各種通訊接口分類(lèi)

接口種類(lèi)繁多，從傳統的通用外圍電路、RS-232、RS-422/485、MODEM到現在的USB、IEEE 1394、Internet網(wǎng)絡(luò )芯片等，它們在不同的領(lǐng)域得到了廣泛的應用。
    數字信號的傳輸隨著(zhù)距離的增加和信號傳輸速率的提高，在傳輸線(xiàn)上的反射、串擾、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，由于驅動(dòng)能力差，輸入電阻小，靈敏度不高以及抗干擾能力差，因而信號傳輸的距離短。借助接口電路，可以進(jìn)行較長(cháng)距離的數據傳輸。
    通信接口（interface）按電氣標準及協(xié)議來(lái)分包括RS-232、RS-422、RS485、USB等。 RS-232、RS-422與RS-485標準只對接口的電氣特性做出規定，不涉及接插件、電纜或協(xié)議。USB是近幾年發(fā)展起來(lái)的新型接口標準，主要應用于高速數據傳輸領(lǐng)域。
    MODEM芯片通常配合串行口實(shí)現數字信號與模擬信號之間的相互轉換，從而可以利用電話(huà)線(xiàn)或電力線(xiàn)進(jìn)行遠程通信。

一、RS-232/422/485串行總線(xiàn)接口

1、     RS-232串行總線(xiàn)接口

目前RS-232是PC機與通信工業(yè)中應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準。RS-232采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通信。
    典型的RS-232信號在正負電平之間擺動(dòng)，在發(fā)送數據時(shí)，發(fā)送端驅動(dòng)器輸出正電平在+5～+15V，負電平在-5～-15V電平。當無(wú)數據傳輸時(shí)，線(xiàn)上為TTL，從開(kāi)始傳送數據到結束，線(xiàn)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)設備）通信而設計的，其驅動(dòng)器負載為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(xiàn)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適合本地設備之間的通信。有關(guān)電氣參數參見(jiàn)表1。

2、RS-422串行總線(xiàn)接口

    RS-422由RS-232發(fā)展而來(lái)。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(xiàn)上連接最多10個(gè)接收器。RS-422是一種單機發(fā)送、多機接收的單向、平衡傳輸規范。

2.1 平衡傳輸

RS-422的數據信號采用差分傳輸方式，也稱(chēng)作平衡傳輸。它使用一對雙絞線(xiàn)，將其中一線(xiàn)定義為A，另一線(xiàn)定義為B，如圖2。
    通常情況下，發(fā)送驅動(dòng)器A、B之間的正電平在+2～+6V，是一個(gè)邏輯狀態(tài)，負電平在-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)送驅動(dòng)器與傳輸線(xiàn)的切斷與連接。當“使能”端起作用時(shí)，發(fā)送驅動(dòng)器處于高阻狀態(tài)，稱(chēng)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)送端相應的規定，收、發(fā)端通過(guò)平衡雙絞線(xiàn)將AA與BB對應相連，當在收端AB之間有大于+200mV的電平時(shí)，輸出正邏輯電平，小于-200mV時(shí)，輸出負邏輯電平。接收器接收平衡線(xiàn)上的電平范圍通常在200mV至6V之間。

2.2 RS-422電氣特性

    RS-422標準全稱(chēng)是“平衡電壓數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(xiàn)接口。實(shí)際上還有一根信號地線(xiàn)，共5根線(xiàn)。由于接收器采用高輸入阻抗和發(fā)送驅動(dòng)器比RS232更強的驅動(dòng)能力，故允許在相同傳輸線(xiàn)上連接多個(gè)接收節點(diǎn)，最多可接10個(gè)節點(diǎn)。即一個(gè)主設備（Master），其余為從設備（Salve），從設備之間不能通信，所以RS-422支持點(diǎn)對多的雙向通信。RS-422四線(xiàn)接口由于采用單獨的發(fā)送和接收通道，因此不必控制數據方向，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（一對單獨的雙絞線(xiàn)）實(shí)現。
    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(xiàn)的長(cháng)度與傳輸速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能達到最大傳輸距離。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長(cháng)的雙絞線(xiàn)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端。 （RS-422有關(guān)電氣參數見(jiàn)表1 ）

