【文章內(nèi)容簡介】 準的連接器 , 接口處各信號間易產(chǎn)生串擾。 鑒于此 , EIA制定了新的標準 RS 449/RS 422/RS423/RS 485, 這些標準除了與 RS232C兼容外 , 在提高傳輸速率、 增加傳輸距離、 改善電氣性能方面有了很大改進。 第 5章 單片機串行口功能擴展 1. RS449接口 RS449是 1977年公布的標準接口 , 在很多方面可以代替RS232C使用 , 兩者的主要差別在于信號在導線上的傳輸方法不同。 RS232C是利用傳輸信號與公共地的電壓差 。 RS449是利用信號導線之間的信號電壓差 , 可在 1200 m的 24 AWG雙絞線上進行數(shù)字通信。 RS449可以不使用調(diào)制解調(diào)器 , 它比 RS232C傳輸速率高 , 通信距離長 , 且由于 RS449系統(tǒng)用平衡信號差傳輸高速信號 , 因而噪聲低 , 又可以多點或者使用公共線通信 , 故 RS449通信電纜可與多個設(shè)備并聯(lián)。 第 5章 單片機串行口功能擴展 2. RS422A、 RS423A接口 RS422A給出了通信電纜、 驅(qū)動器和接收器的要求 , 規(guī)定雙端電氣接口型式 , 其標準是雙端線傳送信號。 它通過傳輸驅(qū)動器將邏輯電平變換成電位差 , 完成發(fā)送端的信息傳遞 。 通過傳輸接收器 , 把電位差變換成邏輯電平 , 完成接收端的信息接收。 RS422A比 RS232C傳輸距離長、 速度快 , 傳輸速率最大可達 100 kb/s, 在此速率下電纜的允許長度為 12 m。 如果采用低速率傳輸 , 則最大距離可達 1200 m。 第 5章 單片機串行口功能擴展 RS422A與 TTL進行電平轉(zhuǎn)換最常用的芯片是傳輸驅(qū)動器 MC3487和傳輸線接收器 MC3486。 這兩種芯片的設(shè)計都符合 EIA標準 , RS422A采用 +5 V電源供電。 RS422A的接口電路如圖 。 發(fā)送器 MC3487將 TTL電平轉(zhuǎn)換為標準的 RS422A電平 。 接收器 MC3486將RS422A接口信號轉(zhuǎn)換為 TTL電平 , 采用差分輸入輸出。 第 5章 單片機串行口功能擴展 圖 RS422A接口電平轉(zhuǎn)換電路 第 5章 單片機串行口功能擴展 美國電子工業(yè)協(xié)會于 1987年提出了 RS423A總線標準 , 它與 RS422A一樣 , 也給出了 RS449中對于通信電纜、 驅(qū)動器和接收器的要求。 RS423A給出了不平衡信號差的規(guī)定 , 而 RS422A給出的是平衡信號差的規(guī)定。 RS423標準接口的最大傳輸速率為 100 kb/s, 電纜的允許長度為 90 m。 而差分輸入對共模干擾信號有較高的抑制作用 , 這樣就提高了通信的可靠性。 第 5章 單片機串行口功能擴展 RS423A用 6 V表示邏輯“ 1”, 用 +6 V表示邏輯“ 0”, 可以直接與 RS232C相接。 采用 RS 423A標準可以獲得比 RS232C更佳的通信效果。 RS423A也需要進行電平轉(zhuǎn)換 , 常用的驅(qū)動器和接收器分別為 MC3488A和 MC3486。 其接口電路如圖 , 采用差分輸入 , 單端輸出。 第 5章 單片機串行口功能擴展 圖 RS423A接口電平轉(zhuǎn)換電路 第 5章 單片機串行口功能擴展 3. RS485接口 RS485接口是 20 mA電流環(huán)路串行通信接口 , 也是目前串行通信廣泛使用的一種接口電路。 