第四章總線(xiàn)和接口技術(shù)

第四章

總線(xiàn)和接口技術(shù)

4.1I2C總線(xiàn)接口實(shí)例

圖4-1

MSP430x41x與I2C總線(xiàn)器件LM92、AT2402接口電路原理圖

使用41系列單片機(jī)的P6.6產(chǎn)生I2C總線(xiàn)的時(shí)序同步信號(hào)；使用P6.7完成I2C總線(xiàn)的串行數(shù)據(jù)輸入輸出；利用P2.0接收LM92產(chǎn)生的中斷信號(hào)?；贗2C總線(xiàn)規(guī)范，通過(guò)對(duì)LM92的A0、A1和AT240的A0、A1、A2設(shè)定不同的器件地址，兩個(gè)器件可以共用SCL、SDA。

圖4-2

I2C總線(xiàn)基本數(shù)據(jù)操作的時(shí)序

圖4-3

X24C04與51單片機(jī)接口

4.1.2總線(xiàn)和接口概述

總線(xiàn)的分類(lèi)

按相對(duì)于CPU或其他芯片的位置；

按總線(xiàn)的功能；

按總線(xiàn)的層次結(jié)構(gòu)；

按總線(xiàn)在微機(jī)系統(tǒng)中的位置；

系統(tǒng)總線(xiàn)；

局部總線(xiàn)；

總線(xiàn)的主要參數(shù)

總線(xiàn)的帶寬

總線(xiàn)的位寬

總線(xiàn)的工作時(shí)鐘頻率

4.2總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)

任何一個(gè)微處理器都要與一定數(shù)量的部件和外圍設(shè)備連接，但如果將各部件和每一種外圍設(shè)備都分別用一組線(xiàn)路與CPU直接連接，那么連線(xiàn)將會(huì)錯(cuò)綜復(fù)雜，甚至難以實(shí)現(xiàn)。為了簡(jiǎn)化硬件電路設(shè)計(jì)、簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，常用一組線(xiàn)路，配置以適當(dāng)?shù)慕涌陔娐?，與各部件和外圍設(shè)備連接，這組共用的連接線(xiàn)路被稱(chēng)為總線(xiàn)。采用總線(xiàn)結(jié)構(gòu)便于部件和設(shè)備的擴(kuò)充，尤其制定了統(tǒng)一的總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)則容易使不同設(shè)備間實(shí)現(xiàn)互連。

4.2.1內(nèi)部集成（I2C）總線(xiàn)

I2C總線(xiàn)是由數(shù)據(jù)線(xiàn)SDA和時(shí)鐘SCL構(gòu)成的串行總線(xiàn)，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在CPU與被控IC之間、IC與IC之間進(jìn)行雙向傳送，最高傳送速率100kbps。

各種被控制電路均并聯(lián)在這條總線(xiàn)上，每個(gè)電路和模塊都有唯一的地址I2C總線(xiàn)上并接的每一模塊電路既是主控器（或被控器），又是發(fā)送器（或接收器）CPU發(fā)出的控制信號(hào)分為地址碼和控制量?jī)刹糠?，地址碼用來(lái)選址，即接通需要控制的電路，確定控制的種類(lèi)；控制量決定該調(diào)整的類(lèi)別（如對(duì)比度、亮度等）及需要調(diào)整的量。

I2C總線(xiàn)在傳送數(shù)據(jù)過(guò)程中共有三種類(lèi)型信號(hào)，

它們分別是：開(kāi)始信號(hào)、結(jié)束信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)。

開(kāi)始信號(hào)：SCL為高電平時(shí)，SDA由高電平向低電平跳變，開(kāi)始傳送數(shù)據(jù)。

結(jié)束信號(hào)：SCL為低電平時(shí)，SDA由低電平向高電平跳變，結(jié)束傳送數(shù)據(jù)。

應(yīng)答信號(hào)：接收數(shù)據(jù)的IC在接收到8bit數(shù)據(jù)后，向發(fā)送數(shù)據(jù)的IC發(fā)出特定的低電平脈沖，表示已收到數(shù)據(jù)。

4.2.2串行外圍設(shè)備接口（SPI）總線(xiàn)

SPI（SerialPeripheralInterface，串行外設(shè)接口）總線(xiàn)系統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口，它可以使MCU與各種外圍設(shè)備FLASHRAM、網(wǎng)絡(luò)控制器、LCD顯示驅(qū)動(dòng)器、A/D轉(zhuǎn)換器和MCU等以串行方式進(jìn)行通信以交換信息。