3、RS-485串行總線(xiàn)接口

    為擴展應用范圍，EIA在RS-422的基礎上制定了RS-485標準，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，驅動(dòng)器將TTL電平信號轉換成差分信號輸出；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200mV的電壓，故數據傳輸可達千米以外。
    RS-485許多電氣規定與RS-422相仿。如都采用平衡傳輸方式、都需要在傳輸線(xiàn)上接終接電阻等。RS-485可以采用二線(xiàn)與四線(xiàn)方式，二線(xiàn)制可實(shí)現真正的多點(diǎn)雙向通信。而采用四線(xiàn)連接時(shí)，與RS-422一樣只能實(shí)現點(diǎn)對多的通信，即只能有一個(gè)主（Master）設備，其余為從設備，但它比RS-422有改進(jìn)， 無(wú)論四線(xiàn)還是二線(xiàn)連接方式總線(xiàn)上可連接多達32個(gè)設備，SIPEX公司新推出的SP485R最多可支持400個(gè)節點(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(mǎn)足所有RS-422的規范，所以RS-485的驅動(dòng)器可以用在RS-422網(wǎng)絡(luò )中應用。但RS-422的驅動(dòng)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。當波特率為1200bps時(shí)，最大傳輸距離理論上可達15千米。平衡雙絞線(xiàn)的長(cháng)度與傳輸速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能使用規定最長(cháng)的電纜長(cháng)度。
    RS-485需要2個(gè)終接電阻，接在傳輸總線(xiàn)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)電氣參數見(jiàn)表1 ）。

表 1 RS-232 /422/485接口電路特性比較

二、 通用串行總線(xiàn)接口——USB

    USB,全稱(chēng)是Universal Serial Bus（通用串行總線(xiàn)），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，現在USB已經(jīng)發(fā)展到了2.0版本。

1、USB總線(xiàn)特點(diǎn)
   1）數據傳輸速率高。USB標準接口傳輸速率為12Mbps，最新的USB2.0支持最高速率達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）數據傳輸可靠。USB總線(xiàn)控制協(xié)議要求在數據發(fā)送時(shí)含有3個(gè)描敘數據類(lèi)型、發(fā)送方向和終止標志、USB設備地址的數據包。USB設備在發(fā)送數據時(shí)支持數據偵錯和糾錯功能，增強了數據傳輸的可靠性。
   3）同時(shí)掛接多個(gè)USB設備。USB可通過(guò)菊花鏈的形式同時(shí)掛接多個(gè)USB設備，理論上可達127個(gè)。
   4）USB接口能為設備供電。USB線(xiàn)纜中包含有兩根電源線(xiàn)及兩根數據線(xiàn)。耗電比較少的設備可以通過(guò)USB口直接取電�？赏ㄟ^(guò)USB口取電的設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(kāi)機情況下，可以安全地連接或斷開(kāi)設備，達到真正的即插即用。
    USB還具有一些新的特性，如：實(shí)時(shí)性（可以實(shí)現和一個(gè)設備之間有效的實(shí)時(shí)通信）、動(dòng)態(tài)性（可以實(shí)現接口間的動(dòng)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(lái)）、多能性（各個(gè)不同的接口可以使用不同的供電模式）。

2、USB接口的結構與典型應用

USB接口引腳定義如圖4所示。USB接口數據傳輸距離不大于5米。其典型應用如下圖5所示。

USB總線(xiàn)上數據傳輸方式有控制傳輸、同步傳輸、中斷傳輸、塊數據傳輸。在圖5所示系統中，USB HOST根據外部USB設備速度及使用特點(diǎn)采取不同的數據傳輸特點(diǎn)。如通過(guò)控制傳輸更改鍵盤(pán)、鼠標屬性，通過(guò)中斷傳輸要求鍵盤(pán)、鼠標輸入數據；通過(guò)控制傳輸改變顯示器屬性，通過(guò)塊數據傳輸將要顯示的數據送給顯示器。
    目前USB接口主要應用于計算機周邊外部設備，可以以USB接口與計算機相聯(lián)結的外設有電話(huà)、Modem、鍵盤(pán)、光驅、搖桿、磁帶機、軟驅、掃描儀、打印機等。

