新测控总线与仪器通信技术 教学课件 王先培 测控系统通信与网络课件 5

测控总线技术第五章标准总线通信
（5）总线仲裁线（6根） ：用以支持多微处理器系统
BCLK：总线时钟。用于各多主模板总线仲裁器同步，与微处理器的 时钟不同步。
BPRN：总线优先级输入线。为低电平时，表示当前没有更高优先级 主模板请求总线。
BPRO：总线优先级输出线。用于菊花链连接，当本主模板请求总线 或者菊花链中本主模板左侧主模板请求总线时，它均为1。
对8位微处理器：ADR0-ADRF对存储单元寻址，ADR0-ADR7对 I/O端口进行寻址； 对16位微处理器：ADR0-ADR13对存储单元寻址，ADR0-ADRB对 I/O端口进行寻址
INH1和INH2：地址禁止线
当INH1=0时，将禁止RAM响应地址总线上的存储单元地址，而允 许ROM响应地址总线上的存储单元地址，即让ROM“压倒”RAM；
总线标准对总线作了一系列关于互连、交换信息、协调工 作的规定，包括： 信号线的根数及引线名称 。 机械规程：规定总线插座的机械尺寸、引脚编号、排列位置 以及模板的外形尺寸 。 电气规程：规定了引线信号的静电电平及负载性能 。 逻辑功能及过程特性：引线的逻辑功能及时序关系。
模板硬件设计就是以选定的标准总线为基准，根据模板的 功能要求，选择适当的芯片，经过尽可能简单的逻辑变换，把 信号变换为符合标准总线的规定，经可控开关连接到总线插头
时间特性：指总线中的任一根线在什么时间内有效。每条总线上的各种 信号，互相存在着一种有效时序的关系，因此，时间特性一般可用信号时 序图来描述。
测控总线技术第五章标准总线通信
标准总线：
受到国际组织承认、推荐，为许多国家、行业、用 户所公认的总线。
测控总线技术第五章标准总线通信
5.2 开放型系统
OEM产品

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PCI 总线特性
6）成本低 ）
PCI总线采用地址 数据总线分时复用方式，大大减少了引线数 (124 总线采用地址/数据总线分时复用方式 总线采用地址 数据总线分时复用方式， pins for 32-bits, 188 pins for 64-bits) 和PCI 部件，从而使 部件，从而使PCI部件用 部件用 以连接其它部件的引脚数减至50以下 以下。 以连接其它部件的引脚数减至 以下。
7）自动配置（即插即用，Plug and Play） ）自动配置（即插即用， ）
PCI总线具有即插即用功能，可以自动配置，使用方便。从而保证了用 总线具有即插即用功能，可以自动配置，使用方便。 总线具有即插即用功能 户在安装外围卡时，不需要手工调整跨接线。 户在安装外围卡时，不需要手工调整跨接线。
8）兼容性好，易于扩展 ）兼容性好，
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总线的分类（ ） 总线的分类（1）
1.按传输信号的性质分类 1.按传输信号的性质分类
总线按其信号线上传输的信息性质可分为三组： 总线按其信号线上传输的信息性质可分为三组： 数据总线：一般情况下是双向总线； ① 数据总线：一般情况下是双向总线；
② 地址总线：单向总线，是微处理器或主设备发出的地址信号线； 地址总线：单向总线，是微处理器或主设备发出的地址信号线；
ISA 总线比较适于控制外设和进行数据通讯。 总线比较适于控制外设和进行数据通讯。
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62芯 位基本ISA插槽 62芯8位基本ISA插槽 ISA
36芯16位扩充ISA插槽 36芯16位扩充ISA插槽 位扩充ISA
A、B两面是 总线，再加上 、D两面是 总线，总称为 、 两面是 总线，再加上C、 两面是 总线，总称为ISA总线。 两面是XT总线 两面是AT总线 总线。 总线

