7 通信接口设计

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1、7 通信接口设计27.1串行接口 27.1.1串行通信概述 27.1.2串行接口设计实例 57.2 I2C 接口 87.2.1I2C 接口概述 87.2.2I2C 接口设计实例 107.3 ETHERNET 以太网接口 157.3.1 Ethernet 接口概述157.3.2 以太网控制器RTL8019167.3.3 Ethernet 接口设计实例187.4USB 接口 227.4.1 USB 接 口概述227.4.2 USB接口设计实例 257 通信接口设计计算机与外界的信息交换称为通信。基本的通信方式有两种，即并行通信和串行通信。并行通 信是指数据的各位同时进行传送(发送或接收)的通信方式

2、。串行通信指数据是一位一位按顺序传 送的通信方式。构造基于网络的嵌入式应用，不仅仅是为了提供信息传送，还要实现信息的共享、 分布式处理等功能。7.1 串行接口许多 I/O 接口器件与 CPU 交换信息或计算机与计算机之间交换信息，都是通过一对导线或通 信来传递信息，这时数据时一位一位进行传输的，每一位都占据一个规定长度的时间间隔，这样数 据一位位顺序传递的通信方式称为串行通信。完成串行通信任务的接口称为串行通信接口。计算机在处理数据时总是以并行方式进行数据处 理，而外部设备如果是串行通信方式，那么就需要将串行信息转变为并行信息，而计算机想要将信 息传送给外设也必须将并行数据转换成串行数据。这样

3、就需要一个转换信息的接口即串行接口。与 并行接口相比较，串行接口应用更为广泛。本节首先介绍串行通信中的一些基本概念及串行通信接 口的设计方法。7.1.1 串行通信概述1. 数据传送方式串行通信时，数据在两个站(或设备)A与B之间传送，按数据流方向的不同可分为单工、半双 工、全双工和多工等几种传送方式。如图 7.1 所示.单工(Simplex)方式只允许数据按一个固定的方向传送。采用这种方式时，就已经确定了通信双 方中的一方为接收端，另一方为发送端。这种确定方式是不可以改变的。如图7.1(a)现在把这种通 信方式称为单向通信。半双工(Half Duplex)通信是指信息的发送和接收要同时公用一条

4、线，在半 双工方式中，数据可在两个设备之间任一个方向传输，但两个设备之间只有一根传输线，故同一时 间内只能在一个方向上传输数据，不能同时收发，故在通信换向时接口部分要靠电路转换，如图 7.1 (b)。无线电对讲机就是半双工传输的一个例子，一个人在讲话的时候，另一个人只能听着，因为一 端在发送信息时，接收端的电路是断开的。全双工(Full Duplex)通信是指接口对接收和发送的信息用不同的通道供信息的发送和接收可 同时进行，这就意味着工作于全双工方式下的串行通信信息的传递要用两条线即发送线、接收线， 如图7.1(c)。采用全双工的系统可以同时发送和接收数据，电话系统就是一个全双工传输数据的例

5、子。计算机的主机和显示端(它由带键盘的 CRT 显示器构成)进行通信时,通常也采用全双工方式， 一方面，键盘上敲入的字符可以送到主机内存，另一方面主机内存的信息可以送到显示器终端。在 键盘上敲入一个字符后，并不立即显示出来，而是等计算机收到该字符后，再会送给终端，由终端 将该字符显现出来。这样，对主机而言，前一个字符的回送过程和后一个字符的输入过程是同时进 行的，并通过不同的线路进行传送，即系统工作于全双工方式。 多工方式下采用的多路复用技术主 要有时分复用 TDM 和频分复用 FDM 两种。前者将共用的物理线路分成若干时间片，轮流为各信号 占用，其特点是电路简单，抗干扰性强；后者利用频率调制