三、MODEM芯片及其它
    從通信距離來(lái)講，RS-485在波特率為1200bps的條件下，最遠傳輸距離可達15km，但更遠的距離則需借助專(zhuān)門(mén)的MODEM芯片利用電話(huà)線(xiàn)或電力線(xiàn)進(jìn)行遠程數據傳輸。
1、MODEM通信原理
   電話(huà)線(xiàn)或電力線(xiàn)傳輸的是模擬信號，微處理器處理的是數字信號，MODEM芯片實(shí)現數字信號到模擬信號及模擬信號到數字信號的轉換。利用MODEM芯處通過(guò)電話(huà)線(xiàn)進(jìn)行遠程通信的原理如圖6所示。來(lái)自發(fā)送端的數字信號被Modem轉換成模擬音頻信號，利用公共電話(huà)網(wǎng)傳輸到接受端的Modem上。在接收端接收到的模擬音頻信號被Modem轉換為相應的數字信號，傳輸到接收數據終端。

2、MODEM通信系統操作模式

    MODEM通信系統主要分為兩種操作模式，一個(gè)叫全雙工系統模式，另一個(gè)叫半雙工系統模式。兩種模式可以通過(guò)電話(huà)線(xiàn)進(jìn)行傳輸。
    A）四根導線(xiàn)全雙工通信方式（兩根電話(huà)線(xiàn)）
       應用方法是采用兩根專(zhuān)用的電話(huà)線(xiàn)，一根電話(huà)線(xiàn)用于發(fā)送，另一根電話(huà)線(xiàn)用于接收，發(fā)送的同時(shí)可以接送。
    B）兩根導線(xiàn)半雙工通信方式（一根電話(huà)線(xiàn)）
       應用方法是采用一根專(zhuān)用的電話(huà)線(xiàn)，任何時(shí)刻只有一個(gè)方向在工作。當一端處在發(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)域的應用。
    C）兩根導線(xiàn)全雙工通信方式（一根電話(huà)線(xiàn)）
       發(fā)送和接收在同一根專(zhuān)用電話(huà)線(xiàn)同時(shí)進(jìn)行傳輸，該方法與上述半雙工相比更經(jīng)濟。
       在基于電話(huà)線(xiàn)的遠程通信系統中，上位機一般都具有拔號功能，下位機則根據需要分為有拔號功能及無(wú)拔號功能兩種。拔號功能的實(shí)現一般要借助8250或GM16C550等通用異步收發(fā)器或專(zhuān)用的拔號芯片如HT9200A。下圖為一遠程通信系統，上位機及下位機均有拔號功能。其中MSM7512B為OKI公司的MODEM芯片，其數字信號端為T(mén)TL電平。
       MODEM芯片已經(jīng)廣泛應用于遠程通信、遠程控制等場(chǎng)合。

3 其它新型接口電路

① IEEE 1394
   IEE1394接口適合視頻數據傳輸，支持外設熱插拔、同步數據傳輸，同時(shí)可為外設提供電源。Apple稱(chēng)之為火線(xiàn)FireWire，Sony稱(chēng)之為i.Link，Texas Instruments稱(chēng)之為L(cháng)ynx）。目前主要用于計算機及周邊設備。
② INTERNET芯片
   隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，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)現基于INTERNET遠程通信、控制，其應用原理如圖8所示。

≥12K

驅動(dòng)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(xiàn)接口——USB

    USB,全稱(chēng)是Universal Serial Bus（通用串行總線(xiàn)），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，現在USB已經(jīng)發(fā)展到了2.0版本。

1、USB總線(xiàn)特點(diǎn)
   1）數據傳輸速率高。USB標準接口傳輸速率為12Mbps，最新的USB2.0支持最高速率達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）數據傳輸可靠。USB總線(xiàn)控制協(xié)議要求在數據發(fā)送時(shí)含有3個(gè)描敘數據類(lèi)型、發(fā)送方向和終止標志、USB設備地址的數據包。USB設備在發(fā)送數據時(shí)支持數據偵錯和糾錯功能，增強了數據傳輸的可靠性。
   3）同時(shí)掛接多個(gè)USB設備。USB可通過(guò)菊花鏈的形式同時(shí)掛接多個(gè)USB設備，理論上可達127個(gè)。
   4）USB接口能為設備供電。USB線(xiàn)纜中包含有兩根電源線(xiàn)及兩根數據線(xiàn)。耗電比較少的設備可以通過(guò)USB口直接取電�？赏ㄟ^(guò)USB口取電的設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(kāi)機情況下，可以安全地連接或斷開(kāi)設備，達到真正的即插即用。
    USB還具有一些新的特性，如：實(shí)時(shí)性（可以實(shí)現和一個(gè)設備之間有效的實(shí)時(shí)通信）、動(dòng)態(tài)性（可以實(shí)現接口間的動(dòng)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(lái)）、多能性（各個(gè)不同的接口可以使用不同的供電模式）。

