第8章通用串行.ppt

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1、2019/7/15,1,第八章 通用串行通信总线,串行通信优点:便于长距离传送 缺点:传送速度较慢,计算机与外界信息交换称为通信。,通信的基本方式可分为并行通信和串行通信：,并行通信是数据的各位同时发送或同时接收；,串行通信是数据的各位依次逐位发送或接收。,并行通信优点:传送速度快 缺点:不便长距离传送,2019/7/15,2,2019/7/15,3,0 1 1 0 1 0 1 0,将数据的各位按时间顺序依次在一根传输线上传输。,RS- 232C连接方式,2019/7/15,4,串行通信的基本特征是数据逐位顺序进行传送 串行通信的格式及约定（如：同步方式、通讯速率、数据块格式、信号电平等）不同

2、，形成了多种串行通信的协议与接口标准。常见的有： 通用异步收发器(UART) 通用串行总线（USB） I2C总线 CAN总线 SPI总线 RS-485，RS-232C，RS422A标准等等,完成串行通信最少用一对线即可进行。线路成本低，传送距离远，速度慢。为了恢复发送的信息，收发双方必须协调工作，协调方法从原理上可分成两种：同步串行通信和异步串行通信。,2019/7/15,5,异步通信依靠起始位、停止位保持通信同步。异步通信数据传送按帧传输，一帧数据包含起始位、数据位、校验位和停止位。 异步通信即每个字符都要额外附加两位，所以工作速度较低，在单片机中主要采用异步通信方式。（字符间异步，字符内部

3、各位间同步）,1、异步通信,(a)起始位：逻辑0，1位; (b)数据位：58位(1/0); (c)奇偶校验：1位(有/无、奇/偶均可选); (d)停止位：逻辑1，1、1.5、2位,空闲位逻辑1,2019/7/15,6,同步通信依靠同步字符保持通信同步。 同步通信是由12个同步字符和多字节数据位组成，同步字符作为起始位以触发同步时钟开始发送或接收数据；多字节数据之间不允许有空隙，每位占用的时间相等；空闲位需发送同步字符。,2、 同步通信,同步字符1,同步字符2,数据块,CRC1,CRC2,循环冗余校验码,数据块可以为任意长度,同步检测,2019/7/15,7,简单理解： 异步：发送和接收端的发送

4、和接收动作不需要时序上的同步，即两时钟互不干涉，但振动频率还是必须一致（低要求），这就是要求两端时钟必须使用同一种波特率的原因。 同步：在要求振动频率保持一致（高要求）的基础上，还要求发送和接收动作也必须保持时序上的同步，即两时钟必须以某种方式取得联系，使得发送和接收动作总是在同一时刻发生，显然这需要更多的信号开销。,2019/7/15,8,3、串行通信波特率,波特率bps(bit per second)定义: 每秒传输数据的位数，即： 1波特 = 1位/秒（1bps） 波特率的倒数即为每位传输所需的时间。 相互通信的甲乙双方必须具有相同的波特率，否则无法成功地完成串行数据通信。,2019/7

5、/15,9,一般说来，通过串行接口直接发送的串行数据在其基本不产生信号畸变和失真的条件下，所能传送的最大距离取决于传输速率和传输线的电气性能。对于同种传输线，最大传输距离和传输速率是一对矛盾，下图给,出的是使用一种每英尺有50pF分布电容的非平衡的双屏蔽线时，最大传输距离随波特率变化的典型曲线。,2019/7/15,10,4、串行通信的制式,串行通信按照数据传送方向可分为三种制式：,单工制式是指甲乙双方通信时只能单向传送数据，发送方和接收方固定。,1、单工制式（Simplex）,2019/7/15,11,半双工制式是指通信双方都具有发送器和接收器，既可发送也可接收，但不能同时接收和发送，发送时

6、不能接收，接收时不能发送。,2、半双工制式（Half Duplex）,2019/7/15,12,全双工制式是指通信双方均设有发送器和接收器，并且信道划分为发送信道和接收信道，因此全双工制式可实现甲乙双方同时发送和接收数据，发送时能接收，接收时也能发送。,3、全双工制式（Full Duplex）,2019/7/15,13,通用串行总线USB,Universal Serial Bus（USB）是连接外部设备的一个串口总线标准，在计算机上使用广泛，但也可以用在机顶盒和游戏机上，补充标准（On-The-Go）使其能够用于在便携设备之间直接交换数据。 可以把各种各样的I/O设备连接到系统中，最大数量可达

7、127台。 USB最初是由英特尔与微软公司倡导发起,2019/7/15,14,USB接口的系统结构,通常，USB系统由以下三部分组成： USB互连（USB interconnection）、 USB主机（USB host）、 USB设备（USB device）。,返回,2019/7/15,15,2019/7/15,16,USB接口的连接器,2019/7/15,17,USB主机,逻辑信道所有用户（包括基站，终端）的纯数据集合 传输信道定义传输特征参数并进行特定处理后的所有用户的数据集合 物理信道定义物理媒介中传送特征参数的各个用户的数据的总称 逻辑信道信的内容 传输信道平信、挂号信、航空快件等等

