異步串行數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)?的介紹

?異步串行數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)?是一種基于時(shí)間間隔的數(shù)據(jù)傳輸方式，用于在計(jì)算機(jī)和外部設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。它通過逐位地傳輸數(shù)據(jù)，使用起始位、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位和停止位等組成的幀結(jié)構(gòu)來確保數(shù)據(jù)的可靠性?1。

異步串行數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)的基本原理

異步串行通信的原理基于時(shí)間間隔和幀結(jié)構(gòu)。在發(fā)送端，數(shù)據(jù)被劃分為一個(gè)個(gè)位(bit)，并按照特定的時(shí)間間隔進(jìn)行傳輸。每個(gè)數(shù)據(jù)幀由起始位、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位和停止位組成。起始位標(biāo)識(shí)著數(shù)據(jù)幀的開始，停止位表示數(shù)據(jù)幀的結(jié)束，數(shù)據(jù)位存儲(chǔ)實(shí)際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，而校驗(yàn)位用于檢測(cè)傳輸過程中的錯(cuò)誤?1。

異步串行數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景

異步串行通信被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，如數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程控制、傳感器通信等。由于其只需要較少的物理線路和引腳，因此在資源受限的環(huán)境下更為常見?1。例如，早期的計(jì)算機(jī)常用的RS-232串口通信就是一種典型的異步串行通信方式，用于計(jì)算機(jī)和外設(shè)之間的通信?2。

異步串行通信的數(shù)據(jù)格式異步通信數(shù)據(jù)幀的第一位是開始位，在通信線上沒有數(shù)據(jù)傳送時(shí)處于邏輯'1'狀態(tài)。當(dāng)發(fā)送設(shè)備要發(fā)送一個(gè)字符數(shù)據(jù)時(shí)，首先發(fā)出一個(gè)邏輯“0”信號(hào)，這個(gè)邏輯低電平就是起始位。起始位通過通信線傳向接收設(shè)備，當(dāng)接收設(shè)備檢測(cè)到這個(gè)邏輯低電平后，就開始準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)位信號(hào)。因此，起始位所起的作用就是表示字符傳送開始。當(dāng)接收設(shè)備收到起始位后，緊接著就會(huì)收到數(shù)據(jù)位。數(shù)據(jù)位的個(gè)數(shù)可以是5，6，7或8位的數(shù)據(jù)。在字符數(shù)據(jù)傳送過程中，數(shù)據(jù)位從最低位開始傳輸。數(shù)據(jù)發(fā)送完之后，可以發(fā)送奇偶校驗(yàn)位。奇偶校驗(yàn)位用于有限差錯(cuò)檢測(cè)，通信雙方在通信時(shí)需約定一致的奇偶校驗(yàn)方式。就數(shù)據(jù)傳送而言，奇偶校驗(yàn)位是冗余位，但它表示數(shù)據(jù)的一種性質(zhì)，這種性質(zhì)用于檢錯(cuò)，雖有限但很容易實(shí)現(xiàn)。在奇偶位或數(shù)據(jù)位之后發(fā)送的是停止位，可以是1位、1.5位或2位，停止位一直為邏輯'1'狀態(tài)。停止位是一個(gè)字符數(shù)據(jù)的結(jié)束標(biāo)志。在異步通信中，字符數(shù)據(jù)一個(gè)一個(gè)地傳送。在發(fā)送間隙，即空閑時(shí)，通信線路總是處于邏輯“1”狀態(tài)，每個(gè)字符數(shù)據(jù)的傳送均以邏輯“0”開始。

