谈谈当前几种新型微机接口及其应用.pdf

33 2004 年 第 卷 第 期 i ! science -technology&application i. 概述 称重显示器常用的通讯接口规范为：rs - 232c、rs - 422c、rs - 485c， 这些接口普遍存在着数据传递慢的缺点， 尽管 rs - 422c 和 rs - 485c 与 rs - 232c 接口规范相比，克服了因为寄生电容的存在导致信 号传送距离近的弊端， 但在传递速度上的提高并不十分明显。 随着计算 机接口技术的发展， 一些新的计算机接口规范出现了， 像近几年在计算 机上应用比较广泛的 usb 通讯接口和 ieeei394 接口，在数据传递速 度上得到了较大的提升， 而且还支持外设的热插拔， 理论上 usb 可支持 上百台设备使用，ieeei394 可支持 645i2 台设备使用，而且改进的 ieeei394b 通讯距离在百米以上，其数据传递速率可达 3. 2gigabits / sec， 可见其高效性。 下面分别介绍 usb 通讯接口规范和 ieeei394 通讯 接口规范及其在称重显示器上的应用前景。 2. usb 接口规范简介 一些 pc 生产厂商为了解决日益增加的 pc 外设与有限的主板插槽 和端口间的矛盾， 制定了一种新的串行通信标准 usb。usb 技术由 文章编号 ： i003 - 5729(2004)0i - 0007 - 04 金华职业技术学院 郑惠群 济南金钟电子衡器股份有限公司 刘同海 摘要 介绍了 usb 接口、 ieeei394 接口， 设计 usb 外设的 两种方案，ieeei394 接口的几大优势，最后对 usb 和 ieeei394 接口在称重显示器上的应用进行了展望。 关键词：usb； 单片机； ieeei394； 接口； 称重显示器 ! 科 技 应 用 33 第 卷 第 期 2004 年 l ! science -technology&application 三部分组成：具有 usb 接口的 pc 系统、能够支持 usb 系统的软件和使用 usb 接口的设备。 2. l usb 接口出现的背景 在早期的计算机系统上， 常用串口、 并口、 ps / 2 等接口来连接外围设备，这些接口都需要占用计算 机的系统资源， 如中断、 i / o 地址、 dma 通道等， 并 且很容易产生冲突。无论是串口还是并口都是点对 点的连接， 一个接口仅支持一个设备， 因此每添加一 个新的外围设备就需要添加一块扩展卡插到扩展总 线上 （例如 isa、 eisa 或 pci） ， 通过它来为新的外围 设备建立一个接口，只有在系统重新启动后才能驱 动的外围设备，usb 正是为解决上述问题而发展起 来的。 2. 2 usb 的特点 与设备连接简单快捷。 所有的 usb 外围设备 接口一致， 在不关闭计算机电源的情况下， 可以直接 通过 usb 电缆同 pc 的 usb 口相连接，不必考虑资 源分配， 安装、 拆卸极为方便。 可支持多设备连接。利用菊花链形式对端口 加以扩展， 一个 usb 系统可实现多达 5 层的拓扑连 接， 最多可以连接 l27 个设备， 并且同时支持不同速 率的设备。 无须外接电源。 所有的 usb 端口都可以为连 接其上的设备提供 5v 电压， l00ma 电流， 最大可提 供 500ma 电流。因此新设备无需专门的电源， 降低 了这些设备的成本并提高了性价比， 当然 usb 设备 也可以采用自供电方式。 较强的纠错能力。usb 协议支持主机系统和 usb 设备之间的数据无损传输，通过信息包错误检 查、 数据触发器错误检查、 pid 检查、 循环冗余校验 （crc） 、 位填充来保证数据发送的正确性。 速度快。快速性能是 usb 的突出特点之一， usb2. 0 的传输速度可达 480mbps， 相当于串口速度 的 4000 多倍，特别适合于需要大量数据交换的外 设。 2. 3 usb 的分层结构 usb 通常分为 3 层，即 usb 总线接口层、usb 设备层和功能层 （见图 l） 。总线接口为主机和设备 提供物理、信令和分组的连接；设备层是 usb 系统 软件中用于对一个 usb 设备执行通常操作的部分； 功能层则通过客户软件层向主机提供附加服务。 图 l usb 的分层结构 2. 4 usb 的数据传输方式 usb 通过主机上的客户软件的内存缓冲区和 usb 设备上的端点之间的管道来传输数据。共有 4 种传输方式， 即控制传输、 同步传输、 中断传输和批 量传输。