检测与转换技术第九章接口电路

1第九章信号转换技术

---接口

2总线的概念一、总线的定义定义一：是计算机各模块间进行信息传输的通道。定义二：一组导线的集合，是系统与系统之间或系统内部各部件之间进行信息传输所必需的全部信号线的总和。3AGPCPUDIMMISAPCIFDCIDE4ISA总线：早期的系统总线，所有的外围设备都要挂接在ISA总线上，如早期的显卡、声卡、网卡。PCI总线：数据采集卡等。现在基本不再使用。FDC：软盘控制器。IDE：硬盘和光驱接口。DIMM：内存条接口。AGP：接显卡。567891、片内总线片内总线是指一些大规模集成电路内部的总线，是用来连接各功能部件的信息通路。片内总线根据其功能又被分为地址总线、数据总线、控制总线。这种总线是由微处理机芯片厂家设计的，或者由用户借助CAD（计算机辅助设计）技术设计自己的专用芯片。102、微处理器总线微处理器总线又称处理器总线、主板局部总线、元件级总线，它是指在印刷电路板上连接各芯片的公共通路。它可能是一台单板计算机或是一块CPU主板上用于芯片一级的连接总线，一般是CPU芯片引脚的延伸，与CPU关系密切。113、系统总线系统总线又称为I/O通道总线、内总线、板级总线，它是用于微型机系统各插件板之间的连接，是微型机系统最重要的一种总线。一般谈到微型机总线，指的就是这种总线。系统总线一般都做成多个插槽的形式，各插槽相同的引脚都连在一起，总线就连到这些引脚上。124、外总线外总线又称为通信总线，它用于微机系统之间，微机系统与仪器或其它设备之间的通信通道。外总线的数据传输方式可以是并行或串行，数据传输速率比内总线低。常用的外总线有RS-232、IEEE-488、VXI、USB等。1314ISA总线原理ISA总线概况:ISA总线来源于IBM-PC微计算机。开始时PC机面向个人及办公室，定义了8位的ISA总线结构，对外公开，成为标准（ISOISA标准）。第三方开发出许多ISA扩充板卡，推动了PC机的发展。1984年推出IBM-PC/AT系统，ISA从8位扩充到16位，地址线从20条扩充到24条。151617总线基本信号BACKOSCRESET总线访问信号SA19~SA0

BALEAENSMEMR#SMEMW#IOR#IOW#总线控制信号总线访问信号LA23~LA17SBHE#MEMR#MEME#DACK3#~DACK1#

T/C总线控制信号DACK7#~DACK5#DACK0#MASTER总线访问信号SD7~SD0I/OCHRDYI/OCHCK#NOWS#IRQ7~IRQ3DRQ3~DRQ1SD15~SD8MEMCS16#IOCS16#IRQ15、IRQ14、DRQ12~DRQ9DRQ7~DRQ5DRQ0总线控制信号总线访问信号总线控制信号ISA总线引线示意图18A9=0时提供512个端口地址归主机板的I/O可编程芯片使用。当A9=1时，提供的512个端口地址用于主机和主机插槽的I/O设备交换信息。

PC机扩展地址的规定19扩展板卡处于总线扩展插槽中，因此，其地址范围应在200H~3FFH。在这段地址中，有些地址已被微机系统使用，其使用情况如下表所示：I/O设备端口BIOS中使用的端口地址未用0200H游戏杆端口0201H未用0202H~0277H并口打印机0278H~027FH未用0280H~02F7H串二02F8H~02FFH串一03F8H～03FFH20PC机I/O端口地址译码技术

第一片8255的地址为：220~223H，用/CS0作为片送；第二片8255的地址为：224~227H，用/CS1作为片送；8253的地址为：260~263H，用/CS2作为片送；第一片16550的地址为：240~247H，用/CS3作为片送；第二片16550的地址为：250~257H，用/CS4作为片送；第三片16550的地址为：280~287H，用/CS5作为片送；21采用变址技术的A/D转换器接口技术

