第 6 章总线接口技术

第6章总线接口技术 • 前言 • 6.1 串行通信基本概念 • 6.2 串行通信标准总线（RS-232-C） • 6.3 SPI总线

第6章总线接口技术 随着微型计算机控制技术的不断发展，现在已经生产出多种专用工业控制机。这些控制机大都采用模块式结构，具有通用性强，系统组态灵活等特点，因而具有广泛的适用性。在这些工业控制机中，除了主机板之外，还有大量的用途各异的I/O接口板，如A/D和D/A转换板、步进电机控制板、电机控制板、内存扩展板，串/并行通信扩展板、开关量输入/输出板等。为了使这些功能板能够方便地连接在一起，必须采用统一的总线。微机控制技术

第6章总线接口技术 总线有并行和串行两种。在这一章里，主要介绍几种工业过程控制中常用的串行总线，如RS-232-C、RS-422、RS-485、SPI总线、I2C总线以及现场总线等。微机控制技术

第6章总线接口技术 总线有并行总线和串行总线两种。（1）并行总线 ·N位数据一次传送，因此传送速度快。 ·需要N条传输线，故价格较高。主要用于模块与模块之间的连接。（2）串行总线 ·一位一位地传送，因此传送速度较慢。 ·只需一条传输线，所以价格低。该总线主要用于远距离通信。主要介绍几种工业过程控制中常用的串/并行总线。微机控制技术

6.1 串行通信基本概念 随着微型计算机技术的发展，微型机的应用正在从单机向多机过渡。多机应用的关键是相互通信。特别在远距离通信中，并行通信已显得无能为力，通常大都须采用串行通信方法。在这一节里，首先介绍串行通信的基本概念，然后介绍几种常用的串行通信总线，如RS-232-C，RS-485等。此外，还介绍几种单片机专用总线，如SPI总线，I2C总线等。最后,讲一下现场总线。它的出现，使微型计算机控制系统正经历着一场新的革命。微机控制技术

6.1 串行通信基本概念 6.1.1 数据传送方式 6.1.2 异步通信和同步通信

6.1.1 数据传送方式 在微型计算机系统中，处理器与外部设备之间的数据传送方法有两种：（1）并行通信——数据各位同时传送；（2）串行通信——数据一位一位地按顺序传送。如图6.1所示就是这两种传送方式的示意图。微机控制技术

图 6.1 并行通信与串口通信的数据传送方式 微机控制技术

6.1.1 数据传送方式 如图6.1所示可以看出，在并行通信中，数据有多少位就需要有多少根传输线，而串行通信无论数据有多少位只需要一对传输线。因此，串行通信在远距离和多位数据传送时，有着明显的优越性。但它的不足之处在于数据传送的速度比较慢。本节主要介绍有关串行通信的基本概念。在串行通信中，数据传送有3种方式：单工方式、半双工方式和全双工方式。微机控制技术

6.1.1 数据传送方式 1. 单工方式（SimplexMode）在这种方式中，只允许数据按一个固定的方向传送，如图6.2（a）所示。图中A只能发送数据，称为发送器（Transfer）；B只能接收数据，叫做接收器（Receiver）。而数据不能从B向A传送。微机控制技术

6.1.1 数据传送方式 2. 半双工方式（Half-DuplexMode）半双工方式如图6.2（b）所示。在这种方式下，数据既可以从A传向B，也可以从B向A传输。因此，A，B既可作为发送器，又可作为接收器，通常称为收发器（Transceiver）。从这个意义上讲，这种方式似乎为双向工作方式。但是，由于A，B之间只有一根传输线，所以信号只能分时传送。微机控制技术

6.1.1 数据传送方式 即在同一时刻，只能进行一个方向传送，不能双向同时传输。因此，将其称为“半双工”方式。在这种工作方式下，要么A发送，B接收；要么B发送，A接收。当不工作时，令A，B均处于接收方式，以便随时响应对方的呼叫。微机控制技术

