计算机串行通信接口技术.ppt

chenweisd 2010年9月 从页面右上方进入 教学共享 然后在 计算机测控技术 可下载最新课件 1 0通信 1 0 1并行通信 一组数据的各数据位在多条线上同时被传输 这种传输方式称为并行通信 1 0 1并行通信 1 0 2串行通信 串行通信指使用一条数据线 将数据一位一位地依次传输 每一位数据占据一个固定的时间长度 只需要少数几条线就可以在系统间交换信息 特别使用于计算机与计算机 计算机与外设之间的远距离通信 数据传输的同步方式 异步串行通信 AsynchronousTransmission异步传输方式又称起止式同步方式 它是以字符为单位进行同步 即每个字符都独立传输 且每一个字符的起始时刻可以是任意 每个字符在传输时都前后分别加上起始位和结束位 以表示一个字符的开始和结束 起始位和结束位的作用是实现字符同步 字符之间的间距是任意的 但发送一个字符时 每个字符包含的位数都是相同的 且每一位占用的时间长度是双方约定好的 而且保持各位都恒定不变 在异步传输方式中 当不传字符时 不要求收发时钟同步 而仅在传输字符时 收发时钟才需在字符的每一位上都同步 优点是每一个字符本身就包括了本字符的同步信息 不需要在线路两端设置专门的同步设备 使收发同步简单 缺点是每发一个字符就要添加一对起止信号 造成线路的附加开销 降低了传输效率 同步串行通信 SynchronousTransmission同步传输方式是以固定的时钟节拍来发送数据信号 数据各位的宽度相同 且字符顺序相连 字符之间没有间隙 为使接收方能够从连续不断的数据流中正确区分出每一位 比特 则需首先建立收发双方的同步时钟 在同步传输中 数据的发送一般是以一组数据或比特流为单位 在每组数据的前后加上特定字符作为起始和结束标志 同时还可以用这些标志来区分和隔离连续传输的数据 同步传输克服了异步传输方式中的每一个字符都要附加起止信号的缺点 具有较高的效率 但实现较为复杂 常用于高速数据传输 1 0 3串行通信与并行通信的比较 1 1异步串行通信 RS232个人计算机上的通讯接口之一 由电子工业协会 ElectronicIndustriesAssociation EIA 所制定的异步传输标准接口 通常RS 232接口以9个引脚 DB 9 或是25个引脚 DB 25 的型态出现 一般个人计算机上会有两组RS 232接口 分别称为COM1和COM2 EIARS 232C接口标准 是由美国电子工业协会EIA ElectronicIndustryAssociation 在1969年颁布的一种串行物理接口标准 RS RecommendedStandard 是英文 推荐标准 的缩写 232为标识号 C表示修改次数 RS 232C总线标准设有25条信号线 包括一个主通道和一个辅助通道 在多数情况下主要使用主通道 对于一般双工通信 仅需几条信号线就可实现 如一条发送线 一条接收线及一条地线 RS 232C协议简介 规定连接电缆和机械 电气特性 信号功能及传送过程1 电气特性EIA RS 232C对电器特性 逻辑电平和各种信号线功能都作了规定 在TxD和RxD上 逻辑1 MARK 3V 15V逻辑0 SPACE 3 15V在RTS CTS DSR DTR和DCD等控制线上 信号有效 接通 ON状态 正电压 3V 15V信号无效 断开 OFF状态 负电压 3V 15V EIARS 232C与TTL转换 EIARS 232C是用正负电压来表示逻辑状态 与TTL以高低电平表示逻辑状态的规定不同 电平变换的方法 可用分立元件 也可用集成电路芯片 目前较为广泛地使用集成电路转换器件 如 MC1488 SN75150芯片可完成TTL电平到EIA电平的转换 MC1489 SN75154可实现EIA电平到TTL电平的转换MAX232芯片可完成TTL EIA双向电平转换 RS 232C协议简介 2 连接器的机械特性 连接器 由于RS 232C并未定义连接器的物理特性 因此 出现了DB 25 DB 15和DB 9各种类型的连接器 其引脚的定义也各不相同 DB 9 电缆长度 在通信速率低于20kb s时 RS 232C所直接连接的最大物理距离为15m 50英尺 RS 485 RS485采用差分信号负逻辑 2V 6V表示 0 6V 2V表示 1 RS 485的数据最高传输速率为10MbpsRS 485总线 在要求通信距离为几十米到上千米时 广泛采用RS 485串行总线RS 485采用平衡发送和差分接收 因此具有抑制共模干扰的能力 加上总线收发器具有高灵敏度 能检测低至200mV的电压 故传输信号能在千米以外得到恢复 RS 485采用半双工工作方式 任何时候只能有一点处于发送状态 因此 发送电路须由使能信号加以控制 RS 485用于多点互连时非常方便 可以省掉许多信号线 应用RS 485可以联网构成分布式系统 其允许最多并联32台驱动器和32台接收器 MAX481 MAX483 MAX485 MAX487 MAX491以及MAX1487是用于RS 485与RS 422通信的低功耗收发器 每个器件中都具有一个驱动器和一个接收器 MAX483 MAX487 MAX488以及MAX489具有限摆率驱动器 可以减小EMI 并降低由不恰当的终端匹配电缆引起的反射 实现最高250kbps的无差错数据传输 MAX481 MAX485 MAX490 