-----8255可编程并行接口22resetD7~D0A9~A2A1A0IORIOW片选译码数据缓冲器读写控制片内译码CSRESETA1A0RDWRPC7~PC0PB7~PB0PA7~PA0控制口D端口A端口C端口B+5VGNDD7~D0外设8255A总线238255和CPU一边相连的信号

1、RESET：复位信号

RESET信号到来时，所有内部寄存器被清除，三个端口被设为输入端口。4、：读信号3、：片选信号5、：写信号6、A1、A0：端口选择信号

00：选中A端口01：选中B端口10：选中C端口11：选中控制口2、D7～D0：数据线，和系统总线相连。241.数据端口A、B、C每个端口8位，通过编程设定其为输入口或输出口可用来和外设传送信息

端口A

有3种工作方式(方式0、方式1、方式2)

对外8根引脚PA7~PA0

端口B

有2种工作方式：方式0、方式1对外8根引脚PB7~PB0端口C对外引脚PC0~PC7252.控制端口D(A组和B组控制电路)

8位端口，无对外引脚可用来和外设传送信息控制端口的内容决定A口、B口、C口的工作状态(输入或输出和工作方式（方式0、1、2）,起控制作用。3.数据总线缓冲器(引脚D0~D7)由1个8位双向三态缓冲器构成8255A内各端口通过数据缓冲器与系统总线相连。

CPU与端口A、B、C间传送的数据，以及CPU写入控制端口D中的控制字均通过数据缓冲器传送。264.读写控制电路(引脚CS、RD、WR)控制数据总线缓冲器的状态。数据总线缓冲器有3种状态：输入、输出、高阻态5.片内译码电路(引脚A1、A0)选择被操作的端口278255芯片引脚定义与功能由CS、A1、A0、RD、WR引脚的不同组合，实现各种不同的功能。

288255A的控制字

29例：8255A端口A工作于方式0输入，端口B方式0输出，端口C输入。8255A各端口地址为220H～223H，请编写出初始化程序。MOVAL,99H;置控制字于AL中,控制字10011001BMOVDX,223H;置DX为控制口地址OUTDX,AL;将控制字写入控制口10010011端口C低四位输入端口B输出端口B方式0端口C高四位输入端口A输入端口A方式0标识位解：1）确定控制字2）写初始化程序30三种工作方式方式0（基本输入输出方式）

工作在方式0的端口，为单向传送端口,输入或输出

作为输入口相当于普通的三态门作为输出口相当于普通的锁存器

CPU可利用工作在方式0的端口，直接对端口进行读写操作，实现CPU与外设间的数据传送。A口或B口工作在方式0:与C口之间没有硬件联系。3132MOVDX，223H；确定8255工作方式0MOVAL，99H；A、C口入，B口出。