控制传输发送设备请求信息，主要用于读 取设备配置信息及设备状况、 设置设备地址、 设置设 备属性、 发送控制命令等功能； 同步传输提供了确定 的带宽和时间间隔，它被用于时间严格并具有较强 容错性的流数据传输，或者用于恒定的数据传输率 的即时应用中；中断传输主要用来支持那些偶尔需 要对少量数据进行通讯， 但服务时间却受限的设备； 批量传输主要用于大批量的数据传输，同时又没有 带宽和时间间隔的要求，usb 只在满足带宽的情况 下才能进行批量传输。 3、 设计 usb 外围设备的两种方案 目前设计 usb 外围设备有两种方案， 一种是采 用普通单片机外加 usb 接口器件， 一种是采用具有 usb 接口的单片机。 3. l 采用普通单片机外加 usb 接口器件 usb 接口器件只处理 usb 通信， 必须由一个外 部单片机来控制。 通过 usb 接口器件可以把 usb 端 口接到任何类型的单片机上， 这种实现 usb 接口的 模块化设计方法使得设计者们可以自由地选择最合 适的单片机。 目前市场上已有很多公司提供 usb 接口器件， 如 phiiips 公司的 pdiusbdll / l2，lucent 公司的 uss820 / 825，nationai 公司的 usbn9602，netchip 公司 net2888 等等。其中 phiiips 公司的 pdius- bdl2 是一款性价比很高、带并行总线的 usb 接口 器件，它集成了 sie（串行接口引擎） 、fifo （先进先 出） 存储器、 收发器及电压调节器 （见图 2） ， 可与任 何单片机实现高速并行接口；其主端点的双缓冲配 置增加了数据的吞吐量，从而可以轻松地实现实时 数据传送；可通过软件控制与 usb 的连接，支持双 ! 科 技 应 用 33 2004 年 第 卷 第 期 1 ! science -technology&application 图 3ez - usb fx2 结构框图 图 4 usb 驱动程序体系结构 电源操作， 即 3. 3 1 0. 3v 和扩展的 5v 电源； 具有高 错误恢复率 （ 99%） 的全扫描设计确保了高品质。 目前市场上提供两种封装形式，即 28 脚塑料 so 和 28 脚塑料 tssop。 图 2 pdiusbd12 结构 3. 2 采用具有 usb 接口的单片机 随着 usb 应用的日益广泛，intei、cypress 等单 片机厂商推出了具有 usb 接口的单片机， 这类单片 机的处理能力强， 有的本身就具备多路 a / d、 d / a， 采用这类单片机所构成的系统电路简单，调试方 便，电磁兼容性好，因此采用具有 usb 接口的单片 机是开发 usb 外设的较好的方案。 不过由于增加了 usb 接口，这类单片机与原来的开发系统一般是不 完全兼容的， 需要购买新的开发套件， 投资较高。 cypress 半导体公司是 usb 市场的著名厂商， 该 公 司 开 发 的 ez - usb fx2 是 世 界 上 第 一 款 usb2. 0 集成微控制器。它包括一个增强型的 8051 单片机，一个串行接口引擎（sie） ，一个 usb 收发 器， 片上 ram， fifo 存储器以及一个通用可编程接 口 （见图 3） 。 fx2 是一个全面集成的解决方案， 它占 用更少的电路板空间， 大大缩短了产品上市时间。 ezusb fx2 拥有一个独特的架构，其智能 串行接口引擎（sie） ，在硬件层上处理 usb1. 1 和 usb2. 0 协议的大部分内容，因此外设产品设计人 员不必为增加产品的 usb 功能而学习 usb 协议， 从 而使产品开发变得更加容易，同时减轻了 mcu 的 负担，使其有更多的时间去实现其它专用功能，而 让智能串行接口引 擎从硬件上保证更 高的传输率。ez - usb fx2 通用可编 程接口（gpif ） ，允 许它“无胶粘接” ， 即 可 与 任 何 asic 或 dsp 进行接合， 并且它还支持所有 通用总线标准，包 括 ata、utopia、 epp 和 pcmcia。 ezusb fx2 完全 适用于 usb2. 0， 并向下兼容 usb1. 1。 4、 ieee1394 接口规范简介及其特点 4. 1 ieee1394 简介 ieee1394 最早的名称是 firewire，当初是由 appie 于 1986 年提出的一种传输模式， 并于 1987 年 appie 推出了第一版的传输模式，1995 年又经过了 美国电机电子工程师协会（ieee）认证而成为正式 的传输标准。ieee 1394 其最初的传输速度为 100、 200 和 400mbps。后来又制定了 ieee1394a - 1995 的改良版标准，仅仅是加强了设备间的协调功能， 其传输速度并未改变，现在市场上正在使用的大多 是 ieee1394a 产品。