圖4-4

SPI總線(xiàn)組成

圖4-5

SPI總線(xiàn)接口原理圖

4.2.3PCI總線(xiàn)

PCI總線(xiàn)是一種不依附于某個(gè)具體處理器的局部總線(xiàn)。從結(jié)構(gòu)上看，PCI是在CPU和原來(lái)的系統(tǒng)總線(xiàn)之間插入的一級(jí)總線(xiàn)，具體由一個(gè)橋接電路實(shí)現(xiàn)對(duì)這一層的管理，并實(shí)現(xiàn)上下之間的接口以協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的傳送。

PCI即插即用的實(shí)現(xiàn)

PCI中斷共享的實(shí)現(xiàn)

4.2.4USB總線(xiàn)

通用串行總線(xiàn)（UniversalSerialBusUSB），是一種快速、靈活的總線(xiàn)接口。與其他通信接口比較，USB接口的最大特點(diǎn)是易于使用。作為一種高速總線(xiàn)接口，USB適用于多種設(shè)備，比如數(shù)碼相機(jī)、MP3播放機(jī)、高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備等。易于使用還表現(xiàn)在USB接口支持熱插拔，并且所有的配置過(guò)程都由系統(tǒng)自動(dòng)完成，無(wú)需用戶(hù)干預(yù)。數(shù)據(jù)傳輸速率高是USB接口的另一特點(diǎn)。

USB控制器主要有兩種：帶USB接口的單片機(jī)（MCU）或純粹的USB接口芯片。

帶USB接口的單片機(jī)從應(yīng)用上又可以分成兩類(lèi)，一類(lèi)是從底層設(shè)計(jì)專(zhuān)用于USB控制的單片機(jī)，比如Cypress公司的CY7C63513、

CY7C64013，但由于價(jià)格、開(kāi)發(fā)工具以及單片機(jī)性能有限等問(wèn)題，所以一般不推薦選用。

另一類(lèi)是增加了USB接口的普通單片機(jī)，例如Intel公司的8X931（基于8051）、8X930（基于高速、增強(qiáng)的8051）、Cypress公司的EZ-USB（基于8051），選擇這類(lèi)USB控制器的最大好處在于開(kāi)發(fā)者對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令集非常熟悉，開(kāi)發(fā)工具簡(jiǎn)單，但對(duì)于簡(jiǎn)單或低成本系統(tǒng)，價(jià)格高昂將會(huì)是最大的障礙。

純粹的USB接口芯片僅處理USB通信，必須有一個(gè)外部微處理器來(lái)進(jìn)行協(xié)議處理和數(shù)據(jù)交換。

USB接口芯片的主要特點(diǎn)是價(jià)格便宜、接口方便、可靠性高，尤其適合于產(chǎn)品的改型設(shè)計(jì)

典型產(chǎn)品有Philips公司的PDIUSBD11（I2C接口）、PDIUSBD12（并行接口），NS公司的USBN9603/9604（并行接口），NetChip公司的NET2888等。

4.2.5CAN總線(xiàn)

CAN是一種共享的廣播總線(xiàn)（即所有的節(jié)點(diǎn)都能夠接收傳輸信息），支持?jǐn)?shù)據(jù)速率高達(dá)1Mbps。由于所有的節(jié)點(diǎn)接收全部發(fā)送信息，因此，信息不能夠送達(dá)某個(gè)指定節(jié)點(diǎn)。但是，在CAN總線(xiàn)的硬件部分提供了本地地址過(guò)濾，允許各個(gè)節(jié)點(diǎn)僅對(duì)所關(guān)心的信息進(jìn)行相應(yīng)的處理。

CAN總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層，其中鏈路層定義了不同的信息類(lèi)型、總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)的仲裁規(guī)則及故障檢測(cè)與故障處理的方式。

目前有兩種CAN總線(xiàn)協(xié)議：CAN1.0和CAN2.0，其中CAN2.0有兩種形式：A和B。CAN1.0和CAN2.0A規(guī)定了11位標(biāo)識(shí)，CAN2.0B除了支持11位標(biāo)識(shí)外，還能夠接受擴(kuò)展的29位標(biāo)識(shí)。為了符合CAN2.0B，CAN控制器必須支持被動(dòng)2.0B或主動(dòng)2.0B。被動(dòng)2.0B控制器忽略擴(kuò)展的29位標(biāo)識(shí)信息（CAN2.0A控制器在接收29位標(biāo)識(shí)時(shí)，將產(chǎn)生幀錯(cuò)誤），主動(dòng)CAN2.0B控制器能夠接收和發(fā)送擴(kuò)展信息幀。