示三部分，并称为：测量节点、测量分析服务器和测量浏览器。
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网络化虚拟仪器的基本构成
（1）远距离测量系统：将一个或多个测量点的测量数据
通过网络传输到一台计算机节点进行处理的系统。此时， 待测点一般远离本地计算机主机系统。
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（2）测量数据发布系统：由本地测量节点完成测试任
务，再将测量的结果通过网络发布到一台或多台远程PC 节点的系统。
本教材所指的测控系统主要指用于工业、国防、
环境、医学等领域的各种仪器仪表、自动测试系统、 过程控制系统、集散型控制系统等。
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1.2 过程控制系统
过程控制系统主要用于生产过程控制、武器的 导航与制导等，强调监测的目的是自动控制。
在工业应用领域，过程控制系统经历了从PLC 控制系统、单/多回路自动控制系统、计算机测控系统、 过程控制系统（PCS）、集散型控制系统（DCS）到 全集成控制自动化系统（TIA）
高速数据通道：是具有高速通信能力的
总线，负责各监控站之间以及各监控站 与上位计算机、外部系统之间的数据传 输，是现代计算机测控系统的支柱。该 总线一般采用局域网络，使用通用或专 用通信协议。
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通信接口：配合高速数据通道完成各监控站之间通信
的基本部件。它的结构和监控站的功能有关，主要包 括移位寄存器、地址译码寄存器、驱动器和收发电路 等。依通信规则，有的计算机测控系统设有通信指挥 器或通信控制站。
操作人员可以通过显示终端
对生产过程进行监督和操作， 键盘和显示屏幕代替了庞大 的控制仪表盘以及大量的开 关和按纽，控制室已变的越 来越小，只需很少人就能完 成对生产过程进行监督和操 纵的任务；
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测控系统与具体的对象和领域联系起来形成了不 同的学科。

7 测控网络与数字通信技术
• ξ7.1 数字通信基础 • ξ7.2 数字信号的传输 • ξ7.3 总线通信技术
授课教师：王 翥
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7 测控网络与数字通信技术
ξ7.1 数字通信基础 7.1.1 数字通信系统的基本组成
信源/信宿：数据的出发点与目的地，成为数据终端设备
控制器：控制数据传输的设备，主要功能有：
2. 检错技术
（1）奇偶校验：奇校验、偶校验
给一个n比特数据附加一位（第n+1位——奇偶校验位）来进 行奇偶校验。
选择奇偶校验位为“0”或者为“1”，使得：
奇校验：n+1位数中“1”的个数为奇数；
问题：
偶校验：n+1位数中“1”的个数为偶数。
错两位怎么办？
例如：8位数据“1010 0111”
奇校验：“0”1010 0111（同或）;偶校验：“1”1010 0111（异或）
2. 检错技术
（3）循环冗余校验（CRC）： 3）接收端检错过程为：
1.链路控制；2.同步；3.差错控制。
收发器：收发数据的设备，基本功能是将传输数据信号
变换成适用于信道传输的形式。
信道：数据传输的通道，包括传输介质和中间通信设备
噪声源：耦合到通信系统中的噪声。
授课教师：王 翥
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7 测控网络与数字通信技术
ξ7.1 数字通信基础 7.1.2 信道的分类 1. 信道的种类 （1）有线信道 • 电缆：双绞线、同轴电缆、多芯电缆 • 光缆：光纤 （2）无线信道 • 无线电波： • 微波：频率在300MHz-300GHz的电磁波，波长微米级 • 红外光：发光二极管、激光二极管、光电二极管等
授课教师：王 翥
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7 测控网络与数字通信技术