傳統(tǒng)的多機(jī)通訊系統(tǒng)一般需要四條線完成：

1.電源線;2.地線;3.發(fā)送信號(hào)線;4.接收信號(hào)線。然而，對(duì)于主機(jī)和分機(jī)距離較遠(yuǎn)、分機(jī)臺(tái)數(shù)較多的系統(tǒng)，采用四線制的經(jīng)費(fèi)投入較大，安裝起來也頗困難?；谶@一問題，本文結(jié)合為某醫(yī)院研制的既有模擬信號(hào)(語音)又有數(shù)字信號(hào)的傳輸呼叫系統(tǒng)，提出用單總線實(shí)現(xiàn)多機(jī)通訊，并給出了一個(gè)完整的技術(shù)方案。

1 單總線制多機(jī)通訊系統(tǒng)的總線設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的多機(jī)呼叫系統(tǒng)的主要功能是：分機(jī)呼叫主機(jī)，利用單片微機(jī)向主機(jī)發(fā)送數(shù)字呼叫信息，主機(jī)響應(yīng)后，顯示出呼叫的分機(jī)號(hào)，打開主機(jī)和分機(jī)的模擬通道進(jìn)行主機(jī)與分機(jī)的對(duì)講;主機(jī)呼叫某分機(jī)，主機(jī)部分輸出分機(jī)號(hào)，直接打開相應(yīng)分機(jī)的模擬通道，進(jìn)行分機(jī)與主機(jī)的對(duì)講;群呼，主要逐一發(fā)送打開所有分機(jī)的數(shù)字信息，數(shù)秒之內(nèi)打開所有分機(jī)的模擬通道，主機(jī)向各分機(jī)傳送語音信號(hào)。用單總線制實(shí)現(xiàn)這種多機(jī)通訊的 問題是電源、地線和信號(hào)線如何分配，如何進(jìn)行信號(hào)的雙向傳輸，如何解決它們之間的相互干擾。作者將信號(hào)(包括數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào))和電源共用一根線，另一線為地線——單總線制。在電路結(jié)構(gòu)和技術(shù)上，采用電源隔離電路，極大限度地減小電源濾波對(duì)信號(hào)的影響;用消側(cè)音電路完成對(duì)模擬信號(hào)的處理。主機(jī)電路原理框圖如圖1所示。

當(dāng)主機(jī)需要與某機(jī)通話時(shí)，操作者拿起話筒，通過常用的電話機(jī)鍵盤撥號(hào)，顯示器顯示出被呼叫的分機(jī)號(hào)，同時(shí)，將數(shù)字信號(hào)發(fā)送到總線，分機(jī)接到數(shù)字信號(hào)并確認(rèn)主機(jī)要求通話時(shí)，接通模擬通道。主機(jī)的語音信號(hào)經(jīng)功放、單總線到分機(jī)的功放推動(dòng)揚(yáng)聲器。分機(jī)的語音信號(hào)經(jīng)功放放大、消側(cè)音電路、單總線到主機(jī)的功放推動(dòng)揚(yáng)聲器或聽筒。通話完畢，主機(jī)掛斷，與此同時(shí)，主機(jī)的微機(jī)發(fā)出停止顯示信號(hào)和分機(jī)掛斷信號(hào)，顯示器熄滅，分機(jī)接到掛斷信號(hào)后，使分機(jī)的模擬通道的地懸浮，從而完成了 通話過程。

在主機(jī)需要與各分機(jī)同時(shí)接通時(shí)，例如醫(yī)院里需要把某件事通知所有病床時(shí)，如果用鍵盤逐一撥通分機(jī)，就不可思議了。本設(shè)計(jì)考慮到這方面的問題，只要操作者按動(dòng)群呼鍵，可在數(shù)秒之內(nèi)接通各分機(jī)實(shí)現(xiàn)群呼。

