第四章總線和接口技術(shù)

第四章

總線和接口技術(shù)

4.1I2C總線接口實例

圖4-1

MSP430x41x與I2C總線器件LM92、AT2402接口電路原理圖

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

圖4-2

I2C總線基本數(shù)據(jù)操作的時序

圖4-3

X24C04與51單片機接口

4.1.2總線和接口概述

總線的分類

按相對于CPU或其他芯片的位置；

按總線的功能；

按總線的層次結(jié)構(gòu)；

按總線在微機系統(tǒng)中的位置；

系統(tǒng)總線；

局部總線；

總線的主要參數(shù)

總線的帶寬

總線的位寬

總線的工作時鐘頻率

4.2總線標準

任何一個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)備都分別用一組線路與CPU直接連接，那么連線將會錯綜復(fù)雜，甚至難以實現(xiàn)。為了簡化硬件電路設(shè)計、簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，常用一組線路，配置以適當(dāng)?shù)慕涌陔娐?，與各部件和外圍設(shè)備連接，這組共用的連接線路被稱為總線。采用總線結(jié)構(gòu)便于部件和設(shè)備的擴充，尤其制定了統(tǒng)一的總線標準則容易使不同設(shè)備間實現(xiàn)互連。

4.2.1內(nèi)部集成（I2C）總線

I2C總線是由數(shù)據(jù)線SDA和時鐘SCL構(gòu)成的串行總線，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)在這條總線上，每個電路和模塊都有唯一的地址I2C總線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)出的控制信號分為地址碼和控制量兩部分，地址碼用來選址，即接通需要控制的電路，確定控制的種類；控制量決定該調(diào)整的類別（如對比度、亮度等）及需要調(diào)整的量。

I2C總線在傳送數(shù)據(jù)過程中共有三種類型信號，

它們分別是：開始信號、結(jié)束信號和應(yīng)答信號。

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

結(jié)束信號：SCL為低電平時，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：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

SPI（SerialPeripheralInterface，串行外設(shè)接口）總線系統(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)動器、A/D轉(zhuǎn)換器和MCU等以串行方式進行通信以交換信息。

圖4-4

SPI總線組成

圖4-5

SPI總線接口原理圖

4.2.3PCI總線

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

PCI即插即用的實現(xiàn)

PCI中斷共享的實現(xiàn)

4.2.4USB總線

通用串行總線（UniversalSerialBusUSB），是一種快速、靈活的總線接口。與其他通信接口比較，USB接口的最大特點是易于使用。作為一種高速總線接口，USB適用于多種設(shè)備，比如數(shù)碼相機、MP3播放機、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，并且所有的配置過程都由系統(tǒng)自動完成，無需用戶干預(yù)。數(shù)據(jù)傳輸速率高是USB接口的另一特點。

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

帶USB接口的單片機從應(yīng)用上又可以分成兩類，一類是從底層設(shè)計專用于USB控制的單片機，比如Cypress公司的CY7C63513、

CY7C64013，但由于價格、開發(fā)工具以及單片機性能有限等問題，所以一般不推薦選用。

另一類是增加了USB接口的普通單片機，例如Intel公司的8X931（基于8051）、8X930（基于高速、增強的8051）、Cypress公司的EZ-USB（基于8051），選擇這類USB控制器的最大好處在于開發(fā)者對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令集非常熟悉，開發(fā)工具簡單，但對于簡單或低成本系統(tǒng)，價格高昂將會是最大的障礙。

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

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

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

CAN是一種共享的廣播總線（即所有的節(jié)點都能夠接收傳輸信息），支持數(shù)據(jù)速率高達1Mbps。由于所有的節(jié)點接收全部發(fā)送信息，因此，信息不能夠送達某個指定節(jié)點。但是，在CAN總線的硬件部分提供了本地地址過濾，允許各個節(jié)點僅對所關(guān)心的信息進行相應(yīng)的處理。

CAN總線標準包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層，其中鏈路層定義了不同的信息類型、總線訪問的仲裁規(guī)則及故障檢測與故障處理的方式。

