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通讯接口专题综述
[正文]:接口种类繁多，从传统的通用外围电路、rs-232、rs-422/485、modem到现在的usb、ieee 1394、internet网络芯片等，它们在不同的领域得到了广泛的应用。
数字信号的传输随着距离的增加和信号传输速率的提高，在传输线上的反射、串扰、衰减和共地噪声等影响将引起信号的畸变，从而限制了通信距离。
普通的ttl电路，由于驱动能力差，输入电阻小，灵敏度不高以及抗干扰能力差，因而信号传输的距离短。
借助接口电路，可以进行较长距离的数据传输。
通信接口（interface）按电气标准及协议来分包括rs-232、rs-422、rs485、usb等。
rs-232、rs-422与rs-485标准只对接口的电气特性做出规定，不涉及接插件、电缆或协议。
usb是近几年发展起来的新型接口标准，主要应用于高速数据传输领域。
modem芯片通常配合串行口实现数字信号与模拟信号之间的相互转换，从而可以利用电话线或电力线进行远程通信。
一、rs-232/422/485串行总线接口1、 rs-232串行总线接口
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目前rs-232是pc机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。
rs-232被定义为一种在低速率串行通信中增加通信距离的单端标准。
rs-232采取不平衡传输方式，即所谓单端通信。
典型的rs-232信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在+5～+15v，负电平在-5～-15v电平。
当无数据传输时，线上为ttl，从开始传送数据到结束，线上电平从ttl电平到rs-232电平再返回ttl电平。
接收器典型的工作电平在+3～+12v与-3～-12v。
rs-232是为点对点（即只用一对收、发设备）通信而设计的，其驱动器负载为3～7kω。
由于rs-232发送电平与接收电平的差仅为2v至3v左右，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大为约15米，最高速率为20kb/s。
所以rs-232适合本地设备之间的通信。
有关电气参数参见表1。
2、rs-422串行总线接口 rs-422由rs-232发展而来。
为改进rs-232通信距离短、速度低的缺点，rs-422定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到10mbit/s,并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器。
rs-422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范。
2.1 平衡传输rs-422的数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输。
它使用一对双绞线，将其中一线定义为a，另一线定义为b，如图2。
通常情况下，发送驱动器a、b之间的正电平在+2～+6v，是一个逻辑状态，负电平在-2～6v，是另一个逻辑状态。
另有一个信号地c，在rs-485中还有一“使能”端， “使能”端是用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。
当“使能”端起作用时，发送驱动器处于高阻状态，称作“第三态”，即它是有别于逻辑“1”与“0”的第三态。
接收器也作与发送端相应的规定，收、发端通过平衡双绞线将aa与bb对应相连，当在收端ab之间有大于+200mv的电平时，输出正逻辑电平，小于-200mv时，输出负逻辑电平。
接收器接收平衡线上的电平范围通常在200mv至6v之间。
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2.2 rs-422电气特性 rs-422标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”，它定义了接口电路的特性。
图3是典型的rs-422四线接口。
实际上还有一根信号地线，共5根线。
由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器比rs232更强的驱动能力，故允许在相同传输线上连接多个接收节点，最多可接10个节点。
即一个主设备（master），其余为从设备（salve），从设备之间不能通信，所以rs-422支持点对多的双向通信。
rs-422四线接口由于采用单独的发送和接收通道，因此不必控制数据方向，各装置之间任何必须的信号交换均可以按软件方式（xon/xoff握手）或硬件方式（一对单独的双绞线）实现。
rs-422的最大传输距离为4000英尺（约1219米），最大传输速率为10mb/s。
其平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能达到最大传输距离。
只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。
一般100米长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为1mb/s。
rs-422需要一终接电阻，要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。
在矩距离传输时可不需终接电阻，即一般在300米以下不需终接电阻。
终接电阻接在传输电缆的最远端。
（rs-422有关电气参数见表1 ）3、rs-485串行总线接口 为扩展应用范围，eia在rs-422的基础上制定了rs-485标准，增加了多点、双向通信能力，通常在要求通信距离为几十米至上千米时，广泛采用rs-485收发器。
rs-485收发器采用平衡发送和差分接收，即在发送端，驱动器将ttl电平信号转换成差分信号输出；在接收端，接收器将差分信号变成ttl电平，因此具有抑制共模干扰的能力，加上接收器具有高的灵敏度，能检测低达200mv的电压，故数据传输可达千米以外。
rs-485许多电气规定与rs-422相仿。
如都采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终接电阻等。
rs-485可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信。
而采用四线连接时，与rs-422一样只能实现点对多的通信，即只能有一个主（master）设备，其余为从设备，但它比rs-422有改进， 无论四线还是二线连接方式总线上可连接多达32个设备，sipex公司新推出的sp485r最多可支持400个节点。
rs-485与rs-422的共模输出电压是不同的。