在分機(jī)需要與主機(jī)通話時(shí)，按一下通話按鍵(分機(jī)僅此一按鍵)，單片微機(jī)發(fā)出數(shù)字信號(hào)，經(jīng)單總線送到主機(jī)的單片微機(jī)。主機(jī)單片微機(jī)接到信號(hào)后，顯示分機(jī)號(hào)碼，判斷話機(jī)是否掛斷，若為掛斷狀態(tài)，則循環(huán)判斷直至話機(jī)掛起，拿起話筒后，主機(jī)立即向相應(yīng)的分機(jī)發(fā)出允許通話的信號(hào)，分機(jī)接通模擬通道便可進(jìn)行通話，通話完畢，話筒掛斷，主機(jī)向分機(jī)發(fā)送掛斷信號(hào)，分機(jī)將模擬通道的地懸浮。這樣，既節(jié)約了電能又不影響佞機(jī)部分人員的正常工作。

通訊的優(yōu)先級(jí)，對(duì)于醫(yī)院的重病號(hào)、機(jī)關(guān)的要害部門等，在呼叫系統(tǒng)中必須優(yōu)先考慮。在本設(shè)計(jì)中，在主機(jī)接到眾多的呼叫信號(hào)后，首先判斷優(yōu)先級(jí)，接通優(yōu)先級(jí) 的分機(jī)通話，而后逐步與低優(yōu)先級(jí)的分機(jī)通話。

2 電源隔離

在單總線制多機(jī)通訊系統(tǒng)中，數(shù)字信號(hào)、模擬信號(hào)和電源共用一條線，如果不采取措施，交變的數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)將被電源的濾波電容器吸收。在本設(shè)計(jì)中，未加電源隔離電路時(shí)，交變的5V信號(hào)經(jīng)傳輸線到分機(jī)后僅有10mV。采用如圖2所示隔離電路后，信號(hào)傳到分機(jī)大于250mV，信號(hào)的衰減程度得到明顯改善。圖中的二極管、三極管、穩(wěn)壓管、電感和電阻的隔離電路用于主機(jī)，而分機(jī)只需一只電感和一只二極管即可。

3 模擬信號(hào)處理電路

單總線既要發(fā)送語音信號(hào)，又要接收語音信號(hào)，勢(shì)必形成環(huán)流。為了解決講話時(shí)聽到自己的聲音(稱為側(cè)音)，采取了消側(cè)音措施。一般地，消側(cè)音有種方法：一種是橋式消側(cè)電路;另一種是相位抵消法的消側(cè)音電路，后者效果更佳。考慮到一臺(tái)主機(jī)和多臺(tái)分機(jī)的成本調(diào)試因素，故主機(jī)部分采用相位抵消消側(cè)音電路，分機(jī)則用橋式消側(cè)音電路。

相位抵消消側(cè)音電路如圖3所示，該電路由三個(gè)運(yùn)算放大器及相應(yīng)的電阻、電容和電位器組成。由總線來的分機(jī)信號(hào)經(jīng)RW1、F3至功放，主機(jī)的話筒信號(hào)一路經(jīng)功放1、總線、RW1至F3的同相輸入端，另一路經(jīng)F1、F2、RW2至F3的反相輸入端。調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)腒、C、RW1、RW2值可使主機(jī)的話筒信號(hào)在F3輸出端接近零伏，從而側(cè)音被消除。

橋式消側(cè)音電路如圖4所示。整個(gè)電路由國個(gè)晶體管(語音發(fā)送放大)及R、C元件組成，圖中ZL為外線路的等效阻抗。當(dāng)該分機(jī)發(fā)送話機(jī)信號(hào)時(shí)，由三極管發(fā)射極輸出單頻信號(hào)電流，國路經(jīng)外線ZL和電阻R3再加到三極管的發(fā)射極形成電流環(huán)路;另國路則經(jīng)R1、C1、R2和C2形成電流環(huán)路。若電橋平衡，即

ZL(R2-j1/ωC2)=R3(R1-j1/ωC1)則Vc0=0

由于后級(jí)功放的輸入信號(hào)為零，故揚(yáng)聲器不發(fā)聲，側(cè)音被消除。主機(jī)通過總線來的模擬信號(hào)，經(jīng)R1、C1和RC到電壓放大器進(jìn)行電壓放大再進(jìn)行功率放大。