舉檢測的動作。列舉的實質(zhì)：通過一連串的介于主機(jī)和設(shè)備之間的控制傳輸來辨識與設(shè)置一個剛連上的USB設(shè)備程序，操作系統(tǒng)辨識一個新設(shè)備并決定其特定需求，然后加載適當(dāng)?shù)尿?qū)動程序，并分配其一個新的地址。USB描述符設(shè)備描述符、配置描述符、接口描述符、端點描述符、類描述符、報告描述符、字符串描述符4USB通信原理及接口設(shè)計設(shè)備列舉過程設(shè)備插入PC主機(jī)的根集線器或USB集線器的端口集線器不斷輪詢端口狀態(tài)，檢測到電位變化就通知主機(jī)主機(jī)以預(yù)設(shè)的地址0響應(yīng)這個新設(shè)備，取回設(shè)備描述符，以確認(rèn)此設(shè)備是何種驅(qū)動程序主機(jī)配置一個單獨(dú)的地址給該設(shè)備主機(jī)取回配置描述符，根據(jù)可使用的電源與帶寬，給予設(shè)備配置的方式4USB通信原理及接口設(shè)計USB設(shè)備的接口設(shè)計設(shè)計方法采用專門的USB接口器件選用內(nèi)部集成USB接口的單片機(jī)專用接口芯片——FT245R兼容USB1.1和USB2.0協(xié)議單芯片USB轉(zhuǎn)并行接口，控制簡單高傳輸速率，可達(dá)1MB/s內(nèi)置FIFO：256B的接收緩沖器和128B的發(fā)送緩沖器內(nèi)置EEPROM，3.3V~5.25V供電范圍，內(nèi)置3.3VD的LDO兼容5V~1.8V的電平邏輯4USB通信原理及接口設(shè)計FT245R內(nèi)部組成4USB通信原理及接口設(shè)計FT245R引腳4USB通信原理及接口設(shè)計讀寫時序硬件設(shè)計

4USB通信原理及接口設(shè)計軟件設(shè)計

……

;讀數(shù)據(jù)

RJUG:JBP1.0，RJUGCLRP1.2MOVA,P0SETBP1.2

……4USB通信原理及接口設(shè)計軟件設(shè)計

……

;寫數(shù)據(jù)

WJUG:JBP1.1，WJUGSETBP1.3MOVP0，ACLRP1.3

……4USB通信原理及接口設(shè)計5其他通信接口技術(shù)以太網(wǎng)接口技術(shù)智能儀器通過以太網(wǎng)接口掛接到網(wǎng)絡(luò)上，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)儀器概述采用總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)傳輸介質(zhì)：銅纜、雙絞線、光纜信號制式：基帶信號，曼徹斯特編碼TCP/IP協(xié)議TCP：傳輸控制協(xié)議IP：互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議5層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層以太網(wǎng)控制器——CS8900A5其他通信接口技術(shù)現(xiàn)場總線CAN接口技術(shù)控制局域網(wǎng)總線，德國Bosch提出，汽車應(yīng)用特點采用多主競爭式總線結(jié)構(gòu)采用不同優(yōu)先級點對點、點對多點、點對網(wǎng)絡(luò)最遠(yuǎn)距離10km，節(jié)點數(shù)量110個數(shù)據(jù)采用短幀結(jié)構(gòu)，每幀有效數(shù)據(jù)8字節(jié)多種傳輸介質(zhì)：雙絞線、光纖突出的可靠性、實時性、靈活性5其他通信接口技術(shù)CAN總線控制器——SJA1000接口管理邏輯：解釋CPU的命令，向CPU提供信息發(fā)送緩沖器：CPU與位流處理器的橋梁接收緩沖器：CPU與驗收濾波器的橋梁驗收濾波器：驗收收到的報文標(biāo)識碼，確定是否接收位流處理器：控制發(fā)送和接收邏輯（檢/糾錯、仲裁）CAN總線驅(qū)動器——PCA82C250驅(qū)動輸出，含限流電路防止輸出與電源、地短路硬件設(shè)計5其他通信接口技術(shù)軟件流程設(shè)計5其他通信接口技術(shù)附錄資料：不需要的可以自行刪除2023/3/14甲醇合成工藝介紹一、課題的研究背景和意義甲醇是一種具有多種用途的基本有機(jī)化工產(chǎn)品，除了在化工方面的多種應(yīng)用外，它還可以作為清潔燃料在汽車中代替汽油或與汽油摻混使用，以甲醇為燃料的燃料電池也即將投入商業(yè)運(yùn)行。另外，甲醇在變壓吸附制氫中作為裂解原料也得到了初步利用。另一方面，用甲醇制取微生物蛋白(SCP)作為飼料乃至食品添加劑有著巨大的市場潛力。二、甲醇的合成方法及流程