OUTDX，AL;控制字10011001BMOVSI，1000H；确定采样数据有效首址

MOVDX，221H；B口地址START：MOVAL，00H；启动AD574A，；PB7=R/C=0转换；PB6=A0=012位转换

OUTDX，AL;WAIT1：MOVDX，222H；C口地址

INAL，DXTESTAL，80H；查询转换是否结束，

PC7=1，与STS相连

JNZWAIT1；没结束则等待33MOVDX，221H；B口地址MOVAL，0C0H；11000000B，PB6=PB7=1OUTDX，AL;PB7=R/C=1读状态，PB6=A0=1读低4位MOVDX，220H；读取低4位转换结果INAL，DXMOV［SI］，AL；将采样数据存放数据区INCSIMOVDX，221HMOVAL，80H；PB7=R/C=1读状态，PB6=A0=0读高8位OUTDX，ALMOVDX，220HINAL，DX；读取高8位MOV［SI］，ALINCSI348254可编程定时器/计数器Intel系列的计数器/定时器电路为可编程序间隔定时器PIT(ProgrammableIntervalTimer)，型号为8253，改进型为8254。8253最高工作频率2.6MHz、8254最高工作频率为10MHzIntel8254具有3个独立的16位计数器通道，使用单一5V电源，它是24个引脚的双列直插式器件。35Intel8254主要功能：(1)一个芯片上有三个独立的16位计数器通道；(2)每个计数器都可以按照二进制或二—十进制计数；(3)每个计数器的计数速率可高达10MHz；(4)每个通道有6种工作方式，可由程序设置和改变；(5)所有的输入输出都与TTL兼容。36内部结构和引脚D7～D0计数器0控制字寄存器计数器1计数器2内部数据总线数据总线缓冲器读写控制逻辑RDWRA0A1CSCLK0GATE0OUT0CLK1GATE1OUT1CLK2GATE2OUT2371.计数器预置寄存器GATECLKOUT减1计数器输出锁存器计数初值存于预置寄存器；在计数过程中，减法计数器的值不断递减，而预置寄存器中的预置不变。输出锁存器用于写入锁存命令时，锁定当前计数值38计数器的3个引脚CLK时钟输入信号在计数过程中，此引脚上每输入一个时钟信号（下降沿），计数器的计数值减1GATE门控输入信号控制计数器工作，可分成电平控制和上升沿控制两种类型OUT计数器输出信号当一次计数过程结束（计数值减为0），OUT引脚上将产生一个输出信号39与处理器接口D0~D7数据线A0~A1地址线/CS片选信号/RD读信号/WR写信号/CSA1A0读操作/RD写操作/WR000001010011读计数器0读计数器1读计数器2无操作写计数器0写计数器1写计数器2写控制字408254的编程8254加电后的工作方式不确定8254必须初始化编程，才能正常工作写入控制字写入计数初值读取计数值411.写入方式控制字计数器读写格式工作方式数制D7D6D5D4D3D2D1D000计数器001计数器110计数器211非法00计数器锁存命令01只读写低字节10只读写高字节11先读写低字节后读写高字节000方式0001方式1010方式2011方式3100方式4101方式50二进制1十进制控制字写入控制字I/O地址（A1A0＝11）422.写入计数值选择二进制时计数值范围：0000H～FFFFH1-2160000H是最大值，代表65536选择十进制（BCD码）1-104计数值范围：0000～99990000代表最大值10000计数初值写入次数：

由于数据引脚只有8根（D7～D0)，因而，当计数初值>8bit（255或99），则要分两次写入初值寄存器。433.读取计数值对8位数据线，读取16位计数值需分两次计数在不断进行，应该将当前计数值先行锁存，然后读取：向控制字I/O地址：给8253写入锁存命令从计数器I/O地址：读取锁存的计数值读取计数值，要注意读写格式和计数数制448254计数器的启动45468253的工作方式8253有6种工作方式，由方式控制字确定熟悉每种工作方式的特点才能根据实际应用问题，选择正确的工作方式每种工作方式的过程类似：⑴设定工作方式⑵设定计数初值⑶硬件启动⑷计数初值进入减1计数器⑸每输入一个时钟计数器减1的计数过程⑹计数过程结束47方式0：计数结束产生中断向计数器写完计数值时，开始计数，OUT变为0计数到0时OUT输出为1GATE为高电平时，计数器工作，为低电平时停止计数在计数时，若重新写入新的计数值，则按新的值重新工作WRN=4初始低电平43210OUTGATE=1计数到0产生高电平写入计数值开始计数计数值一次有效48方式1：可编程单拍脉冲设置方式后，OUT即变为高电平写入计数值后，并不开始计数，只有其后当GATE的上升沿才开始工作，OUT变为低。计数到0后，OUT变高计数过程中若GATE又出现0-1的脉冲，则重新装入原始计数值，重新开始计数。若计数中改变计数值，则要下次才会以新数计数。WRGATEOUTN=332103210计数值写入计数值不计数GATE触发开始计啥初始高电平GATE再次触发再计数计数值多次有效49方式2：频率发生器为自动装入计数常数的计数器。计数期间OUT为1，计数到0后输出1个周期的0，并重新装入计数值开始计数。计数过程中若GATE又出现0-1的脉冲，则重新装入原始计数值，重新开始计数。若计数中改变计数值，则要下次才会以新数计数。N=4WROUT4321（4）0321周期等于计数值NGATE=11个CLK自动连续循环计数不用触发计数值多次有效写入计数值开始计数50方式3：方波发生器方式3与方式2相似OUT输出是一个占空比为1：1的方波若计数为奇数，则前面的1比后面的0多1个脉冲432103210543210N24242N=奇数，高电平N+12低电平N-125+125-12其它同方式2计数值N=偶数，输出对称的方波51WROUTN=33210GATE=1软件触发写入计数值开始计数1个CLK计数值一次有效，再计数需在次写入计数值方式4：软件触发选通写入计数值后输出为高，开始计数计数结束时，输出1个脉冲低电平，再变高若计数中改变计数值，则要结束后才会以新数计数。52WRN=3GATEOUT3210写入计数值不计数GATE触发计数3210GATE再次触发，再次计数计数值多次有效1个CLK方式5：硬件触发选通写入计数值后由GATE上升沿启动计数其余与方式4相同538254与PC机的连接编程