6.1.1 数据传送方式 3. 全双工方式（Full-DuplexMode）虽然半双工方式比单工方式灵活，但它的效率依然比较低。主要原因是从发送方式切换到接收方式需要一定的时间，大约为数毫秒。重复线路切换所引起的延迟积累时间是相当可观的。另一方面，也是更重要的，就是在同一时刻只能工作在某一种方式下，这是半双工效率不高的根本原因所在。微机控制技术

6.1.1 数据传送方式 解决的方法是增加一条线，使A，B两端均可同时工作在收发方式，如图6.2（c）所示。将图6.2（c）与图6.2（b）相比，虽然对每个站来讲，都有发送器和接收器，但由于图（c）中有两条传输线，用不着收发切换，因而传送速率可成倍增长。微机控制技术

图6.2 串行数据传送方式示意图 微机控制技术

6.1.1 数据传送方式 值得说明的是，全双工与半双工方式比较，虽然信号传送速度大增，但它的线路也要增加一条，因此系统成本将增加。在实际应用中，特别是在异步通信中，大多数情况都采用半双工方式。这样，虽然发送效率较低，但线路简单、实用，对于一般系统也基本够用。微机控制技术

6.1.2 异步通信和同步通信 根据在串行通信中数据定时、同步的不同，串行通信的基本方式有两种：异步通信（AsynchronousCommunication）和同步通信（SynchronousCommunication）。微机控制技术

6.1.2 异步通信和同步通信 1. 异步通信异步通信是字符的同步传输技术。数据以字符为单位传输。当发送一个字符代码时，字符前面要加一个“起始”信号，其长度为一位，极性为“0”，即空号（Space）状态；规定在线路不传送数据时全部为“1”，即传号（Mark）状态。字符后边要加一个“停止”信号，其长度为1，1.5或2位，极性为“1”。字符本身的长度为5～8位数据，视传输的数据格式而定。例如，当传送的数字（或字符）用ASCII码表示时，其长度为7位。在某些传输中，为了减少误码率，经常在数据之后还加一位“校验位”。微机控制技术

6.1.2 异步通信和同步通信 由此可见，一个字符由起始位（0）开始，到停止位（1）结束，其长度为7～12位。起始位和停止位用来区分字符。传送时，字符可以连续发送，也可以断续发送。不发送字符时线路保持“1”状态。字符发送的顺序为先低位后高位。综上所述，异步串行通信的帧格式，如图6.3所示。微机控制技术

图6-3 异步串行通信格式 微机控制技术

6.1.2 异步通信和同步通信 异步通信的优点是收/发双方不需要严格的位同步。也就是说，在这种通信方式下，每个字符作为独立的信息单元，可以随机地出现在数据流中，而每个字符出现在数据流中的相对时间是随机的。然而一个字符一旦发送开始，字符的每一位就必须连续地发送出去。由此可见，在异步串行通信中，“异步”是指字符与字符之间的异步，而在字符内部，仍然是同步传送。在异步通信中，由于大量增加了起始停止和校验位，所以，这种通信方式的效率比较低。其最高效率（传送8bit数据，1bit停止位，1bit校验位）也只有8/（8+3）=73%。微机控制技术

6.1.2 异步通信和同步通信 2. 同步通信同步通信的特点是不仅字符内部保持同步，而且，字符与字符之间也是同步的。在这种通信方式下，收/发双方必须建立准确的位定时信号，也就是说收/发时钟的频率必须严格地一致。同步通信在数据格式上也与异步通信不同，每个字符不增加任何附加位，而是连续发送。但是在传送中，数据要分成组（帧），一组含多个字符代码或若干个独立的码元。微机控制技术

6.1.2 异步通信和同步通信 为使收/发双方建立和保持同步，在每组的开始处应加上规定的码元序列，作为标志序列。在发送数据之前，必须先发送此标志序列，接收端通过检测该标志序列实现同步。微机控制技术

6.1.2 异步通信和同步通信 标志序列的格式因传输规程不同而异。例如，在基本型传输规程中，利用国际NO.5代码中的“SYN”控制系统，可实现收/发双方同步。又如在高级数据链路规程（HDLC）中，是按帧格式传送的，利用帧标志符“01111110”来实现收/发双方的同步的。两种传送方法如图6.4所示。微机控制技术