目前有兩種CAN總線協(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位標識，CAN2.0B除了支持11位標識外，還能夠接受擴展的29位標識。為了符合CAN2.0B，CAN控制器必須支持被動2.0B或主動2.0B。被動2.0B控制器忽略擴展的29位標識信息（CAN2.0A控制器在接收29位標識時，將產(chǎn)生幀錯誤），主動CAN2.0B控制器能夠接收和發(fā)送擴展信息幀。

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準。RS-232采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊。

為改進RS-232通信距離短、速率低的缺點，RS-422定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到10Mb/s，傳輸距離延長到4000英尺（速率低于100kb/s時），并允許在一條平衡總線上連接最多10個接收器。RS-485標準，增加了多點、雙向通信能力，即允許多個發(fā)送器連接到同一條總線上，同時增加了發(fā)送器的驅(qū)動能力和沖突保護特性，擴展了總線共模范圍，

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

旁路保護電路

4.3.2并行接口

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

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

1.簡單的并行輸入/輸出接口

1)簡單并行輸入接口

◆穩(wěn)定量的輸入

◆變化量的輸入

2)簡單并行輸出接口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)實現(xiàn)兩點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)對一個紅外輻射源進行調(diào)制后發(fā)射紅外信號，而接收系統(tǒng)用光學(xué)裝置和紅外探測器進行接收，就構(gòu)成紅外通信系統(tǒng)。

紅外通信的特點是：保密性強、信息容量大、結(jié)構(gòu)簡單，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，適用于國防邊界哨所與哨所在之間的保密通信，但在野外使用時易受氣候的影響。

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)機流程

4.3.4藍牙接口

藍牙技術(shù)使得配備有藍牙功能模塊的設(shè)備能方便的構(gòu)成藍牙微網(wǎng)（Picnet）和藍牙散射網(wǎng)（Scatternet）形成個人身邊的無線區(qū)域型網(wǎng)絡(luò)，從而共享同一個電話簿、電子郵件地址簿、電子秘書記事簿和更復(fù)雜的數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，并且和家居或辦公室的固定設(shè)備連接起來，利用它們更強大的數(shù)據(jù)處理功能和信息輸入/輸出功能，實現(xiàn)特定的需求。其設(shè)備之間可以自動進行聯(lián)絡(luò)和確認，從而通過相應(yīng)的控制軟件進一步建立通信連接，實現(xiàn)相互間語音和文本數(shù)據(jù)的傳輸。

1.藍牙技術(shù)標準

藍牙協(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線跳頻（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.藍牙接口模塊及應(yīng)用

圖4-21藍牙硬件模塊結(jié)構(gòu)

藍牙模塊的應(yīng)用

:無線連接取代電纜

多功能電話

家庭信息網(wǎng)絡(luò)

互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)橋及局域網(wǎng)訪問

數(shù)字影像服務(wù)

智能汽車系統(tǒng)應(yīng)用

移動辦公和電子商務(wù)

4.3.5GPRS接口

GPRS是利用“包交換”（Packet-Switched）的概念發(fā)展起來的一套無線傳輸方式。

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

GPRS通過路由管理來進行尋址和建立數(shù)據(jù)連接，而GPRS的路由管理表現(xiàn)在以下三方面：移動終端發(fā)送數(shù)據(jù)的路由建立；移動終端接收數(shù)據(jù)的路由建立；以及移動終端處于漫游時數(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（SGSN）和網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點（GGSN）等新部件而構(gòu)成的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，其用戶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終端通過接口從客戶系統(tǒng)中取出用戶數(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AT指令初始化GPRS無線模塊，使之附著在GPRS網(wǎng)上，獲得網(wǎng)絡(luò)運營商動態(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RS232串口向客戶系統(tǒng)收發(fā)數(shù)據(jù)或指令；控制模塊通過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)遠程控制指令采取其他操作。

2)TCP/IP模塊

TCP/IP模塊通過RS232串口與GPRS無線模塊通