6、原理将要发送的信号搬移到不同频段后 同时或不同时地发送，其特点是效率高，但电路复杂，抗干扰能力弱。在计算机串行通讯中主要使用半双工和全双工方式。AB发送器H接收器(a)单工方式AB(b)半双工方式AB(c )双工方式(d )多工方式图 7.1 串行通信的单工、半双工、双工及多工传送方式2异步通信和同步通信方式串行通信可分为两种：一种为同步通信(Asynchronous)； 种为异步通信(Synchronous)。 同 步通信是将所要发送信息组成一个信息组(通常称为帧)，在每帧信息的开始要有同步字符(12) 个，在数据线上要保持连续的字符，没有信息时也要填上专用空字符，因为同步传输不允许在传输

7、一帧信息时出现间隙。同步通信特点：传送信息量大，数度高，适宜于快速传递，灵活性差。 异步 通信时，在字符开始要有起始位，一个字传输的结束要用间隔位进行字间隔。通常一组数据由多个 字符组成，而字符是若干数码位的集合。本方式一次传送一个字符，若要传送一批字符，则需要反 复调用该方式。各字符出现于数据场中的相对时间是随意的，没有专门的时钟控制。异步通信的特 点：灵活性好，便于处理实时性强的串行数据；速度低，仅适宜于中低速率传输。3波特率和传输速率随着计算机在各个领域的广泛利用，不但要解决人机通信的问题还要解决计算机之间，计算机 与通信设备之间的通信问题。因此为了供通信双方相互衔接，人们就建立了在通信

8、过程中收发双方 共同遵守的标准，标准包括：传输率、电特性、信号名称及接口标准。并行通信中通常以每秒传送的字节数来表示传送速率，而串行通信中通常以每秒传送的比特数 (比特率)来表示传送速率。(1)传输速率 串行通信中，可用传速率衡量通信设备传输数据快慢，传输速率定义为每秒钟传输的字符帧数。 由于不同格式的字符帧，每帧字符数据长度不同，用传输速率不能直观表达通信口传输数据速度的 快慢。在微处理机系统的串行通信中，常采用波特率表示。(2)波特率串行中每秒钟传送二进制数码的位数称为波特率。波特率的单位bps,即位/秒(Bit per Second)。 波特率主要用以表征数据的传输速度，波特率越高，数据

9、传输速度越快。串行口的波特率与通信接口的标准以及通信线路的质量好坏有关，例如采用RS-232C标准接口 方式，其波特率一般在30019200bps之间，最高速率不超过20kbps。此时，其最大通信距离为15m； 若适当降低速率，其最大传送距离可增大到60m。这种标准接口方式只能用于较低波特率和近距离 通信。而用RS-422A标准接口方式，其最大速率可达10M，此时的最大传输距离可达120m；如果适 当降低速率，则RS-422A的最大传送距离可增加到数千米。数据传送中每位数的传输时间定义为波特率的倒数。若波特率为2400bps，则每位数的传输时 间为 Tb=1/2400=04165ms。4出错校

10、验在数据通信中，可能会因为各种原因而导致接收数据出错，为了保证传输数据的正确性，在数 据传送过程中常需数据校验。在单片机系统的数据通信中常用的校验方法有奇偶校验、累加和校验 以及 CRC 冗余校验(Cyclical Redundancy Check)0( 1 )奇偶校验奇偶校验是通过检验被传送的二进制数据中0或1位数的奇偶性，来判断数据在传送过程中是 否出错。在发送数据时，将该数据与其奇偶标志组成一帧数据一起发送，接收方收到这帧数据后将 计算出接收数据的奇偶标志位与接收到的标志位相比较，若不同，则传送数据有误。( 2)累加和校验奇偶校验法通常对每一个传送的字节数据进行校验，如果要对有n个字节的