其最大的優(yōu)點是低阻傳輸 , 對電氣噪聲不敏感 , 而且易于實現(xiàn)光電隔離 , 非常適于長距離串行通信。 RS485有兩線制和四線制兩種接口。 第 5章 單片機串行口功能擴展 在兩線制接口中 , 兩根線組成一個輸入電流回路 , 同時也是輸出電流回路 , 由邏輯開關(guān)控制。 它不能同時實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的收發(fā)工作 , 串行通信只能處于半雙工狀態(tài) , 但它在線路鋪設(shè)中只需兩根線 , 因此線路簡單、 成本低 , 適于串行通信流不太大的場合。 在四線制接口中 , 發(fā)送正、 發(fā)送負、 接收正、 接收負四根線組成一個輸入回路 , 一個輸出電流回路。 當發(fā)送數(shù)據(jù)時 , 根據(jù)數(shù)據(jù)的邏輯 0有規(guī)律地使回路形成通、 斷狀態(tài)。 第 5章 單片機串行口功能擴展 RS485接口芯片很多 , 常用的有 MAX481E和 MAX488E。 這兩種芯片的主要區(qū)別是前者為半雙工 , 后者為全雙工。 除這兩種芯片外 , 和 MAX481E相同的系列芯片還有MAX483E/485E/487E/1487E。 和 MAX488E相同的有MAX490E。 它們的結(jié)構(gòu)及引腳如圖 。 第 5章 單片機串行口功能擴展 圖 MAX481E和 MAX488E的結(jié)構(gòu)及引腳圖 (a) MAX481E。 (b) MAX488E 第 5章 單片機串行口功能擴展 由半雙工接口芯片 MAX481E構(gòu)成的 RS 485兩線制接口電路如圖 。 由全雙工接口芯片 MAX488E構(gòu)成的 RS 485四線制接口電路如圖 第 5章 單片機串行口功能擴展 圖 MAX481E構(gòu)成的 RS485兩線制接口電路圖 第 5章 單片機串行口功能擴展 圖 MAX488E構(gòu)成的 RS485四線制接口電路圖 第 5章 單片機串行口功能擴展 51系列單片機與同步串行總線接口 在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中 , 越來越多的外圍器件都配置了同步串行擴展總線接口 , 如 EPRAM、 A/D、 D/A及集成智能傳感器等。 從 20世紀 90年代開始 , 眾多的單片機廠商陸續(xù)推出了帶同步串行總線接口的單片機 , 如 Philips公司的 8XC552和LPC76X系列帶 I2C總線接口 , Motorola公司的 M68HC05和M68HC11, ATMEL公司的 AT89S8252, 以及新一代的基于RISC的 AVR系列單片機都集成有 SPI接口。 目前 , 同步串行通信總線應(yīng)用越來越多 , 主要有 I2C、 PI、 單總線 (1 wire)、 Microwire等。 第 5章 單片機串行口功能擴展 I2C總線 I2C總線 (Inter IC Bus)全稱為芯片間總線 , 是由 Philips公司推出的一種基于兩線制的同步串行總線 , 被廣泛應(yīng)用于消費類電子產(chǎn)品、 通信產(chǎn)品、 儀器通信及工業(yè)系統(tǒng)總 線中。 第 5章 單片機串行口功能擴展 1. I2C總線工作原理 I2C總線采用兩線制 , 由數(shù)據(jù)線 SDA和時鐘線 SCL構(gòu)成。 I2C總線為同步傳輸總線 , 數(shù)據(jù)線上信號完全與時鐘同步。 數(shù)據(jù)傳送采用主從方式 , 即主器件 (主控器 )尋址從器件 (被控器 ), 啟動總線 , 產(chǎn)生時鐘 , 傳送數(shù)據(jù)及結(jié)束數(shù)據(jù)的傳送。 