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(4)混合(hùnhé)形结构 混合(hùnhé)形结构是将上述各种拓补混合(hùnhé)起来的结构， 常见的有树形、环星形等。
计算机 闭合回路
环星形结构示意图
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1.4局域网网络协议
根据(gēnjù)IEEE802标准，LAN协议参照了OSI模型 的物理层和数据链路层，并没有涉及到第三层至第 七层。从应用层到网络层的高层功能完全由软件来 实现，它提供了两个站之间的端—端服务。而最低 两层（物理层和链路层）功能上基本上由硬件来完 成。LAN协议把链路层又分成逻辑链路控制层LLC 和介质访问控制层MAC。
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介质(jièzhì)访问控制层（MAC）
功能：合理解决信道的分配。常用的介质访问控制方 式有三种：
(a)冲突检测的载波侦听多路访问(fǎngwèn)（CSMA/CD） (b)令牌环（Token Ring）； (c)令牌总线（Token Bus）。
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(1)冲突检测的载波侦听(zhēn tīnɡ)多路访问(CMSA/CD)
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1.2 计算机网络的分类(fēn lèi) 按网络的跨度分类
局域网LAN（Local Area Network)：计算机硬件设备不大、
通信线路不长、采用单一的传输介质(jièzhì)、覆盖范围小。
区域网MAN (Metropolitan Area NetWork)：通常覆盖一
个区域城市，又称城域网。
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➢令牌传递的方法
令牌依次沿每个结点传送，使每个结点都有平等发送信息 的机会。
令牌有“空”和“忙”两个状态(zhuàngtài)。“空”表示令牌 没有被占用，“忙”表示令牌正在携带信息发送。当“空”的 令牌传送至正待发送信息的结点时，该结点立即发送信息并置 令牌为“忙”状态(zhuàngtài)。在一个结点占令牌期间；其它结 点只能处于接收状态(zhuàngtài)。

第11章 无线通信与网络
一、概述
• 无线通信是以自由空间作为介质，利用电磁波 传播信号的通信系统。它是目前通信领域发展最为 活跃的技术。 • 无线通信的优点：
不需架线挖沟，建设成本低，周期短； 覆盖范围广； 扩容灵活；
维护简单。
无线通信系统 包括信号源、发送 设备、传输信道 （即为空间介质）、 接收设备和收信装 置等。
超短波和微波只能用空间直射波进行视距通信， 传播距离大致上限制在视距范围之内。超短波和微 波波段广泛用于卫星通信，宇宙飞船与地面站之间 的通信，遥测等系统中。
2 调制解调技术
• 调制就是对信号源的编码信息进行处理，使其 变为适合传输并适应信道复用的形式。
• 解调则是将基带信号从载波中提取出来，使接 收者理解或做进一步的处理。
无线广域网主要有2G、2.5G及3G等，主要采用GSM， GPRS，CDMA等技术
（1）2G 2G即第二代蜂窝通信系统规范，主要应用于GSM （Global System for Mobile）即全球移动系统。 它的工作频段在890MHz到915MHz之间（用于用户到 基站的传输）和935MHz到960MHz之间（用于基站到用户的 传输），提供了9.6kbps的数据传输率。
从接入网络的组网方式来分，无线通信网可分 为无线广域网、无线局域网和无线个域网。
根据是否存在固定的网络基础设施来分，无线 系统可分为蜂窝系统和Ad hoc系统。
• 无线通信的发展前景
多址技术：将有限的通信资源在多个用户之间进 行有效的切割与分配，在保证多用户之间通信 质量的同时尽可能地降低系统的复杂度并获得 较高系统容量
GSM的基本结构
数据网
PSTN
PSTN
操作维护中心 （OMC）