4.3接口

4.3.1串行通信接口RS-232、RS-422和RS-485

RS-232被定義為一種在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端標(biāo)準(zhǔn)。RS-232采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊。

為改進(jìn)RS-232通信距離短、速率低的缺點(diǎn)，RS-422定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到10Mb/s，傳輸距離延長(zhǎng)到4000英尺（速率低于100kb/s時(shí)），并允許在一條平衡總線(xiàn)上連接最多10個(gè)接收器。RS-485標(biāo)準(zhǔn)，增加了多點(diǎn)、雙向通信能力，即允許多個(gè)發(fā)送器連接到同一條總線(xiàn)上，同時(shí)增加了發(fā)送器的驅(qū)動(dòng)能力和沖突保護(hù)特性，擴(kuò)展了總線(xiàn)共模范圍，

圖4-6

RS-323連接器DB25引腳圖圖4-7傳輸電壓范圍

圖4-8典型的RS-422四線(xiàn)接口圖4-9DB9連接器引腳定義

圖4-10省電匹配方式圖4-11采用二極管的匹配方法

圖4-16偏置電路圖4-17

旁路保護(hù)電路

4.3.2并行接口

微型計(jì)算機(jī)與外圍設(shè)備之間同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩位以上數(shù)據(jù)信息傳送稱(chēng)為并行通信。實(shí)現(xiàn)并行通信的接口就是并行接口。并行接口可設(shè)計(jì)為只作為輸入/輸出接口，也可設(shè)計(jì)為既作為輸入又作為輸出的接口。它可以用兩種方法實(shí)現(xiàn)，一種是利用同一個(gè)接口中的兩個(gè)通路，一個(gè)作輸入通路，一個(gè)作輸出通路；另一種使用同一個(gè)雙向通路，既作為輸入又作為輸出。

并行接口的特點(diǎn)是在多根據(jù)數(shù)據(jù)線(xiàn)上，以數(shù)據(jù)字節(jié)（字）為單位與設(shè)備或控制對(duì)象傳送信息，并行接口適用于近距離傳送的場(chǎng)合。由于各種I/O設(shè)備和被控對(duì)象多為并行數(shù)據(jù)線(xiàn)連接，CPU用并行口來(lái)組成應(yīng)用系統(tǒng)很方便。

1.簡(jiǎn)單的并行輸入/輸出接口

1)簡(jiǎn)單并行輸入接口

◆穩(wěn)定量的輸入

◆變化量的輸入

2)簡(jiǎn)單并行輸出接口2.雙向輸入/輸出并行接口3.帶有應(yīng)答信號(hào)的輸入/輸出接口4.采用中斷方式的輸入/輸出接口4.3.3紅外通信接口

紅外通信是利用紅外技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)間的近距離保密通信和信息轉(zhuǎn)發(fā)。它一般由紅外發(fā)射和接收系統(tǒng)兩部分組成。發(fā)射系統(tǒng)對(duì)一個(gè)紅外輻射源進(jìn)行調(diào)制后發(fā)射紅外信號(hào)，而接收系統(tǒng)用光學(xué)裝置和紅外探測(cè)器進(jìn)行接收，就構(gòu)成紅外通信系統(tǒng)。

紅外通信的特點(diǎn)是：保密性強(qiáng)、信息容量大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，既可以是室內(nèi)使用，也可以在野外使用，由于它具有良好的方向性，適用于國(guó)防邊界哨所與哨所在之間的保密通信，但在野外使用時(shí)易受氣候的影響。

圖4-18紅外協(xié)議棧示意

圖4-19紅外數(shù)據(jù)幀格式

圖4-20紅外數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)機(jī)流程

4.3.4藍(lán)牙接口

藍(lán)牙技術(shù)使得配備有藍(lán)牙功能模塊的設(shè)備能方便的構(gòu)成藍(lán)牙微網(wǎng)（Picnet）和藍(lán)牙散射網(wǎng)（Scatternet）形成個(gè)人身邊的無(wú)線(xiàn)區(qū)域型網(wǎng)絡(luò)，從而共享同一個(gè)電話(huà)簿、電子郵件地址簿、電子秘書(shū)記事簿和更復(fù)雜的數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，并且和家居或辦公室的固定設(shè)備連接起來(lái)，利用它們更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能和信息輸入/輸出功能，實(shí)現(xiàn)特定的需求。其設(shè)備之間可以自動(dòng)進(jìn)行聯(lián)絡(luò)和確認(rèn)，從而通過(guò)相應(yīng)的控制軟件進(jìn)一步建立通信連接，實(shí)現(xiàn)相互間語(yǔ)音和文本數(shù)據(jù)的傳輸。