SDA／ SCL總線上掛接的單片機 (主器件 )或外圍器件 (從器件 )的接口電路都應(yīng)具有 I2C總線接口 , 所有器件都通過總線尋址 , 而且所有 SDA／ SCL同名端相連 , 如圖 。 第 5章 單片機串行口功能擴展 圖 I2C總線應(yīng)用系統(tǒng)的組成 第 5章 單片機串行口功能擴展 按照 I2C總線規(guī)范 , 總線傳輸中將所有狀態(tài)都生成相應(yīng)的狀態(tài)碼 , 主器件能夠依照這些狀態(tài)碼自動地進行總線管理。 Philips公司、 Motorola公司和 MAXIM公司推出了很多具有 I2C總線接口的單片機及外圍器件 , 如 24C系列E2PROM, A/D和 D／ A轉(zhuǎn)換器 PCF8951, MAX521和MAX5154, LCD驅(qū)動 PCF8576等。 用戶可以根據(jù)數(shù)據(jù)操作要求 , 通過標準程序處理模塊完成 I2C總線的初始化和啟動 , 就能完成規(guī)定的數(shù)據(jù)傳送。 第 5章 單片機串行口功能擴展 2. 總線器件的尋址方式 在一般的并行接口擴展系統(tǒng)中 , 器件地址都是由地址線的連接形式?jīng)Q定的 , 而在 I2C總線系統(tǒng)中 , 地址是由器件類型及其地址引腳電平?jīng)Q定的 , 對器件的尋址采用軟件方法。 I2C總線上的所有外圍器件都有規(guī)范的器件地址。 器件地址由 7位組成 , 它與一位方向位共同構(gòu)成了 I2C總線器件的尋址字節(jié)。 尋址字節(jié) (SLA)的格式如表 。 第 5章 單片機串行口功能擴展 表 尋址字節(jié)格式 第 5章 單片機串行口功能擴展 器件地址 (DA3, DA2, DA1, DA0)是 I2C總線外圍器件的固有地址編碼 , 器件出廠時就已經(jīng)給定。 例如 , I2C總線 E2PROM AT24C02的器件地址為 1010, 4位 LED驅(qū)動器 SAA1064的器件地址為 0111。 引腳地址 (A2, A1, A0)是由 I2C總線外圍器件引腳所指定的地址端口 , A A1和 A0在電路中可接電源、 接地或懸空 , 根據(jù)其連接狀態(tài)形成地址代碼。 數(shù)據(jù)方向位 (R／ W)規(guī)定了總線上的單片機 (主器件 )與外圍器件 (從器件 )的數(shù)據(jù)傳送方向。 R／ W=1, 表示接收 (讀 )。 R／W=0, 表示發(fā)送 (寫 )。 第 5章 單片機串行口功能擴展 3. 總線的電氣結(jié)構(gòu)與驅(qū)動能力 如圖 , I2C總線接口內(nèi)部為雙向傳輸電路。 總線端口輸出端為漏極開路 , 故總線上必須有上拉電阻。 上拉電阻 RP與電源電壓 VDD和總線串接電阻有關(guān) , 可參考有關(guān)數(shù)據(jù)手冊 , 通常取 5～ 10 kΩ。 第 5章 單片機串行口功能擴展 圖 I2C總線接口的電氣結(jié)構(gòu) 第 5章 單片機串行口功能擴展 I2C總線上的外圍擴展器件都是 CMOS器件 , 屬于電壓型負載。 總線上的器件數(shù)量不是由電流負載能力決定的 , 而是由電容負載決定的。 I2C總線上每個節(jié)點器件的接口都有一定的等效電容 , 這會造成信號傳輸?shù)难舆t。 通常 I2C總線的負載能力為 400 pF(通過驅(qū)動擴展可達 4000 pF), 據(jù)此可計算出總線長度及連接器件的數(shù)量。 