2、USB接口的結構與典型應用

USB接口引腳定義如圖4所示。USB接口數據傳輸距離不大于5米。其典型應用如下圖5所示。

USB總線(xiàn)上數據傳輸方式有控制傳輸、同步傳輸、中斷傳輸、塊數據傳輸。在圖5所示系統中，USB HOST根據外部USB設備速度及使用特點(diǎn)采取不同的數據傳輸特點(diǎn)。如通過(guò)控制傳輸更改鍵盤(pán)、鼠標屬性，通過(guò)中斷傳輸要求鍵盤(pán)、鼠標輸入數據；通過(guò)控制傳輸改變顯示器屬性，通過(guò)塊數據傳輸將要顯示的數據送給顯示器。
    目前USB接口主要應用于計算機周邊外部設備，可以以USB接口與計算機相聯(lián)結的外設有電話(huà)、Modem、鍵盤(pán)、光驅、搖桿、磁帶機、軟驅、掃描儀、打印機等。

三、MODEM芯片及其它
    從通信距離來(lái)講，RS-485在波特率為1200bps的條件下，最遠傳輸距離可達15km，但更遠的距離則需借助專(zhuān)門(mén)的MODEM芯片利用電話(huà)線(xiàn)或電力線(xiàn)進(jìn)行遠程數據傳輸。
1、MODEM通信原理
   電話(huà)線(xiàn)或電力線(xiàn)傳輸的是模擬信號，微處理器處理的是數字信號，MODEM芯片實(shí)現數字信號到模擬信號及模擬信號到數字信號的轉換。利用MODEM芯處通過(guò)電話(huà)線(xiàn)進(jìn)行遠程通信的原理如圖6所示。來(lái)自發(fā)送端的數字信號被Modem轉換成模擬音頻信號，利用公共電話(huà)網(wǎng)傳輸到接受端的Modem上。在接收端接收到的模擬音頻信號被Modem轉換為相應的數字信號，傳輸到接收數據終端。

2、MODEM通信系統操作模式

    MODEM通信系統主要分為兩種操作模式，一個(gè)叫全雙工系統模式，另一個(gè)叫半雙工系統模式。兩種模式可以通過(guò)電話(huà)線(xiàn)進(jìn)行傳輸。
    A）四根導線(xiàn)全雙工通信方式（兩根電話(huà)線(xiàn)）
       應用方法是采用兩根專(zhuān)用的電話(huà)線(xiàn)，一根電話(huà)線(xiàn)用于發(fā)送，另一根電話(huà)線(xiàn)用于接收，發(fā)送的同時(shí)可以接送。
    B）兩根導線(xiàn)半雙工通信方式（一根電話(huà)線(xiàn)）
       應用方法是采用一根專(zhuān)用的電話(huà)線(xiàn)，任何時(shí)刻只有一個(gè)方向在工作。當一端處在發(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)域的應用。
    C）兩根導線(xiàn)全雙工通信方式（一根電話(huà)線(xiàn)）
       發(fā)送和接收在同一根專(zhuān)用電話(huà)線(xiàn)同時(shí)進(jìn)行傳輸，該方法與上述半雙工相比更經(jīng)濟。
       在基于電話(huà)線(xiàn)的遠程通信系統中，上位機一般都具有拔號功能，下位機則根據需要分為有拔號功能及無(wú)拔號功能兩種。拔號功能的實(shí)現一般要借助8250或GM16C550等通用異步收發(fā)器或專(zhuān)用的拔號芯片如HT9200A。下圖為一遠程通信系統，上位機及下位機均有拔號功能。其中MSM7512B為OKI公司的MODEM芯片，其數字信號端為T(mén)TL電平。
       MODEM芯片已經(jīng)廣泛應用于遠程通信、遠程控制等場(chǎng)合。

3 其它新型接口電路

① IEEE 1394
   IEE1394接口適合視頻數據傳輸，支持外設熱插拔、同步數據傳輸，同時(shí)可為外設提供電源。Apple稱(chēng)之為火線(xiàn)FireWire，Sony稱(chēng)之為i.Link，Texas Instruments稱(chēng)之為L(cháng)ynx）。目前主要用于計算機及周邊設備。
② INTERNET芯片
   隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，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)現基于INTERNET遠程通信、控制，其應用原理如圖8所示。