各種通訊接口分類

各種通訊接口分類

接口種類繁多，從傳統(tǒng)的通用外圍電路、RS-232、RS-422/485、MODEM到現(xiàn)在的USB、IEEE 1394、Internet網(wǎng)絡(luò)芯片等，它們在不同的領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
    數(shù)字信號的傳輸隨著距離的增加和信號傳輸速率的提高，在傳輸線上的反射、串?dāng)_、衰減和共地噪聲等影響將引起信號的畸變，從而限制了通信距離。普通的TTL電路，由于驅(qū)動能力差，輸入電阻小，靈敏度不高以及抗干擾能力差，因而信號傳輸?shù)木嚯x短。借助接口電路，可以進(jìn)行較長距離的數(shù)據(jù)傳輸。
    通信接口（interface）按電氣標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議來分包括RS-232、RS-422、RS485、USB等。 RS-232、RS-422與RS-485標(biāo)準(zhǔn)只對接口的電氣特性做出規(guī)定，不涉及接插件、電纜或協(xié)議。USB是近幾年發(fā)展起來的新型接口標(biāo)準(zhǔn)，主要應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域。
    MODEM芯片通常配合串行口實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號與模擬信號之間的相互轉(zhuǎn)換，從而可以利用電話線或電力線進(jìn)行遠(yuǎn)程通信。

一、RS-232/422/485串行總線接口

1、     RS-232串行總線接口

目前RS-232是PC機(jī)與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口。RS-232被定義為一種在低速率串行通信中增加通信距離的單端標(biāo)準(zhǔn)。RS-232采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通信。
    典型的RS-232信號在正負(fù)電平之間擺動，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送端驅(qū)動器輸出正電平在+5～+15V，負(fù)電平在-5～-15V電平。當(dāng)無數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，線上為TTL，從開始傳送數(shù)據(jù)到結(jié)束，線上電平從TTL電平到RS-232電平再返回TTL電平。接收器典型的工作電平在+3～+12V與-3～-12V。
    RS-232是為點(diǎn)對點(diǎn)（即只用一對收、發(fā)設(shè)備）通信而設(shè)計(jì)的，其驅(qū)動器負(fù)載為3～7kΩ。由于RS-232發(fā)送電平與接收電平的差僅為2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上雙絞線上的分布電容，其傳送距離最大為約15米，最高速率為20kb/s。所以RS-232適合本地設(shè)備之間的通信。有關(guān)電氣參數(shù)參見表1。

2、RS-422串行總線接口

    RS-422由RS-232發(fā)展而來。為改進(jìn)RS-232通信距離短、速度低的缺點(diǎn)，RS-422定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到10Mbit/s,并允許在一條平衡總線上連接最多10個(gè)接收器。RS-422是一種單機(jī)發(fā)送、多機(jī)接收的單向、平衡傳輸規(guī)范。

2.1 平衡傳輸

RS-422的數(shù)據(jù)信號采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸。它使用一對雙絞線，將其中一線定義為A，另一線定義為B，如圖2。
    通常情況下，發(fā)送驅(qū)動器A、B之間的正電平在+2～+6V，是一個(gè)邏輯狀態(tài)，負(fù)電平在-2～6V，是另一個(gè)邏輯狀態(tài)。另有一個(gè)信號地C，在RS-485中還有一“使能”端， “使能”端是用于控制發(fā)送驅(qū)動器與傳輸線的切斷與連接。當(dāng)“使能”端起作用時(shí)，發(fā)送驅(qū)動器處于高阻狀態(tài)，稱作“第三態(tài)”，即它是有別于邏輯“1”與“0”的第三態(tài)。
    接收器也作與發(fā)送端相應(yīng)的規(guī)定，收、發(fā)端通過平衡雙絞線將AA與BB對應(yīng)相連，當(dāng)在收端AB之間有大于+200mV的電平時(shí)，輸出正邏輯電平，小于-200mV時(shí)，輸出負(fù)邏輯電平。接收器接收平衡線上的電平范圍通常在200mV至6V之間。