8、 物理信道写上地址，贴好邮票后的信件,2019/7/15,18,1) 支持热插拔（Hot plug）和即插即用（Plug&Play,PnP）。当设备插入时，主机枚举（enumerate）此设备并加载所需的驱动程序，因此使用远比PCI和ISA总线方便。,通用串行总线特点,2) USB速度比并行端口（Parallel Port，例如EPP、LPT）与串行接口（Serial Port，例如RS-232）等传统计算机用标准总线快上许多。原标准中USB 1.1 的最大传输频宽为 12Mbps，USB 2.0 的最大传输频宽为 480Mbps。,2019/7/15,19,3) USB的设计为非对称式的，它

9、由一个主机（host）控制器和若干通过hub设备以树形连接的设备组成。一个控制器下最多可以有5级hub，包括Hub在内，最多可以连接127个设备，而一台计算机可以同时有多个控制器。 USB hub不需要终结器。,2019/7/15,20,USB hub USB可以连接的外设有鼠标、键盘、游戏手柄、游戏杆、扫描仪、数码相机、打印机、硬盘和网络部件。对数码相机这样的多媒体外设USB已经是缺省接口；由于大大简化了与计算机的连接，USB也逐步取代并口成为打印机的主流连接方式。 USB接口可以向外部提供+5V、0.5A电源，这使得一些小功率的外设可以省去自身的电源电路。 2005年显示器和高清晰度数字视

10、频外设是仅有的USB未能染指的外设类别，因为他们需要更高的传输速率。,2019/7/15,21,现标准中将USB统一为USB2.0,分为： 高速：传输速率25Mbps400Mbps(最大480Mbps) 全速：传输速率500Kbps10Mbps(最大12Mbps） 低速：传输速率10Kbps100Kbps(最大1.5Mbps),2019/7/15,22,USB电缆有4条线，2条信号线，2条电源线，可提供5伏特电源。允许的电压范围是 4.75V 至 5.25V，可提供的最大电流500mA， 线缆最大长度可以达到5米。 USB接口有上行口和下行口两种不同的物理接口，目的是防止形成回路。两种接口都是

11、四个引脚，针脚定义是相同的。,2019/7/15,23,2019/7/15,24,基于USB总线的高速数据采集系统,目前比较通用的是在或工控机内安装数据采集卡（如卡及、卡）。 但这些数据采集设备存在以下缺陷：安装麻烦、价格昂贵、受计算机插槽数量、地址、中断资源的限制，可扩展性差，同时在一些电磁干扰性强的测试现场，可能无法专门对其作电磁屏蔽，从而导致采集的数据失真。,2019/7/15,25,传统的外设与主机的通讯接口一般是基于总线、总线或者是串行总线。 总线虽然具有较高的传输速度（），并支持“即插即用”功能，但其缺点是插拔麻烦，且扩展槽有限（一般为个），总线显然存在同样的问题。 串行总线虽然连

12、结简单，但其传输速度慢（），且主机的串口数目也有限。,2019/7/15,26,数据采集系统的硬件总体结构,2019/7/15,27,数据采集接口卡是硬件部分的核心，它包括转换器、微控制器、通信接口等 .,由于数据采集接口卡是硬件部分的核心，因 此应选择能适用协议的合适芯片。 是一种集成微控制 器。它的内部集成了收发器、串行 接口引擎（）、增强的微控制器 和一个可编程的串行接口。,接口硬件,2019/7/15,28,系统软件设计,该系统软件主要包括设备驱动程序、设备固件和应用程序。 设备固件是设备运行的核心，可采用汇编语言或语言设计。其主要功能是控制接收并处理驱动程序的请求（如请求设备描述符、

13、请求或设置设备状态，请求或设置设备接口等标准请求）、控制芯片接收应用程序的控制指令、控制模块的数据采集、通过缓存数据并实时上传至等。,2019/7/15,29,应用程序设计由两个部分组成：动态链接库和应用程序。动态链接库负责与内核态的功能驱动程序通信并接收应用程序的各种操作请求，而应用程序则负责对所采集的数据进行实时显示、分析和存盘。,2019/7/15,30,基于USB的温度PID控制系统,2019/7/15,31,总体方案原理图,数据存储,用户界面,LabVIEW开发平台,USB系统软件,USB总线接口,USB扩展芯片,单片机,USB电缆,信号调理,执行器 （电阻丝）,被控对象 （小电炉）