方式3设置为80方式2设置为40/cs=260H~267H54TIMEPROCNEARPUSHAXPUSHDXMOVDX266H；控制寄存器地址MOVAL36H；计数器0编程为方式300110110BOUTDXALMOVAL74H；计数器1编程为方式201110100BOUTDXALMOVDX260H；计数器0地址MOVAL80；装入计数值80OUTDXAL55XORDLALOUTDXALMOVDX262H；计数器1地址MOVAL40；装入计数器值40OUTDXALXORALALOUTDXALPOPDXPOPAXRET56串行通信通信方式57一、串行通信接口标准RS-232C

RS-232C是EIA(ElectronicIndustriesAlliance,美国电子工业协会)于1962年公布，并于1969年修订的串行接口标准，已成为国际上通用的标准。RS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。串行接口目前最普遍的用途是连接调制解调器，串行端口插座分为9针或25针两种。串行接口被赋予专门的设备名COMl和COM2。目前RS-232C已成为数据终端设备DTE与数据通信设备DCE（或数据装置）的接口标准。不仅在远距离通信中要经常用到它，就是两台计算机或设备之间的近距离串行连接也普遍采用RS-232C接口。

58RS232DB9针脚最简连接59RS-232C的电气特性RS-232C的最高传输速率为20Kb/s，最大传输线长度为15m。采用高质量低电容电缆可以达到150m。RS-232C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15mRS-232C由于在发送器与接收器之间有公共信号地，不能使用双端信号，因此很容易引入共模噪声，且噪声幅度可高达好几伏，这是迫使RS-232C使用较高传输电压的主要原因。另一个原因是为了补偿传输线上的信号衰减和沿线附加电平的影响。60RS-232C的电气特性RS232C协议规定的EIA电平发送器低电平为＋5V～＋15V高电平为－5V～－15V接收器低电平为＋3V～＋25V高电平为－3V～－25V标准TTL电平高电平：＋2.4V～＋5V低电平：0V～0.4VMC1488,TTL向RS232转换MC1489,RS232向TTL转换MAX232双向转换相互转换616263利用MAX232转换电平的电路64RS-422A总线采用平衡输出的发送器，差分输入的接收器。如图所示。发送器输出电压为2~6V，接收器的识别电压为±0.2v。当AA’线的电平比BB’线的电平高200mⅤ时表示逻辑“1”，当AA’线的电平比BB’线的电平低200mV时表示逻辑“0”。RS-422A标准MC3487四RS-422发送器

MC3486四EIA-422/423接收器100Kbps@1km，10Mbps@10m65

RS-422A标准的特点：①采用的平衡驱动、差分接收电路，抗共模干扰信号能力很强，其对逻辑电平的定义是根据两条传输线A、B之间的电位差值来决定的，如当AA′线的电平比BB′线的电平低0.2V时表示逻辑“0”。