2.2 RS-422電氣特性

    RS-422標(biāo)準(zhǔn)全稱是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”，它定義了接口電路的特性。圖3是典型的RS-422四線接口。實(shí)際上還有一根信號地線，共5根線。由于接收器采用高輸入阻抗和發(fā)送驅(qū)動器比RS232更強(qiáng)的驅(qū)動能力，故允許在相同傳輸線上連接多個(gè)接收節(jié)點(diǎn)，最多可接10個(gè)節(jié)點(diǎn)。即一個(gè)主設(shè)備（Master），其余為從設(shè)備（Salve），從設(shè)備之間不能通信，所以RS-422支持點(diǎn)對多的雙向通信。RS-422四線接口由于采用單獨(dú)的發(fā)送和接收通道，因此不必控制數(shù)據(jù)方向，各裝置之間任何必須的信號交換均可以按軟件方式（XON/XOFF握手）或硬件方式（一對單獨(dú)的雙絞線）實(shí)現(xiàn)。
    RS-422的最大傳輸距離為4000英尺（約1219米），最大傳輸速率為10Mb/s。其平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能達(dá)到最大傳輸距離。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率僅為1Mb/s。
   RS-422需要一終接電阻，要求其阻值約等于傳輸電纜的特性阻抗。在矩距離傳輸時(shí)可不需終接電阻，即一般在300米以下不需終接電阻。終接電阻接在傳輸電纜的最遠(yuǎn)端。 （RS-422有關(guān)電氣參數(shù)見表1 ）

3、RS-485串行總線接口

    為擴(kuò)展應(yīng)用范圍，EIA在RS-422的基礎(chǔ)上制定了RS-485標(biāo)準(zhǔn)，增加了多點(diǎn)、雙向通信能力，通常在要求通信距離為幾十米至上千米時(shí)，廣泛采用RS-485收發(fā)器。
    RS-485收發(fā)器采用平衡發(fā)送和差分接收，即在發(fā)送端，驅(qū)動器將TTL電平信號轉(zhuǎn)換成差分信號輸出；在接收端，接收器將差分信號變成TTL電平，因此具有抑制共模干擾的能力，加上接收器具有高的靈敏度，能檢測低達(dá)200mV的電壓，故數(shù)據(jù)傳輸可達(dá)千米以外。
    RS-485許多電氣規(guī)定與RS-422相仿。如都采用平衡傳輸方式、都需要在傳輸線上接終接電阻等。RS-485可以采用二線與四線方式，二線制可實(shí)現(xiàn)真正的多點(diǎn)雙向通信。而采用四線連接時(shí)，與RS-422一樣只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對多的通信，即只能有一個(gè)主（Master）設(shè)備，其余為從設(shè)備，但它比RS-422有改進(jìn)， 無論四線還是二線連接方式總線上可連接多達(dá)32個(gè)設(shè)備，SIPEX公司新推出的SP485R最多可支持400個(gè)節(jié)點(diǎn)。
    RS-485與RS-422的共模輸出電壓是不同的。RS-485共模輸出電壓在-7V至+12V之間， RS-422在-7V至+7V之間，RS-485接收器最小輸入阻抗為12KΩ；RS-422是4kΩ；RS-485滿足所有RS-422的規(guī)范，所以RS-485的驅(qū)動器可以用在RS-422網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。但RS-422的驅(qū)動器并不完全適用于RS-485網(wǎng)絡(luò)。
    RS-485與RS-422一樣，最大傳輸速率為10Mb/s。當(dāng)波特率為1200bps時(shí)，最大傳輸距離理論上可達(dá)15千米。平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能使用規(guī)定最長的電纜長度。
    RS-485需要2個(gè)終接電阻，接在傳輸總線的兩端，其阻值要求等于傳輸電纜的特性阻抗。在矩距離傳輸時(shí)可不需終接電阻，即一般在300米以下不需終接電阻（RS-485有關(guān)電氣參數(shù)見表1 ）。

表 1 RS-232 /422/485接口電路特性比較

二、 通用串行總線接口——USB

    USB,全稱是Universal Serial Bus（通用串行總線），它是在1994年底由康柏、IBM、Microsoft等多家公司聯(lián)合制訂的，但是直到1999年，USB才真正被廣泛應(yīng)用。自從1994年11月11日發(fā)表了USB V0.7以后，USB接口經(jīng)歷了六年的發(fā)展，現(xiàn)在USB已經(jīng)發(fā)展到了2.0版本。