4.4 双端口存储器及其应用
双端口存储器分为双向传输的双端口存储 器和单向传输的双端口存储器 4.4.1 双向传输的双端口存储器 每一个端口都可以对存储器进行读写，从而 实现两台微处理器间的半双工数据双向传输
• （1）端口构造
A0-9 存储器（2114） CS WE Di
由微处理器的读写信号合成 2114 MP1和MP2是由两片 74LS244芯片 的读写信号，并控制数据线的导 提供的三态门、译码器及“或” EP1和EP2是端口控制器的输出信 通方向； 门构成的端口； 号决定P1或P2对2114有效
4.3.2 端口控制器法
•2114存储器芯片为共享存储器， •74LS244就相当于微机挂上总线 两个端口 的开关，74LS244与2114之间的 74LS244 连线为单公用总线， •端口控制器负责共享存储器的分 端口控制器 配及管理。端口控制器相当于单 公用总线系统中总线控制器BC的 P 处理机 P 处理机 作用，由它来按照预先设计好的 图 4-9 非本质型双端口共享存储器结构 判决规则，对微处理机的申请进 行判决。
由 和 产生 MS 信号，送 1 MS1 MS1 和MS2 MS2 为发送请求信号 3号R-S 触发器的 Q 和 Q非输出端 MA1 EN1 和 和M EN A2为传输结束信号 为接收请求信号 号、 2号与非门，当 P1和P2同时 分别送到 1号、2号与非门，以保 要求发送数据时，可防止 EP1和 证P1提出发送请求时，2号与非 EP2 被同时置“ 1 ” P2 ，引起访问冲 门关闭，即 P1 比 具有更高的优 突 先级
WE A0-9 CS Di 存 储 器 （2114）
10K 5V
EP1
EP2
DEC MP1 A0-9 A10-15 P1.0 Di INT EAP1 P1 EAP2 INT P2

3、本质型多端口存储器的裁决逻辑
通过内部设有的逻辑检测电路裁决：
➢ 当发生对一个单元同时读写时，逻辑检测电路将 控 制先“写”后“读”； ➢ 若检测到两端口同时对同一单元进行“写”操作 时，逻辑检测电路将使它们排队，以免冲突。
4、总线窗口法
总线窗口有双重功能:
➢ 进行虚/实地址变换， ➢ 控制总线窗口内总线开关，以便实现对共享存储器 的分配与管理。
1、虚拟结构
每台微处理机都带着存储器，它既为各处理机自己 所有，又为多机共享。
每台微处理机能访问所有处理机的存储器，形成了 远大于单个处理机存储器容量的虚拟存储空间，使用 虚拟存储地址寻址。
实现地址映射的方法有两种： (1)由硬件电路组成的“总线窗口”实现地址映射； (2)由含微处理器 “智能总线窗口”实现地址映射。
辅助电路 （控制数据桥和地 址桥的导通状态）
两片共享存储器
数据桥
地址桥
（双向桥） （单向桥）
通信过程如下：
➢任意时刻，A机与B机控制数据桥与地址桥使各自与一个通 信池A连通，A机把自己存放在发送缓冲区中的数据写入通信 池，B机把自己存放在发送缓冲区中的数据写入另外一个通信 池B中。 ➢由主机（设为A机）发P信号，经D触发器变为信号，信号将 控制地址桥及数据桥开关群的切换，实现两个通信池互易物 理位置。 ➢互易物理位置后，先由主机（A机）通信池B中读取数据， 存入自己的接收数据缓冲区中。接收完毕后A机向B机发一中 断请求信号，B机响应中断，在其中断服务程序中安排从通信 池A中读出数据并存入自己的接收数据缓冲区中。
（2）端口控制器构造
➢逻辑结构：采用通信池结构，在共享区只设置一个 数据缓冲区，发送与接收必须分别进行。 ➢数据的读写：数据的写入和读取一次完成，发信方 把数据连续写入共享存储器后，接收方立即从共享 存储器中把数据读出； ➢存储区分配和管理：端口控制器只对发送请求进行

实时采样具有如下的特点：
* 采样脉冲的重复频率必须比被采样信号的 重复频率高；
* 采样脉冲、样本的形成是在被采样信号的 同一时间刻度上，因此由样本组成的复现信
号的时间与被采样信号的时间值相同。
-
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实时采样的缺点：
* 必须在一次有效的持续时间内取出足够多的样本，
因此要求采样脉冲的重复频率必须高，当被采样 信号为窄脉冲时，高频采样脉冲产生困难；
量化后的样本表示为
xd = xa +e (n) 一般可以认为量化误差是随机量，在量化误差
范围内，量化误差的概率分布是均匀分布，量化误 差的均方差为
e2
Q2
1 22n
12 12
设输入信号功率为σx2，噪声功率为σe2，则信噪 比SNR为
SN Rex2 22 2nx2 /12 1 222nx2
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-
3
二、数据采集系统
从信息源处采集到所需的信息，然后把信息转换成适 于分析和操作的形式的过程称为数据采集。数据采集系统 的基本结构形式如图所示。
1、典型的数据采集系统
-
4
一般说来，数据采集系统通常由传感器，信 号调节与处理（信号调理）电路，采样与保持 （S/H）电路，A/D转换电路，测控接口以及计算 机（微处理器）等组成。
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Hale Waihona Puke 3 、 数据采集过程的误差
在模拟信号的采样和量化以及转变为 二进制数的过程中，误差是不可避免的。
（1） 量化误差
一个模拟信号xa，经过采样、量化产 生一个数字信号x d。xd一般为n个二进制数 序列，那么这个数的最低位代表的数值就 决定了序列的精度。
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用量化电平Q对一个模拟量进行比较的过程称 为量化。比较的结果分为两部分：