MAX491 MAX1487的驱动器摆率不受限制 可以实现最高2 5Mbps的传输速率 MAX481 MAX483 MAX485 MAX487 MAX1487组成的RS 485半双工网络 MAX488 MAX491组成的RS 485全双工网络 RS 422 RS 422 1 2SPI接口 SPI SerialPeripheralInterface 串行外设接口 总线系统 是一种同步串行外设接口 它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息 SPI总线系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接接口 该接口一般使用4条线 MOSI 主器件数据输出 从器件数据输入MISO 主器件数据输入 从器件数据输出SCLK 时钟信号 由主器件产生 SS 从器件使能信号 由主器件控制 1 2SPI接口 SPI接口是Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的 主要应用在EEPROM FLASH 实时时钟 AD转换器 还有数字信号处理器和数字信号解码器之间 SPI接口是在CPU和外围低速器件之间进行同步串行数据传输 在主器件的移位脉冲下 数据按位传输 高位在前 低位在后 为全双工通信 数据传输速度总体来说比I2C总线要快 速度可达到几Mbps SPI接口是以主从方式工作的 这种模式通常有一个主器件和一个或多个从器件 国产的STC12系列单片机就有SPI接口 STC12C2052AD STC12C2052AD X25043ProgrammableWatchdogSupervisoryE2PROM SPI接口时序 X25043 ReadStatusRegisterOperationSequence SPI接口时序 X25043 WriteStatusRegisterOperationSequence X25043ProgrammableWatchdogSupervisoryE2PROM SPISerialOutputTiming X25043ProgrammableWatchdogSupervisoryE2PROM SPISerialInputTiming X25043ProgrammableWatchdogSupervisoryE2PROM SPI总线程序设计 参见教材P13 1 3I2C总线 I2C Inter IntegratedCircuit 总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线 用于连接微控制器及其外围设备 版本2 1 2000购买Philips的I2C总线元件购买Philips的I2C元件同时传递了一个在Philips的I2C专利下在I2C系统使用元件使系统符合由Philips定义的I2C规范的许可证 I2C总线特点 I2C总线最主要的优点是其简单性和有效性 由于接口直接在组件之上 因此I2C总线占用的空间非常小 减少了电路板的空间和芯片管脚的数量 降低了互联成本 总线的长度可高达25英尺 并且能够以10Kbps的最大传输速率支持40个组件 I2C总线的另一个优点是 它支持多主控 multimastering 其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线 一个主控能够控制信号的传输和时钟频率 当然 在任何时间点上只能有一个主控 I2C总线的一些特征 只要求两条总线线路 串行数据线SDA 串行时钟线SCL 每个连接到总线的器件都可以通过唯一的地址和一直存在的简单的主机 从机关系软件设定地址 主机可以作为主机发送器或主机接收器 它是一个真正的多主机总线 如果两个或更多主机同时初始化数据传输 可以通过冲突检测和仲裁防止数据被破坏 串行的8位双向数据传输位速率在标准模式下可达100kbit s 快速模式下可达400kbit s 高速模式下可达3 4Mbit s 片上的滤波器可以滤去总线数据线上的毛刺波 保证数据完整 连接到相同总线的IC数量只受到总线的最大电容400pF限制 I2C应用的两个例子a 高性能的高度集成电视b DECT无绳电话基站 使用两个微控制器的I2C总线配置举例 起始和停止条件 I2C总线的位传输 I2C总线的数据传输 I2C总线的数据传输 I2C总线程序设计 1 4USB总线 通用串行总线USB universalserialbus 是由Intel Compaq Digital IBM Microsoft NEC NorthernTelecom等7家世界著名的计算机和通信公司共同推出的一种新型接口标准 USB基于通用连接技术 实现外设的简单快速连接 达到方便用户 降低成本 扩展PC连接外设范围的目的 它可以为外设提供电源 而不像普通的使用串 并口的设备需要单独的供电系统 USB优点 可以热插拔 这就让用户在使用外接设备时 不需要重复 关机 将并口或串口电缆接上 再开机 这样的动作 而是直接在PC开机时 就可以将USB电缆插上使用 携带方便 USB设备大多以 小 轻 薄 见长 对用户来说 同样20G的硬盘 USB硬盘比IDE硬盘要轻一半的重量 在想要随身携带大量数据时 当然USB硬盘会是首要之选了 标准统一 大家常见的是IDE接口的硬盘 