1、USB總線特點(diǎn)
   1）數(shù)據(jù)傳輸速率高。USB標(biāo)準(zhǔn)接口傳輸速率為12Mbps，最新的USB2.0支持最高速率達(dá)480Mbps。同串行端口比，USB大約快1000倍；同并行端口比，USB端口大約快50%。
   2）數(shù)據(jù)傳輸可靠。USB總線控制協(xié)議要求在數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)含有3個(gè)描敘數(shù)據(jù)類型、發(fā)送方向和終止標(biāo)志、USB設(shè)備地址的數(shù)據(jù)包。USB設(shè)備在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)支持?jǐn)?shù)據(jù)偵錯(cuò)和糾錯(cuò)功能，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?BR>   3）同時(shí)掛接多個(gè)USB設(shè)備。USB可通過菊花鏈的形式同時(shí)掛接多個(gè)USB設(shè)備，理論上可達(dá)127個(gè)。
   4）USB接口能為設(shè)備供電。USB線纜中包含有兩根電源線及兩根數(shù)據(jù)線。耗電比較少的設(shè)備可以通過USB口直接取電�？赏ㄟ^USB口取電的設(shè)備又分低電量模式和高電量模式，前者最大可提供100毫安的電流，而后者則是500毫安。
   5）支持熱插拔。在開機(jī)情況下，可以安全地連接或斷開設(shè)備，達(dá)到真正的即插即用。
    USB還具有一些新的特性，如：實(shí)時(shí)性（可以實(shí)現(xiàn)和一個(gè)設(shè)備之間有效的實(shí)時(shí)通信）、動態(tài)性（可以實(shí)現(xiàn)接口間的動態(tài)切換）、聯(lián)合性（不同的而又有相近的特性的接口可以聯(lián)合起來）、多能性（各個(gè)不同的接口可以使用不同的供電模式）。

2、USB接口的結(jié)構(gòu)與典型應(yīng)用

USB接口引腳定義如圖4所示。USB接口數(shù)據(jù)傳輸距離不大于5米。其典型應(yīng)用如下圖5所示。

USB總線上數(shù)據(jù)傳輸方式有控制傳輸、同步傳輸、中斷傳輸、塊數(shù)據(jù)傳輸。在圖5所示系統(tǒng)中，USB HOST根據(jù)外部USB設(shè)備速度及使用特點(diǎn)采取不同的數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn)。如通過控制傳輸更改鍵盤、鼠標(biāo)屬性，通過中斷傳輸要求鍵盤、鼠標(biāo)輸入數(shù)據(jù)；通過控制傳輸改變顯示器屬性，通過塊數(shù)據(jù)傳輸將要顯示的數(shù)據(jù)送給顯示器。
    目前USB接口主要應(yīng)用于計(jì)算機(jī)周邊外部設(shè)備，可以以USB接口與計(jì)算機(jī)相聯(lián)結(jié)的外設(shè)有電話、Modem、鍵盤、光驅(qū)、搖桿、磁帶機(jī)、軟驅(qū)、掃描儀、打印機(jī)等。

三、MODEM芯片及其它
    從通信距離來講，RS-485在波特率為1200bps的條件下，最遠(yuǎn)傳輸距離可達(dá)15km，但更遠(yuǎn)的距離則需借助專門的MODEM芯片利用電話線或電力線進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。
1、MODEM通信原理
   電話線或電力線傳輸?shù)氖悄�擬信號，微處理器處理的是數(shù)字信號，MODEM芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號到模擬信號及模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。利用MODEM芯處通過電話線進(jìn)行遠(yuǎn)程通信的原理如圖6所示。來自發(fā)送端的數(shù)字信號被Modem轉(zhuǎn)換成模擬音頻信號，利用公共電話網(wǎng)傳輸?shù)浇邮芏说腗odem上。在接收端接收到的模擬音頻信號被Modem轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號，傳輸?shù)浇邮諗?shù)據(jù)終端。