1.藍(lán)牙技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

藍(lán)牙協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)分底層硬件模塊、中間協(xié)議層和高層應(yīng)用三大部分。底層硬件部分包括無(wú)線(xiàn)跳頻（RF）、基帶（BB）和鏈路管理（LM）部分。中間協(xié)議層包括邏輯鏈路控制和適應(yīng)協(xié)議（L2CAP）、服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議（SDP）、串口仿真協(xié)議RFCOMM和電話(huà)通信協(xié)議（TCS）。在協(xié)議體系結(jié)構(gòu)的最上部是高層應(yīng)用的框架（Profiles）。

2.藍(lán)牙接口模塊及應(yīng)用

圖4-21藍(lán)牙硬件模塊結(jié)構(gòu)

藍(lán)牙模塊的應(yīng)用

:無(wú)線(xiàn)連接取代電纜

多功能電話(huà)

家庭信息網(wǎng)絡(luò)

互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)橋及局域網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)

數(shù)字影像服務(wù)

智能汽車(chē)系統(tǒng)應(yīng)用

移動(dòng)辦公和電子商務(wù)

4.3.5GPRS接口

GPRS是利用“包交換”（Packet-Switched）的概念發(fā)展起來(lái)的一套無(wú)線(xiàn)傳輸方式。

所謂“包交換”就是將Data封裝成許多獨(dú)立的封包，再將這些封包一一傳送出去。其作用在于只有當(dāng)有資料需要傳送時(shí)才會(huì)占用頻寬，而且可以以傳輸?shù)馁Y料量計(jì)價(jià)。

GPRS通過(guò)路由管理來(lái)進(jìn)行尋址和建立數(shù)據(jù)連接，而GPRS的路由管理表現(xiàn)在以下三方面：移動(dòng)終端發(fā)送數(shù)據(jù)的路由建立；移動(dòng)終端接收數(shù)據(jù)的路由建立；以及移動(dòng)終端處于漫游時(shí)數(shù)據(jù)路由的建立。

GPRS在GSM的基礎(chǔ)上引入了分組控制單元（PCU）、服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)（SGSN）和網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)（GGSN）等新部件而構(gòu)成的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，其用戶(hù)能夠在端到端分組方式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。具體的數(shù)據(jù)傳輸流程為：

GPRS終端通過(guò)接口從客戶(hù)系統(tǒng)中取出用戶(hù)數(shù)據(jù)；

處理后以GPRS分組數(shù)據(jù)的形式發(fā)送到GSM基站（BSS）；

分組數(shù)據(jù)經(jīng)SGSN封裝后，發(fā)送到GPRSIP骨干網(wǎng)；

若分組數(shù)據(jù)是發(fā)送到另一GPRS終端，則先發(fā)送到目的SGSN，再經(jīng)BSS發(fā)送到CPBS終端；若分組數(shù)據(jù)是發(fā)送到外部網(wǎng)絡(luò)（如Internet），則將分組數(shù)據(jù)包經(jīng)GGSN進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換后，發(fā)送到外部網(wǎng)絡(luò)。

圖4-22

GPRS終端結(jié)構(gòu)框圖

1）控制模塊

控制模塊的作用主要有：

控制模塊通過(guò)AT指令初始化GPRS無(wú)線(xiàn)模塊，使之附著在GPRS網(wǎng)上，獲得網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商動(dòng)態(tài)分配給GPRS終端的IP地址，并與目的終端或服務(wù)器之間建立連接；控制模塊通過(guò)RS232串口向客戶(hù)系統(tǒng)收發(fā)數(shù)據(jù)或指令；控制模塊通過(guò)RS232串口向TCP/IP模塊收發(fā)數(shù)據(jù)；

控制模塊自主或根據(jù)遠(yuǎn)程控制指令采取其他操作。

2)TCP/IP模塊

TCP/IP模塊通過(guò)RS232串口與GPRS無(wú)線(xiàn)模塊通