rs-485共模输出电压在-7v至+12v之间， rs-422在-7v至+7v之间，rs-485接收器最小输入阻抗为12kω；rs-422是4kω；rs-485满足所有rs-422的规范，所以rs-485的驱动器可以用在rs-422网络中应用。
但rs-422的驱动器并不完全适用于rs-485网络。
rs-485与rs-422一样，最大传输速率为10mb/s。
当波特率为1200bps时，最大传输距离理论上可达15千米。
平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。
rs-485需要2个终接电阻，接在传输总线的两端，其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗。
在矩距离传输时可不需终接电阻，即一般在300米以下不需终接电阻（rs-485有关电气参数见表1 ）。
表 1 rs-232 /422/485接口电路特性比较规定rs-232rs-422rs-485工作方式单端差分差分节点数1收、1发1发10收1发32收最大传输电缆长度50英尺400英尺400英尺最大传输速率20kb/s 10mb/s 10mb/s最大驱动输出电压 +/-25v -0.25v～+6v -7v～+12v驱动器输出信号电平(负载最小值)负载+/-5v～+/-15v+/-2.0v+/-1.5v驱动器输出信号电平(空载最大值) 空载+/-25v+/-6v+/-6v驱动器负载阻抗(ω)3k～7k10054摆率(最大值)30v/μsn/an/a 接收器输入电压范围+/-15v-10v～+10v-7v～+12v接收器输入门限+/-3v+/-200mv+/-200mv接收器输入电阻(ω)3k～7k4k（最小）≥12k驱动器共模电压 -3v～+3v-1v～+3v接收器共模电压 -7v～+7v-7v～+12v 二、 通用串行总线接口——usb usb,全称是universal serial bus（通用串行总线），它是在1994年底由康柏、ibm、microsoft等多家公司联合制订的，但是直到1999年，usb才真正被广泛应用。
自从1994年11月11日发表了usb v0.7以后，usb接口经历了六年的发展，现在usb已经发展到了2.0版本。
1、usb总线特点 1）数据传输速率高。
usb标准接口传输速率为12mbps，最新的usb2.0支持最高速率达480mbps。
同串行端口比，usb大约快1000倍；同并行端口比，usb端口大约快50%。
2）数据传输可靠。
usb总线控制协议要求在数据发送时含有3个描叙数据类型、发送方向和终止标志、usb设备地址的数据包。
usb设备在发送数据时支持数据侦错和纠错功能，增强了数据传输的可靠性。
3）同时挂接多个usb设备。
usb可通过菊花链的形式同时挂接多个usb设备，理论上可达127个。
4）usb接口能为设备供电。
usb线缆中包含有两根电源线及两根数据线。
耗电比较少的设备可以通过usb口直接取电。
可通过usb口取电的设备又分低电量模式和高电量模式，前者最大可提供100毫安的电流，而后者则是500毫安。
5）支持热插拔。
在开机情况下，可以安全地连接或断开设备，达到真正的即插即用。
usb还具有一些新的特性，如：实时性（可以实现和一个设备之间有效的实时通信）、动态性（可以实现接口间的动态切换）、联合性（不同的而又有相近的特性的接口可以联合起来）、多能性（各个不同的接口可以使用不同的供电模式）。
2、usb接口的结构与典型应用usb接口引脚定义如图4所示。
usb接口数据传输距离不大于5米。
其典型应用如下图5所示。
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usb总线上数据传输方式有控制传输、同步传输、中断传输、块数据传输。
在图5所示系统中，usb host根据外部usb设备速度及使用特点采取不同的数据传输特点。
如通过控制传输更改键盘、鼠标属性，通过中断传输要求键盘、鼠标输入数据；通过控制传输改变显示器属性，通过块数据传输将要显示的数据送给显示器。
目前usb接口主要应用于计算机周边外部设备，可以以usb接口与计算机相联结的外设有电话、modem、键盘、光驱、摇杆、磁带机、软驱、扫描仪、打印机等。
三、modem芯片及其它 从通信距离来讲，rs-485在波特率为1200bps的条件下，最远传输距离可达15km，但更远的距离则需借助专门的modem芯片利用电话线或电力线进行远程数据传输。
1、modem通信原理 电话线或电力线传输的是模拟信号，微处理器处理的是数字信号，modem芯片实现数字信号到模拟信号及模拟信号到数字信号的转换。
利用modem芯处通过电话线进行远程通信的原理如图6所示。
来自发送端的数字信号被modem转换成模拟音频信号，利用公共电话网传输到接受端的modem上。
在接收端接收到的模拟音频信号被modem转换为相应的数字信号，传输到接收数据终端。
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2、modem通信系统操作模式 modem通信系统主要分为两种操作模式，一个叫全双工系统模式，另一个叫半双工系统模式。
两种模式可以通过电话线进行传输。
a）四根导线全双工通信方式（两根电话线） 应用方法是采用两根专用的电话线，一根电话线用于发送，另一根电话线用于接收，发送的同时可以接送。
b）两根导线半双工通信方式（一根电话线） 应用方法是采用一根专用的电话线，任何时刻只有一个方向在工作。
当一端处在发送状态时，另一端必须处在接受状态。
这样就限制了它在某些领域的应用。
c）两根导线全双工通信方式（一根电话线） 发送和接收在同一根专用电话线同时进行传输，该方法与上述半双工相比更经济。
在基于电话线的远程通信系统中，上位机一般都具有拔号功能，下位机则根据需要分为有拔号功能及无拔号功能两种。
拔号功能的实现一般要借助8250或gm16c550等通用异步收发器或专用的拔号芯片如ht9200a。
下图为一远程通信系统，上位机及下位机均有拔号功能。
其中msm7512b为oki公司的modem芯片，其数字信号端为ttl电平。
modem芯片已经广泛应用于远程通信、远程控制等场合。
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3 其它新型接口电路① ieee 1394 iee1394接口适合视频数据传输，支持外设热插拔、同步数据传输，同时可为外设提供电源。
apple称之为火线firewire，sony称之为i.link，texas instruments称之为lynx）。
目前主要用于计算机及周边设备。
② internet芯片 随着互联网时代的到来，基于internet的相关通信集成电路也纷纷面世，如webchip系列产品可方便地实现基于internet远程通信、控制，其应用原理如图8所示。
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