2、MODEM通信系統(tǒng)操作模式

    MODEM通信系統(tǒng)主要分為兩種操作模式，一個(gè)叫全雙工系統(tǒng)模式，另一個(gè)叫半雙工系統(tǒng)模式。兩種模式可以通過電話線進(jìn)行傳輸。
    A）四根導(dǎo)線全雙工通信方式（兩根電話線）
       應(yīng)用方法是采用兩根專用的電話線，一根電話線用于發(fā)送，另一根電話線用于接收，發(fā)送的同時(shí)可以接送。
    B）兩根導(dǎo)線半雙工通信方式（一根電話線）
       應(yīng)用方法是采用一根專用的電話線，任何時(shí)刻只有一個(gè)方向在工作。當(dāng)一端處在發(fā)送狀態(tài)時(shí)，另一端必須處在接受狀態(tài)。這樣就限制了它在某些領(lǐng)域的應(yīng)用。
    C）兩根導(dǎo)線全雙工通信方式（一根電話線）
       發(fā)送和接收在同一根專用電話線同時(shí)進(jìn)行傳輸，該方法與上述半雙工相比更經(jīng)濟(jì)。
       在基于電話線的遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)中，上位機(jī)一般都具有拔號功能，下位機(jī)則根據(jù)需要分為有拔號功能及無拔號功能兩種。拔號功能的實(shí)現(xiàn)一般要借助8250或GM16C550等通用異步收發(fā)器或?qū)Ｓ玫陌翁栃酒�如HT9200A。下圖為一遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)，上位機(jī)及下位機(jī)均有拔號功能。其中MSM7512B為OKI公司的MODEM芯片，其數(shù)字信號端為TTL電平。
       MODEM芯片已經(jīng)廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程通信、遠(yuǎn)程控制等場合。

3 其它新型接口電路

① IEEE 1394
   IEE1394接口適合視頻數(shù)據(jù)傳輸，支持外設(shè)熱插拔、同步數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)可為外設(shè)提供電源。Apple稱之為火線FireWire，Sony稱之為i.Link，Texas Instruments稱之為Lynx）。目前主要用于計(jì)算機(jī)及周邊設(shè)備。
② INTERNET芯片
   隨著互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來，基于INTERNET的相關(guān)通信集成電路也紛紛面世，如webchip系列產(chǎn)品可方便地實(shí)現(xiàn)基于INTERNET遠(yuǎn)程通信、控制，其應(yīng)用原理如圖8所示。

≥12K

驅(qū)動器共模電壓

-3V～+3V

-1V～+3V

接收器共模電壓

-7V～+7V

-7V～+12V

二、 通用串行總線接口——USB

    USB,全稱是Universal Serial Bus（通用串行總線），它是在1994年底由康柏、IBM、Microsoft等多家公司聯(lián)合制訂的，但是直到1999年，USB才真正被廣泛應(yīng)用。自從1994年11月11日發(fā)表了USB V0.7以后，USB接口經(jīng)歷了六年的發(fā)展，現(xiàn)在USB已經(jīng)發(fā)展到了2.0版本。

1、USB總線特點(diǎn)
   1）數(shù)據(jù)傳輸速率高。USB標(biāo)準(zhǔn)接口傳輸速率為12Mbps，最新的USB2.0支持最高速率達(dá)480Mbps。同串行端口比，USB大約快1000倍；同并行端口比，USB端口大約快50%。
   2）數(shù)據(jù)傳輸可靠。USB總線控制協(xié)議要求在數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)含有3個(gè)描敘數(shù)據(jù)類型、發(fā)送方向和終止標(biāo)志、USB設(shè)備地址的數(shù)據(jù)包。USB設(shè)備在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)支持?jǐn)?shù)據(jù)偵錯(cuò)和糾錯(cuò)功能，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?BR>   3）同時(shí)掛接多個(gè)USB設(shè)備。USB可通過菊花鏈的形式同時(shí)掛接多個(gè)USB設(shè)備，理論上可達(dá)127個(gè)。
   4）USB接口能為設(shè)備供電。USB線纜中包含有兩根電源線及兩根數(shù)據(jù)線。耗電比較少的設(shè)備可以通過USB口直接取電。可通過USB口取電的設(shè)備又分低電量模式和高電量模式，前者最大可提供100毫安的電流，而后者則是500毫安。
   5）支持熱插拔。在開機(jī)情況下，可以安全地連接或斷開設(shè)備，達(dá)到真正的即插即用。
    USB還具有一些新的特性，如：實(shí)時(shí)性（可以實(shí)現(xiàn)和一個(gè)設(shè)備之間有效的實(shí)時(shí)通信）、動態(tài)性（可以實(shí)現(xiàn)接口間的動態(tài)切換）、聯(lián)合性（不同的而又有相近的特性的接口可以聯(lián)合起來）、多能性（各個(gè)不同的接口可以使用不同的供電模式）。