14、,温度传感器,信号调理,被控变量（温度T）,测量值Tm,设定值Ts,偏差TsTm,控制信号（电压U）,操纵变量（热量Q）,2019/7/15,32,基于USB的 温度PID控制系统,软件设计,硬件设计,上位机 （PC),下位机 （单片机）,测量值与设定值的比较,PID运算,控制量反馈,驱动USB芯片进行数据输入和输出,USB设备驱动程序,设计基于LabVIEW的数据库,虚拟仪器后台程序和用户界面,信号测量（温度传感器、A/D转换器）,单片机与PC机的连接（PDIUSBD12芯片）,单片机外围电路的设计,软硬件 功能划分,2019/7/15,33,PID温度控制模块,设定温度,偏差,单片机,电压

15、U,电阻丝,热量Q,小电炉,实际温度,干扰作用,温度传感器,测量值,增量式 数字PID算法,PWM 脉冲宽度调制,2019/7/15,34,USB电缆,USB主机 （PC机）,电气接口 USB芯片D12,控制器 （单片机）,功能模块 完成设备主要功能,1.电信号与TTL电平信号相互转换 2.协调与主机间通信的同步机制,1.设备枚举 2.主机与设备的数据交换 3.设备端的数据处理和控制,USB扩展模块,USB主机,USB设备,2019/7/15,35,USB主机 （PC机）,电气接口 USB芯片D12,控制器 （单片机）,令牌包,中断请求,小电炉,温度测量,控制信号,主循环,初始化,开始,主循环

16、,收到中断请求,中断处理 函数,Y,N,单片机固件编程,难点： 枚举过程,2019/7/15,36,检测到USB设备,枚举、配置,启动数据传输,存储、显示数据,停止采集,关闭USB设备,获取数据包,N,Y,上位机模块,功能和工作流程 2. LabVIEW编程特点 3. 使用NI-VISA控制USB设备,2019/7/15,37,IEEE1394总线,IEEE1394总线是由苹果公司研制的，目前最高速度可达到400Mbps/s，速度分为12.5 Mbps/s 、25 Mbps/s 、50 Mbps/s 、100 Mbps/s 、200 Mbps/s 和400 Mbps/s。 将来会推出1Gbps

17、/s的IEEE1394技术。,2019/7/15,38,IEEE 1394的前身于1986年由苹果公司所草拟，苹果公司称之为FireWire， Sony公司则称之为i.Link， Texa Instruments公司称之为Lynx， 实际上所有的商标名称都是指同一种技术-IEEE 1394。,2019/7/15,39,IEEE 1394是为了增强外部多媒体设备与电脑连接性能而设计的高速串行总线，利用IEE1394技术我们可以轻易地把电脑和摄像机，高速硬盘，音响设备等多种多媒体设备连接。 在200Mbps/s下可以传输不经压缩的高质量数据电影。,2019/7/15,40,IEEE1394的主要特

18、征,速度快。IEEE1394总线是一种目前为止最快的高速串行总线，最高的传输速度为400Mbps/s。 支持好。IEEE1394对于各种需要大量带宽的设备提供了专门的优化。 连接多。IEEE1394接口可以同时连接63个不同设备。,2019/7/15,41,热插拨。IEEE1394同USB一样，支持带电插拨设备。 不驱动。IEEE1394支持即插即用，现在的WIN98 SE、WIN2000、WIN ME、WIN XP都对IEEE1394支持的很好，在这些操作系统中用户不用再安装驱动程序，也能使用IEEE1394设备。,2019/7/15,42,IEEE1394的主要缺点,应用少。现在支持IEE

19、E1394的设备也不太多，只有一些数码相机与MP3等一些使用高带宽的设备使用IEEE1394。其它的设备其实也用不了那么高的带宽。 占用高。IEEE1394总线需要占用大量的资源，所以需要高速度的CPU。,2019/7/15,43,IEEE1394的两种传输方式,Backplane模式最小的速率也比USB1.1最高速率高，分别为12.5 Mbps/s 、25 Mbps/s 、50 Mbps/s。可以用于多数的高带宽应用。 Cable模式是速度非常快的模式，其分为100 Mbps/s 、200 Mbps/s 和400 Mbps/s几种，在200Mbps/s下可以传输不经压缩的高质量数据电影。,2

20、019/7/15,44,1394使用六芯电缆，包括两对双绞线信号线和两根电源线。它的最大传输电流可达1.5A，传输数据的直流电压可以在8到40V之间变换。 无须Hub就可以连接63台设备。 IEEE1394的传输速率远高于USB。 支持的产品范围也涵盖了USB。 IEEE1394的技术要求和生产成本较高。价格昂贵，还很少被家用和商用PC采用,1394与USB的比较,2019/7/15,45,2019/7/15,46,DH-HV系列IEEE1394数字摄像机,DH-HV系列IEEE1394数字摄像机与USB2.0输出数字摄像机相比，IEEE 1394输出摄像机在数据传输过程中占用计算机资源较少，更加适合于一台计算机与多台摄像机同时使用，或计算机处理较为复杂、占用CPU很多的应用领域。 输出方式 IEEE 1394a 数据传输距离 4.5米（加中继可达72米）,深圳市瑞凯莱科技有限公司,