图6.4 两种同步传送格式 微机控制技术

6.1.2 异步通信和同步通信 同步通信方式适合2400bps以上速率的数据传输。由于不必加起始位和停止位，所以，传输效率比较高。其缺点是硬件设备较为复杂，因为它要求有时钟来实现发送端和接收端之间的严格同步，因此还要用锁相技术等来加以保证。微机控制技术

6.1.2 异步通信和同步通信 例如，一种很常见的数据链路结构是HDLC，一般包含48bit的控制信息、前同步码和后同步码。因此，对于一个1000个字符的数据块，每个帧包括48bit的额外开销，以及1000×8=8000bit的数据，由此可求出其额外开销仅占48/（8000+48）×100%=0.6%。微机控制技术

6.1.2 异步通信和同步通信 同步通信用于计算机到计算机之间的通信以及计算机到CRT或外设之间的通信等。微机控制技术

6．2 串行通信标准总线（RS-232-C） 1、在进行串行通信接口设计时，主要考虑： • 接口方法 • 传输介质 • 电平转换。 2、标准总线及配套接口芯片 • 标准总线 RS-232-C，RS-422、RS-485和20mA电流环等。 • 接口芯片为串行接口设计带来极大的方便。串行接口的设计主要是确定一种串行标准总线，其次是选择接口控制及电平转换芯片。微机控制技术

6．2 串行通信标准总线（RS-232-C） 6.2.1 RS-232-C 6.2.2 RS-485 6.2.3 多机通信

6.2.1 RS-232-C RS-232-C • 美国电子工业协会（E I A）1962年公布， 1969年最后一次修订而成。 • 主要用途定义计算机系统的一些数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）之间接口的电气特性。如 CRT、打印机与 CPU 的通信大都采用 RS-232-C总线。 • MCS-51系列单片机使用RS-232-C串行总线极为方便。微机控制技术

6.2.1 RS-232-C 1. RS-232-C的电气特性 RS-232-C 标准（1）规定高电平为+3V～+15V，低电平为-3V～-15V（高、低电平要求对称）。（2）RS-232-C 数据线 TxD、RxD 的电平使用负逻辑：低电平表示逻辑 1，高电平表示逻辑 0。（3）控制线均采用正逻辑，最高能承受 ±30V 的信号电平。微机控制技术

6.2.1 RS-232-C RS-232-C 不能直接与 TTL 电路连接使用时必须加上适当的电平转换电路：如： MC1488 （ TTL电平→ RS-232-C电平）（电源电压为±15V或±12V ） MC1489（ RS-232-C电平→ TTL电平）（电源电压为5V）特别说明微机控制技术

补充 RS-232-C电平转换电路 微机控制技术

功能更强的 RS-232-C 的接口芯片 • 适用于手提电脑的 RS-232-C 的接口芯片：电源（3.3～5V）传输速率几十Kbps ～1 Mbps。 • 接收和发送功能集成在一块芯片上。 • 一片包含多个线路驱动器（TX）和接收器（RX）。 • 带 P（微处理器）监控系统。 • 含 ±15kV 的静电放电保护（ESD）功能及IEC-1000-4-2空隙放电保护。 • 自动关断功能的芯片。 • 多种封装形式，如DIP（双列直插封装）、SO（小型表贴）、SSOP（紧缩的小型表贴）、Max（微型Max）等。微机控制技术

6.2.1 RS-232-C 工业级 RS-232-C 标准接口芯片 MAX232。 • 接收/发送一体化接口两个线路驱动器（TX）两个接收器（RX） • 16脚 DIP/SO 封装型。 • 由 4 部分组成：电压倍增器、电压反向器、发送器、接收器。 • RS-232只需用 +5V 单电源即可微机控制技术

图6.5 MAX220/232/232A管脚分配及应用电路 微机控制技术

6.2.1 RS-232-C 。这些芯片其收发性能与1488/1489基本相同，只是收发器路数不同。微机控制技术

6.2.1 RS-232-C 2. RS-232-C的应用 • MCS-51单片机内部设有串行接口，可直接利用串行接口和 RS-232-C 电平转换芯片实现串行通信。 • 串口输出和输入均为 TTL 电平，需要接RS-232-C的电平转换芯片。（1）简单的RS-232电路（补充）采用 MAX232 作为电平转换。微机控制技术