2、USB接口的結(jié)構(gòu)與典型應(yīng)用

USB接口引腳定義如圖4所示。USB接口數(shù)據(jù)傳輸距離不大于5米。其典型應(yīng)用如下圖5所示。

USB總線上數(shù)據(jù)傳輸方式有控制傳輸、同步傳輸、中斷傳輸、塊數(shù)據(jù)傳輸。在圖5所示系統(tǒng)中，USB HOST根據(jù)外部USB設(shè)備速度及使用特點(diǎn)采取不同的數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn)。如通過控制傳輸更改鍵盤、鼠標(biāo)屬性，通過中斷傳輸要求鍵盤、鼠標(biāo)輸入數(shù)據(jù)；通過控制傳輸改變顯示器屬性，通過塊數(shù)據(jù)傳輸將要顯示的數(shù)據(jù)送給顯示器。
    目前USB接口主要應(yīng)用于計(jì)算機(jī)周邊外部設(shè)備，可以以USB接口與計(jì)算機(jī)相聯(lián)結(jié)的外設(shè)有電話、Modem、鍵盤、光驅(qū)、搖桿、磁帶機(jī)、軟驅(qū)、掃描儀、打印機(jī)等。

三、MODEM芯片及其它
    從通信距離來講，RS-485在波特率為1200bps的條件下，最遠(yuǎn)傳輸距離可達(dá)15km，但更遠(yuǎn)的距離則需借助專門的MODEM芯片利用電話線或電力線進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。
1、MODEM通信原理
   電話線或電力線傳輸?shù)氖悄�擬信號，微處理器處理的是數(shù)字信號，MODEM芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號到模擬信號及模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。利用MODEM芯處通過電話線進(jìn)行遠(yuǎn)程通信的原理如圖6所示。來自發(fā)送端的數(shù)字信號被Modem轉(zhuǎn)換成模擬音頻信號，利用公共電話網(wǎng)傳輸?shù)浇邮芏说腗odem上。在接收端接收到的模擬音頻信號被Modem轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號，傳輸?shù)浇邮諗?shù)據(jù)終端。

2、MODEM通信系統(tǒng)操作模式

    MODEM通信系統(tǒng)主要分為兩種操作模式，一個(gè)叫全雙工系統(tǒng)模式，另一個(gè)叫半雙工系統(tǒng)模式。兩種模式可以通過電話線進(jìn)行傳輸。
    A）四根導(dǎo)線全雙工通信方式（兩根電話線）
       應(yīng)用方法是采用兩根專用的電話線，一根電話線用于發(fā)送，另一根電話線用于接收，發(fā)送的同時(shí)可以接送。
    B）兩根導(dǎo)線半雙工通信方式（一根電話線）
       應(yīng)用方法是采用一根專用的電話線，任何時(shí)刻只有一個(gè)方向在工作。當(dāng)一端處在發(fā)送狀態(tài)時(shí)，另一端必須處在接受狀態(tài)。這樣就限制了它在某些領(lǐng)域的應(yīng)用。
    C）兩根導(dǎo)線全雙工通信方式（一根電話線）
       發(fā)送和接收在同一根專用電話線同時(shí)進(jìn)行傳輸，該方法與上述半雙工相比更經(jīng)濟(jì)。
       在基于電話線的遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)中，上位機(jī)一般都具有拔號功能，下位機(jī)則根據(jù)需要分為有拔號功能及無拔號功能兩種。拔號功能的實(shí)現(xiàn)一般要借助8250或GM16C550等通用異步收發(fā)器或?qū)Ｓ玫陌翁栃酒�如HT9200A。下圖為一遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)，上位機(jī)及下位機(jī)均有拔號功能。其中MSM7512B為OKI公司的MODEM芯片，其數(shù)字信號端為TTL電平。
       MODEM芯片已經(jīng)廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程通信、遠(yuǎn)程控制等場合。

3 其它新型接口電路

① IEEE 1394
   IEE1394接口適合視頻數(shù)據(jù)傳輸，支持外設(shè)熱插拔、同步數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)可為外設(shè)提供電源。Apple稱之為火線FireWire，Sony稱之為i.Link，Texas Instruments稱之為Lynx）。目前主要用于計(jì)算機(jī)及周邊設(shè)備。
② INTERNET芯片
   隨著互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來，基于INTERNET的相關(guān)通信集成電路也紛紛面世，如webchip系列產(chǎn)品可方便地實(shí)現(xiàn)基于INTERNET遠(yuǎn)程通信、控制，其應(yīng)用原理如圖8所示。