无线化
随着无线通信技术的发展，未来总线技术可能向无线化方向发展， 实现设备间无线互联和通信。
光纤化
光纤传输具有高速、远距离、抗干扰等优点，未来总线技术可能采 用光纤作为传输介质，提高传输性能。
自动化
总线技术将与人工智能技术结合，实现自动化配置、管理和优化，提 高系统智能化水平。
06
实验环节：总线技术实践操作
设计接口电路
根据实验需求和总线规范，设计合理的接 口电路，实现信号的转换和驱动。
调试与测试
在实验过中，不断调试和测试，确保实 验结果的正确性和可靠性。
编写控制程序
根据实验目的和要求，编写相应的控制程 序，实现数据的传输和设备的控制。
实验结果分析和讨论
数据传输实验结果分析
通过对实验数据的分析，评估数据传输的准确性和效率， 分析影响传输性能的因素。
USB接口与传输模式
USB设备类与通信协议
USB设备分为不同的类，如音频类、 通信类等，遵循特定的通信协议。
USB接口支持热插拔，具有高速、低 速和全速三种传输模式。
CAN总线技术
CAN总线概述
CAN（Controller Area Network）是一种控制器局域网总线技 术，广泛应用于汽车和工业自动化领域。
兼容性挑战
不同厂商、不同标准的总线技术存在兼容性问题，需通过标准化、 模块化设计等方式解决。
安全性挑战
总线技术涉及系统底层通信，存在被攻击、篡改等安全风险，需 加强安全防护和加密措施。
稳定性挑战
总线通信可能受到电磁干扰、温度变化等因素影响，需采取抗干 扰设计、温度补偿等措施提高稳定性。
未来创新方向预测
02
总线通信原理及协议
通信原理简介

3．系统的开放性
在现场总线控制系统中，将传感器测量、补偿计算、工 程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，现场设备既可 完成自动控制的基本功能，又可随时诊断设备的运行状态。废 弃了集散控制系统的输入输出单元和控制站，把集散控制系统 控制站的功能分散地分配到现场设备。
例如，通过采用现场总线技术，一个流量变送器不仅具 有流量信号的变换、补偿和累加等功能，而且还有PID控制或 其他高级控制的功能，也就是说，现场总线技术真正将信号的 采集、处理、控制、驱动等功能放在了现场，用户可灵活选用
或增加额外投资。
7）具有综合功能
现场仪表既有检测、变换和补偿功能，又有控 制和运算功能，实现了一表多用，不仅方便了用户， 也降低了成本。
8）可实现分散控制
由于控制站功能分散在现场仪表中，通过现场 仪表构成的控制回路，实现了彻底的分散控制，提 高了系统的可靠性、自治性和灵活性。
9）可实现统一组态
由于现场设备或现场仪表都引入了功 能块的概念，所有制造厂家都使用相同的 功能块，并统一组态方法。这样就使组态 过程变得非常简单、轻松，不会因为现场 设备或仪表种类不同，而有新的组态方法。
2．PROFIBUS
过程现场总线PROFIBUS是德国标准。1991年在DINI9245 中公布了此标准。PROFIBUS有几种改进型，分别用于不同的 场合。其中，PROFIBUS-PA用于过程自动化，通过总线供电， 提供本质安全，可用于危险防爆区域。PROFIBUS-FMS用于纺 织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等一般自动化领 域。PROFIBUS-DP用于加工自动化。PROFIBUS的协议是开放 的，可以由第三方来生产PROFIBUS的产品。PROFIBUS的传输 速 率 为 9.6kb/s∽12Mb/s ， 最 大 传 输 距 离 在 9.6kb/s 时 为 1000m，1.5Mb/s时为200m。其传输介质为双绞线、光缆，最 多可挂接127个站点。