②RS-422A的最大传输速率可达10Mb/s（当传输距离为15m时），最大传输距离可达1200m（当传输率为90Kb/s时），而相比之下，RS-232C的最大传输率为20Kb/s，最大传输距离为15m（50英尺）。

③允许驱动器输出电压为+2V~+6V，接收器输入电平灵敏度为+0.2V。采用四根线传输信号（2根用于发送，2根用于接收），可以实现多站互联通信，但标准规定电路中只有一个发送器，可以有多达10个接收器。

66RS-485总线

与RS-422A基本相同。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总线适用于多台设备之间的连接！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。传输速率高，最大传输速率可达10Mb/s（传送15m）；传送距离远，采用双绞线，在不用MODEM的情况下，当100Kb/s的传输速率时，可传送的距离为1.2km，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！67RS-485总线使用RS-485多个点之间共用一对线路过行总线方式联网

68产品简介：

MWE485-D实现RS-232和RS-485/422有源隔离转换，支持远程通信（大于2Km）和多机通信（128接点），全双工、半双工通用，外加DC5V供电。

产品特性■隔离转换,全双工、半双工通用

■一体化接线端子,标准DB9孔串口

■独有串口保护电路,可带电热插拔

■内置智能模块,自动识别RS-485信号流向,无需CTS流控

■内置600W/ms抗雷击保护和15KV抗静电保护

■透明传输，波特率自适应，无需更改用户协议

■工业级设计,优选进口元器件,全部表面贴装工艺技术指标■工作电压：DC5V±5%

■工作电流：＜20mA

■波特率：300~38.4Kbps

■通信距离：0~2Km

■隔离电压：2500V

■保护动作电压：7~8V

■保护动作容量：600W/ms

■静电保护电压：15KV

■工作温度：-45℃~85℃697016550可编程串行接口芯片

美国国家半导体公司（NationalSemiconductor）的PC16550D是一个通用的异步接收器/发送器UART芯片，它与IBM早期推出的个人计算机IBMPC/XT所使用的UART芯片INS8250兼容，但最高波特率提高到1.5Mb/s，且具有接收器和发送器FIFO（first-infirst-out先进先出）缓冲区，每个FIFO缓冲区长度均为16个字节。目前16550在PC机的外围芯片组中得到了广泛的应用，本节以16550为例来说明UART芯片的功能、特点和用法。71串行接口的工作过程CPU串行接口外部设备接收发送串行接口将CPU送来的并行数据转换成串行数据，并对有效数据“包装”，即加上起始位、产生奇偶校验位和停止位，再发送出去。发送数据接收数据串行接口将串行输入的数据转换成并行数据，同样要对有效数据进行处理（去掉起始位、校验位和停止位）和奇偶校验，然后等待CPU取走。

721D0D1D2D3D4D5D6

D7RCLKSINSOUTCS0CS1CS2BAUDOUTXINXOUTWRWRVSS204021VccRIDCDDSRCTSMROUT1DTRRTSOUT2INTRRxRDYA0A1A2ADSTxRDYDDISRDRD1655016550的引脚及其功能731.数据线

D0~D7：八位双向三态数据线，与CPU的数据总线连接，用于实现16550与CPU之间的通信，包括数据、控制字及状态信息的双向传输。

2.地址线：用来实现让CPU对16550片内寄存器的寻址，含有：

CS0、CS1、CS2：片选信号，当输入的CS0

、CS1为高电平，CS2为低电平时，16550芯片被CPU选中。

A0~A2：片内寄存器选择线，CPU用此来选择要访问的16550的内部寄存器中的某一个。

ADS：地址选通信号，用于锁存三个片选信号和A2~A0的输入状态，若在对16550读写过程中，A2~A0稳定（例如用在Intel微处理器上），ADS可直接接地。

743.读/写控制逻辑线：DDIS：驱动器禁止信号输出，每当CPU从16550读取数据时，DDIS=0。其余时候均为高电平，禁止挂在CPU与16550之间的数据线上的收发器与16550通信。RD、RD：读控制信号（两者可任意用一个），用于控制16550内部寄存器中读出数据或状态信息。WR、WR：写控制信号（两者可任意用一个），用于控制向16550内部的寄存器写入命令字或数据。75Xin、Xout：时钟信号输入引脚，有两种方式可以通过这两引脚产生16550的内部基准时钟，一种方式是将石英晶体振荡器直接连接在这两个引脚之间，另一种是将外部时钟信号连接到Xin引脚上。