總線上每個外圍器件都有一個器件地址 , 擴展器件時也要受器件地址空間的限制。 I2C總線傳輸速率為 100 kb／ s, 新規(guī)范中傳輸速率可達 400 kb／ s。 第 5章 單片機串行口功能擴展 4. I2C總線上的數(shù)據(jù)傳送 1) 數(shù)據(jù)傳送 I2C總線上每傳送一位數(shù)據(jù)都與一個時鐘脈沖相對應(yīng)。 在時鐘線高電平期間 , 數(shù)據(jù)線上必須保持穩(wěn)定的邏輯電平狀態(tài) , 高電平為數(shù)據(jù)“ 1”, 低電平為數(shù)據(jù)“ 0”。 只有在時鐘為低電平時 , 才允許數(shù)據(jù)線上的電平狀態(tài)變化。 第 5章 單片機串行口功能擴展 I2C總線上數(shù)據(jù)傳送的每一幀數(shù)據(jù)均為一字節(jié)。 但啟動 I2C總線后 , 傳送的字節(jié)數(shù)沒有限制 , 只要求每傳送一字節(jié)后 , 對方回答一個應(yīng)答位。 總線傳送完一字節(jié)后 , 可以通過對時鐘的控制來使傳送停止。 例如 , 當某個外圍器件接收 N字節(jié)后 , 需要一段處理時間 , 以便接收以后的字節(jié)數(shù)據(jù)。 這時可以在應(yīng)答信號后 , 使 SCL變?yōu)榈碗娖?, 控制總線暫停 。 如果單片機要求總線暫停 , 則也可使時鐘線保持低電平 , 控制總線暫停。 第 5章 單片機串行口功能擴展 在發(fā)送時 , 首先發(fā)送的是數(shù)據(jù)的最高位。 每次傳送開始時有起始信號 , 結(jié)束時有停止信號。 I2C總線的數(shù)據(jù)傳送過程如圖 。 第 5章 單片機串行口功能擴展 圖 I2C總線的數(shù)據(jù)傳送過程 第 5章 單片機串行口功能擴展 2) 總線信號 I2C總線上與數(shù)據(jù)傳送有關(guān)的信號有起始信號 (S)、 終止信號 (P)、 應(yīng)答信號 (A)、 非應(yīng)答信號 (A)以及總線數(shù)據(jù)位。 現(xiàn)分述如下 : 起始信號 (S): 在時鐘 SCL為高電平時 , 數(shù)據(jù)線 SDA出現(xiàn)由高到低的下降沿 , 被認為是起始信號。 只有出現(xiàn)起始信號以后 , 其他命令才有效。 第 5章 單片機串行口功能擴展 終止信號 (P): 在時鐘 SCL為高電平時 , 數(shù)據(jù)線 SDA出現(xiàn)由低到高的上升沿 , 被認為是終止信號。 隨著終止信號的出現(xiàn) , 所有外部操作都結(jié)束。 起始信號和終止信號如圖 。 這兩個信號都是由主器件產(chǎn)生的 , 總線上帶有 I2C總線接口的器件很容易檢測到這些信號。 但對于不具備 I2C總線接口的一些單片機來說 , 為了準確地檢測這些信號 , 必須保證在總線的一個時鐘周期內(nèi)對數(shù)據(jù)線至少進行兩次采樣。 第 5章 單片機串行口功能擴展 圖 I2C總線的起始信號和終止信號 第 5章 單片機串行口功能擴展 應(yīng)答信號 (A): I2C總線傳送數(shù)據(jù)時 , 每傳送一個字節(jié)數(shù)據(jù)后都必須有應(yīng)答信號 , 與應(yīng)答信號相對應(yīng)的時鐘由主器件產(chǎn)生。 這時 , 發(fā)送方必須在這一時鐘上釋放總線 , 使其處于高電平狀態(tài) , 以便接收方在這一位上送出應(yīng)答信號。 應(yīng)答信號產(chǎn)生的時序如圖 。 應(yīng)答信號在第 9個時鐘位上