尽管 ieee1394 近年来的应用 情况并不像预测的那样好，但由于 ieee1394 相对 于其它类似的产品， 如 usb 等具备很多更加优良的 性能， 市场还是比较看好 ieee1394 的。 4、 2 ieee1394 几大优势 具体说来，ieee1394 有六大优势，分别介绍如 下： !高度的扩充性。对 ieee1394 来说， 它并不是 一个网络标准， 它属于中心拓扑结构 （bus topoiogy ） ， 其连接方式采用 “菊花链” （mode daisy chain ） 与节 点分布的方式混合连接，另外在目前 ieee1394 的 网络结构上，每个网络（subnet）可以连接 63 个设 备，这对于未来具备网络功能的称重显示器来说， 及早熟悉这一传输标准是非常重要的，并且都具备 信号增强功能，可以将信号传输到下一个次级网 络。每一个 ieee1394“总线”中最多可以同时连接 1024 个下一级网络，这样 ieee1394 的连接设备的 容量可达 64512（1024 x 63） 台 （这是一个理论值， 实 ! 科 技 应 用 33 第 卷 第 期 2oo4 年 l !“ science -technology&application 际上也没有人对此做过验证） 。由于 ieeel394 体系 中的 6 - pin 传输接头中提供了一对电源线， 可以输 出 8 - 4ov 的电压， 其最大供电电流可达 l. 5a， 不像 usb 接口那样产生供电问题而达不到预想的 l27 台 设备连接， 只能达到 3 4 台设备就产生了问题。另 外 ieeel394 还可以使用 4 - pin 的转接线，所以还 可以利用外部电源单独供电，即使是发生供电问 题， 解决起来也简单多了。 高的传输速度。像过去的 ieeel394 已经达 到了 4oombps， 是 usbl. o 的 6o 多倍， 虽然 usb2. o 可达到 48ombps，但新的 ieeel394b 已提高到了 8oombps、l. 6gbps 和 3. 2gbps，像过去的 r232c、 422 和 485 接口与之更无法相比。 在 ieeel394b 中， 传输媒介已从同轴电缆（copper cabie）转换到了五 类线 （cat5 ） 、 光纤均可使用， 其传输电缆的长度也从 4. 5m 延长到了 lom。甚至 loom 以上，这对于与其 它设备的通讯十分有用。 支持数据的异步和同步传输。支持数据的异 步和同步传输是 ieeel394 的一大特点，异步传输 主要用于一般微电子设备的周边设备，而同步传输 主要应用于一些对时效性要求很高的使用环境中， 同步传输功能对传输大容量的数据信息时显得尤 为重要 （像影音数据等） 。 降低整体使用成本 （tco） 。 由于 ieeel394 具 有点对点 （p2p） 的传输能力， 这一点不同于 usb 的 主从结构，也就是说 ieeel394 接口所连接的设备 彼此之间就可以互相传输信息而不必通过电脑控 制设备来干预，所以它可以降低整体使用成本。点 对点的特点可以省去软件开发和信息格式转换等 工作，这样一来，也就避免了大多数使用者需要熟 悉操作，它对于 ieeel394 的推广非常有利。 ieeel394 传输的数据全程都是数字的， 这样既可减 少编辑的难度， 也提高信号传输中的抗干扰性能。 支持软件丰富、 使用方便。尽管 ieeel394 目 前还没有 usb 应用的广泛，但由于 ieeel394 本身 的优势，它必将在未来计算机应用的数据传输中占 据主导地位。 目前， windows98、 windows 2ooo、 linux 都支持 ieeel394。由于 ieeel394 具有 “热插拔” 功 能，与 usb 具有同样的使用方便性，移动和安装周 围设备时在不关闭系统的情况下就可实现。 横跨电脑平台和家电设备。这特点主要用在 电脑和家电上，可简单地将家电与电脑相连接，其 应用前景还会扩大，由于其应用与称重显示器相距 较远， 此处不在赘述。 4、 3 ieeel394 的增强版 ieeel394b 简介 l999 年 appie computer 正式推出了增强版的 ieeel394b，使其连接速度达到了 3. 2gigabits / sec， 传输距离也达到了百米以上，还兼容 ieeel394 和 ieeel394a。 现在 intei 已有将 ieeel394 集成到芯片的想 法， 将来应用这一传输规格会更为方便。 5、usb 与 ieeel394 接口在称重显示器上的应 用展望 近年来动态衡器的大量推出，对称重显示器与 外设的数据传输的速度要求越来越高，要求其支持 的终端设备越来越多， 对满足 “热插拔”