（1）木材干餾法

在1924年以前，甲醇幾乎全部是用木材分解干餾來生產(chǎn)的。甲醇的世界產(chǎn)量當(dāng)時只有4500t。用60－100kg木材干餾只能獲得約1kg的甲醇，1m3白樺木只能制得5－6kg的甲醇，而1m3的針葉樹木只能得到2－3kg的甲醇。這種“森林化學(xué)”的甲醇含有丙酮和其他雜質(zhì)，要從甲醇中除去這些雜質(zhì)比較困難。由于甲醇的需要量與日俱增，木材干餾法不能滿足需要。因此人們開始采用化學(xué)合成的方法生產(chǎn)甲醇。（2）氣相合成甲醇法氣相合成甲醇的主要反應(yīng)式為：CO+2H2＝CH3OH(g) △H=-90.8kJ/mol①當(dāng)有CO2存在時，CO2按下列反應(yīng)生成甲醇：CO2+H2＝CO+H2O(g) △H=+41.3kJ/mol ②CO+2H2＝CH3OH(g) △H=-90.8kJ/mol ③上述②、③兩步的總反應(yīng)式為：CO2+3H2＝CH3OH(g)+H2O(g)△H=-49.5kJ/mol副反應(yīng)產(chǎn)物：成烴、高碳醇、醚、醛、酸、酯及單質(zhì)碳等；反應(yīng)特點：強(qiáng)放熱反應(yīng)；

以甲烷或者一氧化碳與氫氣的混合氣為原料氣合成甲醇的方法有高壓、中壓和低壓三種方法。高壓法：即用二氧化碳與氫在高溫（340－420℃）高壓（30.0－50.0MPa）下用鋅-鉻氧化物催化劑合成甲醇。用此法生產(chǎn)甲醇已有七十多年的歷史，這是八十年代以前世界各國生產(chǎn)甲醇的主要方法。高壓法合成甲醇由于操作壓力高，動力消耗大，設(shè)備復(fù)雜，產(chǎn)品質(zhì)量差等缺點正在逐漸淘汰。2023/3/14高壓法(25MPa~32MPa）甲醇合成工藝流程低壓法：

即用一氧化碳與氫氣為原料在低壓（5.0MPa）和275℃左右的溫度下，采用銅基催化劑（Cu-Zn-Cr）合成甲醇。低壓法成功的關(guān)鍵是采用了銅基催化劑，它的活性和選擇性比鋅-鉻催化劑活性好得多，使甲醇合成反應(yīng)能在較低的壓力和溫度下進(jìn)行。因此，消耗在副反應(yīng)中原料氣和粗甲醇中的雜質(zhì)都比較少。低壓法合成工藝主要有英國帝國化學(xué)公司（ICI）和德國魯奇（Lurqi）的工藝

2023/3/14ICI法低壓甲醇合成工藝流程

工藝流程特點：相對低的溫度和壓力下操作，節(jié)省能耗，同時抑制甲烷化反應(yīng)及其他副反應(yīng)；采用多段冷激式合成塔，結(jié)構(gòu)簡單，催化劑裝卸方便，使用壽命長。

2023/3/14第二章液體燃料及其添加劑50ICI多段冷激型甲醇合成反應(yīng)器ICI多段冷激塔結(jié)構(gòu)特點：反應(yīng)床層由若干絕熱段組成，兩段之間通入冷的原料氣，使反應(yīng)氣體冷卻，以使各段的溫度維持在一定值；塔體是空筒，塔內(nèi)無催化劑筐，催化劑不分層，由惰性材料支撐，冷激氣體噴管直接插入床層，并有特殊設(shè)計的菱形冷卻氣體分布器；優(yōu)點：單塔操作能力大，控溫方便，冷激采用菱形分布器專利技術(shù)，催化劑層上下貫通，裝卸方便，易于放大，目前普通塔的容量為2300t/d，高空隙率塔的容量達(dá)7600t/d；缺點：催化劑床層溫差較大（軸向：～70℃，徑向：～23℃）、有部分氣體與未反應(yīng)氣體之間的返混、催化劑時空產(chǎn)率不高，用量較大、單程轉(zhuǎn)化率較低（僅為15%～20%）。ICI多段冷激型甲醇合成反應(yīng)器

2023/3/14Lurgi法低壓甲醇合成工藝流程

2023/3/14第二章液體燃料及其添加劑52Lurgi管殼型甲醇合成反應(yīng)器結(jié)構(gòu)特點：形似列管式換熱器，在塔內(nèi)，列管中裝填催化劑，管間為沸騰水；原料氣與出塔氣換熱至230℃左右進(jìn)入合成塔，反應(yīng)放出的熱經(jīng)管壁傳給管間的沸騰水，產(chǎn)生4MPa左右的飽和蒸汽，用來驅(qū)動透平壓縮機(jī)。合成塔全系統(tǒng)的溫度條件用蒸汽壓來控制，從而保證催化劑床層大致為等溫。優(yōu)點：催化劑床層溫差較小、單程轉(zhuǎn)化率較高（可達(dá)50%）、催化劑使用壽命較長（4年～5年）、熱能利用合理、設(shè)備緊湊，開停車方便，合成反應(yīng)過程中副反應(yīng)少，甲醇質(zhì)量高。缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制作較困難、材料要求高、放大較困難。經(jīng)典管殼塔的最大生產(chǎn)能力（經(jīng)濟(jì)型塔）為1500t/d。全世界現(xiàn)有Lurgi裝置37套，甲醇總生產(chǎn)能力達(dá)1600萬t/a以上。中壓法：

中壓法是在低壓法研究基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展起來的，由于低壓法操作壓力低，導(dǎo)致設(shè)備體積相當(dāng)龐大，不利于甲醇生產(chǎn)的大型化。因此發(fā)展了壓力為10MPa左右的甲醇中壓合成法。它能更有效的降低建廠費(fèi)用和甲醇生產(chǎn)成本。中壓法的操作壓力范圍為一般為1