等于1。
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2. 串行通信的同步和异步方式
（1）异步通信
异步通信方式（Asynchronous Data Communication，ASYNC），又 称起止式异步通信，是计算机通信中最常用的数据信息传输方式。它是 以字符为单位进行传输的，字符之间没有固定的时间间隔要求，而每个 字符中的各位则以固定的时间传送。收、发双方取得同步的方法是采用 在字符格式中设置起始位和停止位。在一个有效字符正式发送前，发送 器先发送一个起始位，然后发送有效字符位，在字符结束时再发送一个 停止位，起始位至停止位构成一帧。
① 比特率：是指每秒传输的二进制位数，用bps（bit/s)表示。
② 波特率：是指每秒传输的符号数，若每个符号所含的信息量为 1比特，则波特率等于比特率。
③ 位时间：是指传送一个二进制位所需时间，用Td 表示。 Td = 1/波特率 = 1/B
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（3）发送时钟和接收时钟
在串行通信中，二进制数据以数字信号的信号形式出现，不论是发 送还是接收，都必须有时钟信号对传送的数据进行定位。在TTL标准表示 的二进制数中，传输线上高电平表示二进制1，低电平表示二进制0，且 每一位持续时间是固定的，由发送时钟和接收时钟的频率决定。
① 发送时钟
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② 接收时钟
③ 波特率因子
接收时钟和发送时钟与波特率有如下关系：
F=n×B
这里F是发送时钟或接收时钟的频率；B是数据传输的波特率；n称为
波特率因子。在实际串行通信中，波特率因子可以设定。在异步传送时，
n = 1，16，64，实际常采用n = 16。在同步通信时，波特率因子n必须

一、 逻辑组成模型
设备功能区：
– 完成器件所担负的测控功能。产生器件消息（Device Dependent Message） 通过接口编码送上Bus；同时也接受由接口译码的别的器件发出的器件消息。
接口功能区：
– 实现器件间的匹配连接（机械、电气、功能，运行）用以管理和控制器件消 息的传递。
– 接口消息：由接口功能接受，并据之改变状态的消息（Interface Massages）
（1）读操作过程 主模块发出地址，继而发出读命令MRDC或者IORC， 然后从模块把数据置于数据总线上，随后从模块发出响 应信号XACK。
精选课件PPT
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（2）写操作过程
主模块首先发出地址，同时还把数据置于数据总线上。 主模块发出写命令MWTC或IOWC。从模块从数据线 上读取数据，随后发出响应信号XACK。
，除非改变了数据源的状态。控制器在时启动对R线上数据的接 收动作。
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（2）P2连接器 P2连接器总线包括各种电源引脚、10MHz差分时钟、2条并列ECL触发线、8条并行 TTL触发线、模块识别线、24条本地总线、模拟相加线等。 1）CLK10
CLK10是10MHz系统时钟。它源于0号槽并分配至1～12号槽的P2上。0号槽的输 出是差分ECL信号，经背板缓冲后作为单源和单目标差分ECL信号分配至各模块插 槽。CLK10在背板上是被单独缓冲的。 2）MODID
远地消息：凡通过总线传来的消息称为远地消息。设备消息与接口 消息都属于远地消息。规定用三个大写字母表示。
本地消息：在一台内部的设备功能与接口功能之间传递的消息称为 本地消息。分为两种，一种由设备发往接口功能的本地消息（IEC625对这类本地消息作了规定）。还有一种是由接口功能发往设备功 能的消息（没有作规定）。