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1、根据数据的通信形式，嵌入式系统接口可以分为串行数据传输接口和并行数据传输接口两种形式。串行数据传输接口又分为数字数据传输接口和模拟数据传输接口两种形式，即通过数据线上的信号形式来进行划分，目前使用的大多数串行数据传输接口均为数字式。串行数字数据传输接口又有单极性/双极性、差分/非差分、同步/异步、全双工/半双工、归零/非归零之分；模拟数据传输接口又有幅值键控ASK（Amplitude-Shift Keying）、频移键控FSK（Frequency-Shift Keying）、相移键控PSK（Phase-Shift Keying）之分。单极性/双极性是指数据线传输数据时的电平情况，差分信号传输则
2、需要两根数据线，两根数据线上的电平完全相反，当有外部干扰信号时，仍然能够通过两个电平完全相反的信号得到正确的数据，因此差分数据传输能够有效地抵制干扰，提高数据传输的距离。同步/异步是指收发双方是否需要同步时钟信号。全双工/半双工是针对接收与发送能否同时完成而言，能够同时收发的就是全双工形式，否则就是半双工形式。要实现全双工串行数据收发需要收发各一路信号，而半双工收发数据可以共用一路信号。归零是指每一位二进制信息传输后均返回到零电平。根据以上介绍，很容易对常见的串行接口进行划分。如UART RS-232-C接口是双极性、非归零、全双工异步串行接口。I2C、JTAG、1-Wire接口是单极性、非归
3、零、半双工串行接口。USB、1394、RS-485、CAN、EMAC等接口是非归零、差分串行接口。对更详细的分类感兴趣的读者可以自己归纳总结。从实现的功能上接口类型还可以分为人机通信接口、工业板卡接口、现场总线接口等多种形式。常见的嵌入式接口及其类型划分如图7-1所示。7.2 嵌入式系统的电平匹配由于外部设备种类丰富，当外部设备与微处理器之间通过接口进行连接时往往存在接口类型匹配、电平匹配、通信速度匹配、数据格式匹配等一系列匹配问题。一项不匹配都有可能导致通信无法进行或者造成通信错误。因此本节主要介绍与嵌入式接口应用最基础的电平匹配问题。7.2.1 电平匹配概述在混合电压系统中，不同电源电压的
4、逻辑器件相互连接时会存在三个主要问题：第一是加到输入和输出引脚上的最大允许电压的限制问题；第二是两个电源之间的电流互串问题；第三是必须满足输入转换门限电平的问题。这些问题都是在嵌入式系统接口设计中需要首先考虑的问题。1电平类型及主要参数电平是指能够被识别成一定逻辑信号的一个电压范围，在外部设备与嵌入式微处理器的接口应用中，涉及的电平可能有很多种，因此电平匹配问题是嵌入式系统应用中芯片之间能够相互连接、协同工作的基础。电平匹配问题在嵌入式系统设计中非常常见，随着低电压器件的增多，在嵌入式系统中往往存在着很多不同工作电压的器件，如嵌入式微处理器的工作电压为3.3V，而AD、DA、液晶屏等外部器件工
5、作电压为5V，工作电压不同，相应的接口往往具有不同的逻辑电平，这时就需要考虑之前所提到的三个问题。常用的逻辑电平有TTL、CMOS、LVTTL、LVCMOS、CML、ECL、PECL、LVPECL、 LVDS、GTL、RS-232、RS-422等多种，其中TTL和CMOS的逻辑电平按典型电压可分为四类：5V系列、3.3V系列，2.5V系列和1.8V系列。5V TTL和5V CMOS逻辑电平是通用的逻辑电平。ECL/PECL/LVPECL、CML和LVDS是差分输入输出。RS-422/485和RS-232是串口的接口标准，RS-422/485是差分输入输出，RS-232是单端输入输出。在逻辑电平