MR：主复位信号，用于对16550复位操作，一般应将此引脚连接到系统RESET信号上，使16550与系统同时复位。

INTR：中断请求信号，由此引脚向CPU申请中断。

OUT1、OUT2：用户自定义的输出信号，可由用户编程来改变这两个引脚输出电平，作何用途，由用户自己设计。

76RXRDY：接收器就绪，输出信号。BAUDOUT：波特输出信号，是16550内部发送器的波特率发生器产生的发送时钟信号。

RCLK：接收器时钟输入，此信号将作为16650接收器的基准时钟信号，一般将其与BAUDOUT连接在一起，则16550通信中的发送波特率与接收波特率是相同的。TXRDY：发送器就绪，输出信号。774.串行数据输入/输出线：RTS：请求发送，输出，表明16550希望发送数据给Modem。

DTR：数据终端准备好，输出，通知Modem，表明16550已准备就绪。

DCD：载波检测，输入，表明Modem已收到数据载波信号。RI：振铃指示，输入，表明Modem已收到电话线上的振铃信号。DSR：数据通信装置准备好，输入，是对DTR的应答信号，表明Modem已准备就绪。

CTS：允许发送，输入，是对RTS的应答信号，表明Modem已作好接收数据的准备，16550可以发送数据。

SIN、SOUT：串行数据信号，分别用于接收串行数据和发送串行数据。

7816550的内部结构7916550内部有12个8位寄存器，但是只有8个端口地址，用8个地址表示12个寄存器，所采取的措施如下：发送保持寄存器THR

和接收数据寄存器RBR

共用一个地址，以读写信号来加以区分。以读方式访问RBR，以写方式访问THR波特率除数寄存器的高字节TLH与中断允许寄存器IER使用相同的地址;波特率除数寄存器的低字节TLL与接收数据寄存器RBR和发送保持寄存器THR使用相同的地址，为了区分，借用线路控制寄存器LCR的最高位DLAB位来区分8016550的内部功能寄存器

DLABA2A1A0寻址寄存器缩写000XXXXXX11000000001010010011100101110000001接收寄存器（读）发送保持寄存器（写）中断允许寄存器中断识别寄存器（读）FIFO控制寄存器（写）通信线控制寄存器Modem控制寄存器通信线状态寄存器Modem状态寄存器除数寄存器（低字节）除数寄存器（高字节）RBRTHRIERIIRFFCRLCRMCRLSRMSRDLDH8116550编程初始化：编成线控制寄存器和波特率发生器异步系统需要7位数据位，奇校验，9600波特率和一位停止位82除数寄存器

16550发送或接收的移位时钟，是在它的基准时钟(18.432MHz)基础上分频而来的。波特率除数值对应除数寄存器的值高字节低字节11030012002400480096001920038400576001152001047338409604802401206030201028H0FH03H01H00H00H00H00H00H00HE9H00HC0HE0HF0H78H3CH1EH14H0AH8316550初始化流程16550串口芯片的初始化编程就是设置波特率、确定串行通信的数据帧格式、使能等。设置波特率设置数据位数、停止位、校验位使能84FIFO控制器FCR（只写）D7D6D5D4D3D2D1D01：清除发送FIFO缓冲器1：清除接收FIFO缓冲器1：允许FIFO缓冲器工作85与PC的连接及初始化86

初始化：假设一个异步系统需要7位数据位，奇校验，9600波特率和一位停止位，其片选地址选定为240H~247H，其中端口243H存取线控制寄存器，240H与241H存取波特率除数寄存器，初始化如下：LINEEQU243HLSBEQU240HMSBEQU241HFIFOEQU242HSTART