11、数据块进行校验， 则可以采用累加和校验方法。累加和校验是在传送数据之前先对 n 个字节进行加法运算，得到累加和。把累加和附在第 n 个 字节后面传送，接收方收到n个字节后也按同样方法进行n个字节求和，然后把两个累加和进行比 较，如果不同，表示数据块传送出错。在微处理器中，累加和的加法运算可以采用逻辑加，即用异或操作指令完成；也可以用算术加 法指令按算术加法得到累加和。( 3) CRC 循环冗余校验奇偶校验以及累加和校验法虽然简单，但校验功能有限，在奇偶校验中如果同时有两位数据出 错，就无法检验出来，累加和校验虽然可以发现几个连续位的差错，但不能检出数据之间的顺序错 误码率，即数据交换位置时累加

12、和不变，因此在重要数据传送时经常采用较为复杂的CRC循环冗余 校验。循环冗余校验的基本原理是将一个数据块看成一个很长的二进制数。例如把一个 128 字节的数 据块看作是一个1024位的二进制数，然后用一个特定的数去除它，将得到的余数作为校验码附在数 据块的后面一起发送；在接收到该数据块和校验码之后，对它作同样的运算，所得的余数应为 0； 如果计算结果不为 0，就表示接收有错。5电气特性RS-232C是由美国电子工业协会EIA于1969年制定并采用的一种串行通信接口标准，后来被广 泛采用，发展成为一种国际通用的串行通信接口标准。表7.1即为RIA制定的传送电气规格。表 7.1 RIA 制定的传送

13、电气规格状态L(Low)H(High)电压范围-25V-3V+3V+25V逻辑10名称SPACEMARKRS-232C所用的驱动芯片通常以12V的电源来驱动信号线，但是实际上，因为传输线的连接状 态及接收端负载阻抗的影响，均会造成电压的下降，但最低仍不得低于土 15V以下。RS-232C标准采用的接口是9芯或25芯的D型插头为例，各引脚定义如表7.2所示。表 7.2 9 芯 D 型插头引脚信号描述引脚名称功能描述1DCD数据载波检测2RXD数据接收3TXD数据发送4DTR数据终端准备好5GND地6DSR数据设备准备好7RTS请求发送8CTS清除发送9RI振铃指示7.1.2 串行接口设计实例串行

14、接口电路连接特性的定义目前已有行业标准，通常就称为串行接口标准，如 RS-232 标准 RS-423标准、RS-485标准等。其中RS-232标准最初是为远程通信连接数据终端设备（DTE）和 数据通信设备（DCE）而制定的，它一般用于异步串行通信中。和其它几个标准相比RS-232性能较 差，但因其简单、经济而获得了非常广泛的应用。目前 RS-232 标准已成为微机串行通信接口中广 泛采用的一种标准，如用于计算机（视为DTE）和调制解调器（视为DCE）之间的连接。为了支持串口通信作这个常用接口，很多处理器以及一些外围芯片都采用串口进行通信。例如 几大厂家都生产串行通信的AD、DA等数字芯片，很多

15、LED驱动器器也采用串口与主机通行。本实例 介绍S3C4510B与PC机的串行通行接口的设计方法。通过MAX232芯片可以建立串口通行的物理连接, S3C4510通过此串口可以与PC机间接受和发送数据，而且还可用于接受PC机的调试命令。由于RS-232C标准所定义的高、低电平信号与S3C4510B系统的LVTTL电路所定义的高、低电平 信号完全不同，LVTTL的标准逻辑“ 1”对应2V3.3V电平，标准逻辑“0”对应0V0.4V电平， 而RS-232C标准采用负逻辑方式，标准逻辑T”对应-5V15V电平，标准逻辑“0”对应+5V+15V 电平。显然，两者间要进行通信必须经过信号电平的转换，目前常使用的电平转换电路为 MAX232， 其引脚分布如图7.2。C1+1* 2ocV+2CNDC1-3HII OUTC2+qAX2Q2E13RUNC2-5MAX232E12RIOUTV-611FUNT20UT71012 INR2IN89R2OUT图 7.2 MAX232 引脚分布关于 MAX2