图6.7 8051单片机串行接口电路图 TTL 电平 CMOS 电平微机控制技术

6.2.1 RS-232-C 设计：实现单片机 8031 与主机之间进行通信, 设单片机的时钟频率是 11 MHz。。要求 : 通信速率为 4800 波特。思路：选用串行口工作在方式 1。 • 数据格式： • 通信速率：取决于定时计数器 T1 的溢出速率和波特率控制位 SMOD 有关。计算公式：波特率 = (2 /32)×(定时器T1的溢出率)（5-1） X = 28– 20 / 11MHz / 384×4800 = 250 = 0FAH SMOD 方式 2 T1 的溢出率 = fosc / 12 × ( 2N– X ) 波特率 = f / 64 微机控制技术

6.2.1 RS-232-C 功能程序；主程序 ORG 2000H START：MOV TMOD，#20H ；定时器T1为方式2 MOV THl， #0FAH MOV TLl， #0FAH；波特率为4800 MOV PCON，#00H；置SMOD=0 SETB TRl ；启动T1计数开始 MOV SCON，#50H；串口方式1 CLR RI；清接收标志 CLR TI；清发送标志 HERE: AJMP HERE；模拟主程序微机控制技术

6.2.1 RS-232-C ；数据发送程序 SEDATA：MOV R0，#20H WAIT： JNB TI，$ ；等待发送完一个字符 MOVX A，@R0 ；取一个字符 MOV SBUF，A ；送串口 INC R0 CLR TI CJNE A，#0AH，WAIT RET 将外存中地址为 20H 开始的 10 个单元的数据以查询方式输出微机控制技术

6.2.1 RS-232-C ；接收子程序 RVDATA： MOV R0, #20H RXDW： JNB RI， $ CLR RI MOV A． SBUF MOVX @Ro，A INC R0 CJNE A，#0AH，RXDW RET 微机控制技术

6.2.1 RS-232-C 关于上述程序的说明在实际工程中: ① 发送子程序是可以实际应用的只要数据准备好后即可调用。 ② 接收子程序来说，概念上可以理解，但并不实用。原因是通信对方何时发来数据是不可知的。 ③ 在实时性要求不高的应用中，发送采用查询方式而接收采用中断方式工作。 ④ 在要求高的场合发和收都要采用中断工作。微机控制技术

（2）单片机双机通信

① 参数计算 波特率（2SMOD/32）（定时器T1的溢出率）定时器T1的溢出率 fOSC/12  (2nX) • 计数器T1的初值： • X2n2SMODfOSC/384波特率 • 设SMOD0，fOSC为11MHz，波特率为4800b/s，则可计算出初值X250FAH

② 程序设计 • ；主程序 • ORG 2000H • START： MOV TMOD，#20H ；定时器T1为方式2 • MOV THl，#0FAH • MOV TLl，#0FAH ；波特率为4800 • MOV PCON，#00H ；置SMOD0 • SETB TRl ；启动T1计数开始 • MOV SCON，#50H ；串口方式1 • MOV R0,#20H ;发送缓冲区首址 MOV R1,#40H ;接收缓冲区首址 • SETB EA ；开中断 • SETB ES ；允许串行口中断 • LCALL SOUT ；先输出一个字符 • HERE: AJMP HERE ；模拟主程序

；中断服务程序 • ORG 0023H ；串行中断入口 • LJMP SBR1 ；转至中断服务程序 • ORG 0100H • SBR1： JNB RI，SEDATA ；不是接收则转发送 • LCALL SINDATA ；转接收 • SJMP NEXT ；转至程序出口

；数据发送程序 • SEDATA： MOV R0，#20H • WAIT： JNB TI，$ ；等待发送完一个字符 • MOVX A，@R0 ；取一个字符 • MOV SBUF，A ；送串口 • INC R0 • CLR TI • CJNE A，#0AH，WAIT • RET

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