6、的匹配问题中的主要参数如下：（1）输入高电平（Vih）： 保证逻辑门的输入为高电平时所允许的最小输入高电平，当输入电平高于Vih时，则认为输入电平为高电平：（2）输入低电平（Vil）：保证逻辑门的输入为低电平时所允许的最大输入低电平，当输入电平低于Vil时，则认为输入电平为低电平：（3）输出高电平（Voh）：保证逻辑门的输出为高电平时的输出电平的最小值，逻辑门的输出为高电平时的电平值都必须大于此Voh：（4）输出低电平（Vol）：保证逻辑门的输出为低电平时的输出电平的最大值，逻辑门的输出为低电平时的电平值都必须小于此Vol：（5）阀值电平(Vt)：数字电路芯片都存在一个阈值电平，就是电路刚刚勉
7、强能翻转动作时的电平。它是一个界于Vil、Vih之间的电压值，对于CMOS电路的阈值电平，基本上是二分之一的电源电压值，但要保证稳定的输出，则必须要求输入高电平Vih，输入低电平 Vih Vt Vil Vol。表7-1给出了常用电平的主要参数，因此在涉及电平匹配的应用设计中最主要的就是要考虑以上的相关参数，这是电平能否被识别的基础。当然不同类型的电平还具有各自的特点，这将在下面进行分别介绍。2TTL电平与CMOS电平在选用74系列芯片时，经常出现同一种类型的芯片有多种型号的情况，如74HC595、74LS595、74LVC595、74HCT595等多种，这些芯片的功能往往是相同的，不同的是具体
8、性能的差别，如功耗、速度、驱动能力等，因此这里不得不提到最常见的两种电平TTL与CMOS的区别。在常用的芯片中绝大多数都是采用这两种类型的电平，74系列的芯片是一个典型的代表。在嵌入式微控制器中，其I/O口根据设计的不同，同一芯片中可能同时存在这两种形式的电平。TTL（Transistor-Transistor Logic）全名是晶体管-晶体管逻辑电路，是一种电流型驱动器件，主要有54/74系列标准TTL、高速型TTL（H-TTL）、低功耗型TTL（L-TTL）、肖特基型TTL（S-TTL）、低功耗肖特基型TTL（LS-TTL）五个系列。对于大部分采用5V电源供电的TTL电平器件来说，根据以上
9、介绍的主要参数，输出高电平Voh2.4V，输出低电平Vol0.4V，输入高电平Vih2.0V，输入低电平Vil0.8V。CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor），互补金属氧化物半导体，是一种电压型驱动器件，逻辑电平电压接近于电源电压，0逻辑电平接近于0V。而且具有很宽的噪声容限。输出高电平Voh4.45V；输出低电平Vol0.5V；输入高电平Vih3.5V；输入低电平Vil1.5V。TTL与CMOS的主要区别：（1）TTL电路是电流控制器件，而CMOS电路是电压控制器件。（2）TTL电路的速度快，传输延迟时间短（510ns），但功耗大。（3）C
10、MOS电路的速度慢，传输延迟时间长（2550ns），但功耗低。（4）CMOS相对TTL有了更大的噪声容限，输入阻抗远大于TTL输入阻抗。3TTL与CMOS芯片的使用在同样5V电源电压情况下，CMOS电路可以直接驱动TTL，因为CMOS的输出高电平大于2.0V，输出低电平小于0.8V；而TTL电路则不能直接驱动 CMOS电路，TTL的输出高电平为大于2.4V，如果落在2.43.5V之间，则CMOS电路就不能检测到高电平，低电平小于0.4V满足要求，所以在TTL电路驱动CMOS电路时需要加上拉电阻。如果出现不同电压电源的情况，也可以通过上面的方法进行判断。如果电路中出现3.3V的CMOS电路去驱动
11、5V CMOS电路的情况，如3.3V单片机去驱动74HC，这种情况有以下几种方法解决，最简单的就是直接将74HC换成74HCT（74系列的输入输出在下面有介绍）的芯片，因为3.3V CMOS 可以直接驱动5V的TTL电路；或者加电压转换芯片；还有就是把单片机的I/O口设为开漏，然后加上拉电阻到5V，这种情况下得根据实际情况调整电阻的大小，以保证信号的上升沿时间。CMOS电路的使用有以下几点需要注意：（1）CMOS电路是电压控制器件，它的输入总阻抗很大，对干扰信号的捕捉能力很强。所以，不用的引脚不要悬空，要接上拉电阻或者下拉电阻，给它一个恒定的电平。（2）输入端接低内阻的信号源时，要在输入端和信