串口的鼠标键盘 并口的打印机扫描仪 可是有了USB之后 这些应用外设统统可以用同样的标准与PC连接 这时就有了USB硬盘 USB鼠标 USB打印机 等等 可以连接多个设备 USB在PC上往往具有多个接口 可以同时连接几个设备 如果接上一个有4个端口的USBHUB时 就可以再连上4个USB设备 以此类推 尽可以连下去 将你家的设备都同时连在一台PC上而不会有任何问题 注 最高可连接至127个设备 USB包含四种基本的数据传输类型 控制传输 设备连接时用来对设备进行设置 还可对指定设备进行控制 批量传输 大批量产生并使用的数据 在传输约束下 具有很广的动态范围 中断传输 用来描述或匹配人的感觉或对特征反应的回馈 同步传输 由预先确定的传送延迟来填满预定的USB带宽 USB2 0 USB2 0将设备之间的数据传输速度增加到了480Mbps 比USB1 1标准快40倍左右 市面上USB2 0的规格有全速 Full Speed 和高速 High Speed 高速理论传输速率是480Mbps 即60MB s 全速理论传输速率是12Mbps 即1 5MB s P19 USB2 0引脚定义 USB3 0 USB3 0具有后向兼容标准 并兼具传统USB技术的易用性和即插即用功能 该技术的目标是推出比目前连接水平快10倍以上的产品 采用与有线USB相同的架构 USB3 0简要规范如下 提供了更高的每秒4 8Gb传输速度对需要更大电力支持的设备提供了更好的支撑 最大化了总线的电力供应增加了新的电源管理职能全双工数据通信 提供了更快的传输速度向下兼容USB2 0设备 USB3 0ComparingSuperSpeedtoUSB2 0 USB3 0Cable IllustrationofaUSB3 0CableCross Section USB3 0Standard AtoUSB3 0Standard BCableAssembly USB3 0Micro AtoUSB3 0Micro B Micro BPlug Micro APlug Micro Breceptacle Micro ABreceptacle 插头 插座 USB总线接口芯片CH374 CH374是一个USB总线的通用接口芯片 支持USB HOST主机方式和USB EVICE SLAVE设备方式 内置3端口HUB根集线器 支持低速和全速的控制传输 批量传输 中断传输以及同步 等时传输 在本地端 CH374具有8位数据总线和读 写 片选控制线以及中断输出 可以方便地挂接到单片机 DSP MCU MPU等控制器的系统总线上 CH374提供了节约I O引脚的SPI串行通讯方式 通过3线或者4线SPI串行接口以及中断输出与单片机 DSP MCU MPU等相连接 并口方式内置HUB连接3个设备 右图 SPI串口方式 左图 1 6CAN总线 CAN 全称为 ControllerAreaNetwork 即控制器局域网 是国际上应用最广泛的现场总线之一 CAN总线是德国BOSCH公司为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通讯协议 是交通运载工具电气系统中应用较广的总线 现在向过程工业 机械工业 机器人 数控机床 传感器等方面发展 由于技术先进 可靠性高 功能完善 成本合理 CAN bus已被广泛应用到各个自动化控制系统中 例如 在汽车电子 自动控制 智能大厦 电力系统 安防监控等各领域 1 6CAN总线 1993年11月 ISO正式颁布CAN为国际标准ISO11898 支持CAN协议的公司有Intel Motorola Philips Siemens NEC Honeywell等公司 1993年11月 ISO正式颁布CAN为国际标准ISO11898 支持CAN协议的公司有Intel Motorola Philips Siemens NEC Honeywell等公司 CAN bus的主要特性 低成本的现场总线 极高的总线利用率 很远的数据传输距离 长达10Km 高速的数据传输速率 高达1Mbps 多主结构依据优先权进行总线访问 可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文 可靠的错误处理和检错机制 发送的信息遭到破坏后 可自动重发 节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能 报文不包含源地址或目标地址 仅用标志符来指示功能信息 优先级信息 CAN总线的主要技术指标 传输速率 可达到1Mbps 40米以内 传输距离 10千米 5kbps以下 支持的介质 铜线 光纤媒体访问控制方式 CSMA 冲突按优先权解决可挂接的最大节点数 110 CAN总线的信号传送 信号使用差分电压传送 两条信号线被称为 CAN H 和 CAN L CAN H 和 CAN L 静态时均是2 5V左右 此时状态表示为逻辑 1 也可以叫做 隐性 Recessive CAN H比CAN L高表示逻辑 0 称为 显性 Daminant 此时 通常电压值为 CAN H 3 5V和CAN L 1 5V CAN总线的数据通信 CAN属于总线式串行通信网络可实现点对点 一点对多点及全网广播几种方式发送接收数据为多主方式工作 通信方式灵活CAN网络按节点类型分成不同的优先级CAN采用非破坏性总线