12、号源之间串联限流电阻，使输入的电流限制在1mA之内。（3）当接长信号传输线时，在CMOS电路端接匹配电阻。（4）当输入端接大电容时，应该在输入端和电容之间接保护电阻。电阻值为R=V0/1mA，V0是外界电容上的电压。（5）CMOS的输入电流超过1mA，就有可能烧坏CMOS。74系列集成电路大致可分为6大类：（1）74（标准型）；（2）74LS（低功耗肖特基型）；（3）74S（肖特基型）；（4）74ALS（先进低功耗肖特基型）；（5）74AS（先进肖特基型）；（6）74F（高速）。近年来还出现了高速CMOS电路的74系列，该系列可分为3大类：（1）HC为CMOS工作电平。（2）HCT为TTL工作
13、电平，可与74LS系列互换使用。（3）HCU适用于无缓冲级的CMOS电路。不同的74系列产品，只要后边的标号相同，其逻辑功能和引脚排列就相同。根据不同的条件和要求可选择不同类型的74系列产品，比如电路的供电电压为3V就应选择74HC系列的产品，常用的集中类型的典型参数如表7-2所示。7.2.2 接口相关电路及概念1集电极开路输出在电路中常会遇到漏极开路（Open Drain）和集电极开路（Open Collector）两种情形。漏极开路电路概念中提到的“漏”是指 MOSFET的漏极。同理，集电极开路电路中的“集”就是指三极管的集电极。在数字电路中，分别简称OD门和OC门。典型的集电极开路电路如
14、图7-2所示。电路中右侧的三极管集电极什么都不接，所以叫做集电极开路，左侧的三极管用于反相作用，即左侧输入“0”时左侧三极管截止，VCC通过电阻加到右侧三极管基极，右侧三极管导通，右侧输出端连接到地，输出“0”。加上上拉电阻。因此集电极开路输出可以用做电平转换，通过上拉电阻上拉至不同的电压，来实现不同的电平转换。集电极开路输出还常用做驱动器。由于OC门电路的输出管的集电极悬空，使用时需外接一个上拉电阻Rp到电源VCC。OC门使用上拉电阻以输出高电平，此外为了加大输出引脚的驱动能力，上拉电阻阻值的选择原则，从降低功耗及芯片的灌电流能力考虑应当足够大；从确保足够的驱动电流考虑应当足够小。将OC门输
15、出连在一起时，再通过一个电阻接外电源，可以实现“线与”逻辑关系。只要电阻的阻值和外电源电压的数值选择得当，就能做到既保证输出的高、低电平符合要求，而且输出三极管的负载电流又不至于过大。集电极开路输出除了可以实现多门的线与逻辑关系外，通过使用大功率的三极管还可用于直接驱动较大电流的负载，如继电器、脉冲变压器、指示灯等。2漏极开路输出和集电极开路一样，顾名思义，开漏电路就是指从MOSFET的漏极输出的电路。典型的用法是在漏极外部的电路添加上拉电阻到电源如图7-3所示。完整的开漏电路应由开漏器件和开漏上拉电阻组成。这里的上拉电阻R的阻值决定了逻辑电平转换的上升/下降沿的速度。阻值越大，速度越低，功耗
16、越小。因此在选择上拉电阻时要兼顾功耗和速度。标准的开漏脚一般只有输出的能力。添加其他的判断电路，才能具备双向输入、输出的能力。很多单片机等器件的I/O就是漏极开路形式，或者可以配置成漏极开路输出形式，如51单片机的P0口就为漏极开路输出。在实际应用中可以将多个开漏输出的引脚连接到一条线上，这样就形成“线与逻辑”关系。注意这个公共点必须接一个上拉电阻。当这些引脚的任一路变为逻辑0后，开漏线上的逻辑就为0了。在I2C等接口总线中就用此法判断总线占用状态。同集电极开路一样，利用外部电路的驱动能力，减少IC内部的驱动。当IC内部MOSFET导通时，驱动电流是从外部的VCC流经上拉电阻，再经MOSFET到GND。IC内部仅需很小的栅极驱动电流，因此漏极开路也常用于驱动电路中。3推挽输出在功率放大
