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  • 嵌入式常用板上通信接口

    千次阅读 2015-07-28 16:32:13
    下面将逐一说明常用的板上通信接口。 1. I2C总线 I2C总线是一种同步、双向、半双工的两线式串行接口总线。这里,半双工的含义是指在任意给定的时刻,只有一个方向上是可以通信的。I2C总线最早由Philips半导体公司...

    在嵌入式系统中,板上通信接口是指用于将各种集成电路与其他外围设备交互连接的通信通路或总线。下面将逐一说明常用的板上通信接口。

    1. I2C总线

    I2C总线是一种同步、双向、半双工的两线式串行接口总线。这里,半双工的含义是指在任意给定的时刻,只有一个方向上是可以通信的。I2C总线最早由Philips半导体公司于20世纪80年代研发面市。I2C最初的设计目标是为微处理器/微控制器系统与电视机外围芯片之间的连接提供简单的方法。I2C总线由两条总线组成:串行时钟线SCL和串行数据线SDA。SCL线负责产生同步时钟脉冲,SDA线负责在设备间传输串行数据。I2C总线是共享的总线系统,因此可以将多个I2C设备连接到该系统上。连接到I2C总线上的设备既可以用作主设备,也可以用作从设备。主设备负责控制通信,通过对数据传输进行初始化/终止化,来发送数据并产生所需的同步时钟脉冲。从设备则是等待来自主设备的命令,并响应命令接收。主设备和从设备都可以作为发送设备或接收设备。无论主设备是作为发送设备还是接收设备,同步时钟信号都只能由主设备产生。在相同的总线上,I2C支持多个主设备的同时存在。图2-26显示了I2C总线上主设备和从设备的连接关系。


     

    基于输入缓冲区和漏极开路晶体管(或者是集电极开路晶体管),可以构建I2C总线接口。当总线处于空闲状态的时候,漏极开路晶体管(或者是集电极开路晶体管)处于悬空状态,输出导线(SDA和SCL)为高阻态。为了使总线正常工作,应该使用上拉电阻,将两条总线都上拉到供电电压(TTL系列器件为+5V,CMOS系列器件为+3.3V)。上拉电阻通常取值为2.2K。使用上拉电阻,总线上输出导线处于空闲状态的时候,对应于高电平。

    通过将设备地址线硬件连接到所需的逻辑电平上,可以分配I2C设备的地址。在嵌入式设备中,当设计嵌入式硬件的时候,需要分配各种I2C设备的地址并完成硬件连接。系统与I2C从设备通信的工作顺序如下:

    (1) 主设备将总线上的时钟线(SCL)拉高到高电平。

    (2) 当SCL线处于高电平逻辑(这是数据传输的启动条件)的时候,主设备将数据线(SDA)拉低到低电平。

    (3) 主设备通过SDA线,将从设备地址(具有7位或10位宽度)发送到通信目的地址。从设备会在SCL线上产生时钟脉冲,用于同步位接收。需要说明的是,系统总是首先传输数据的MSB(最高位)。在时钟信号处于高电平期间,总线中的数据是有效的。

    (4) 根据需求,主设备发送读位或写位(位值等于1意味着读操作,位值等于0意味着写操作)。

    (5) 主设备等待从设备发出确认位。在发送读/写操作命令的同时,从设备的地址也会发送到总线上。对于连接到总线上的从设备,会将接收到的地址与分配的地址进行比较。

    (6) 如果从设备接收到来自主设备的指令并且地址正确,那么从设备通过SDA线发送确认位(值为1)。

    (7) 主设备接收到确认位之后,如果操作指令是向设备写入数据,就通过SDA线向从设备发送8位数据。如果操作指令是从设备读出数据,从设备将通过SDA线将数据发送给主设备。

    (8) 对于写入操作,在字节传输结束之后,主设备等待从设备发送确认位;对于读出操作,在字节传输结束之后,主设备向从设备发送确认位。

    (9) 当时钟线SCL处于逻辑高电平(表示停止)的时候,通过将SDA线拉高到高电平,主设备可以终止数据传输。

    I2C总线支持三种不同的数据速率:标准模式(数据速率为100kb/秒,即100kbps)、快速模式(数据速率为400kb/秒,即400kbps)、高速模式(数据速率为3.4Mb/秒,即3.4Mbps)。第一代I2C设备设计所支持的数据速率只有100kbps,新一代I2C设备则能够以高达3.4Mbps的数据速率工作。

    2. SPI总线

    SPI总线是同步、双向、全双工的4线式串行接口总线,最早由Motorola公司提出。SPI是由“单个主设备+多个从设备”构成的系统。需要说明的是:在系统中,只要任意时刻只有一个主设备是处于激活状态的,就可以存在多个SPI主设备。为了实现通信,SPI共有4条信号线,分别是:

    (1)主设备出、从设备入(Master Out Slave In,MOSI):由主设备向从设备传输数据的信号线,也称为从设备输入(Slave Input/Slave Data In,SI/SDI)。

    (2)主设备入、从设备出(Master In Slave Out,MISO):由从设备向主设备传输数据的信号线,也称为从设备输出(Slave Output/Slave Data Out,SO/SDO)。

    (3)串行时钟(Serial Clock,SCLK):传输时钟信号的信号线。

    (4)从设备选择(Slave Select,SS):用于选择从设备的信号线,低电平有效。

    图2-27显示了SPI总线上主设备和从设备的连接关系图。


     

    主设备负责产生时钟信号,并通过将相应从设备的从设备选择信号拉低为低电平,选通所需的从设备。在没有选通的时候,所有从设备的数据输出线MISO都悬空处于高阻态。

    SPI总线上的串行数据传输是用户可配置的。SPI设备包含特定的寄存器组,可以保存所需的配置。串行外围设备的控制寄存器用于保存各种配置参数,比如器件的主/从选择、通信波特率的选择、时钟信号控制等。状态寄存器则用于保存各种通信条件的状态,实现所需的数据传输和数据接收。

    SPI的工作是基于移位寄存器的;为了实现数据传输或数据接收,主设备和从设备包含了专用移位寄存器。移位寄存器的长度取决于具体设备,通常是8的整数倍。数据在从主设备传输到从设备的过程中,主设备移位寄存器中的数据从MOSI管脚移出,然后通过从设备的MOSI管脚,输入到从设备的移位寄存器中。与此同时,由从设备移位寄存器移位出来的数据,通过MISO管脚,输入到主设备的移位寄存器中。也就是说,主设备和从设备的移位寄存器构成了一个循环缓冲区。对于特定类型的器件,可以通过配置寄存器(比如,对于Motorola公司生产的68HC12型控制器,需要配置SPI控制寄存器的LSBF位),决定最先发送的数据位是最高位还是最低位。

    与I2C总线相比,SPI总线更适于数据流传输。SPI的不足之处在于,SPI不支持数据确认机制

    3. UART

    基于UART的数据传输是异步形式串行数据传输。基于UART的串行数据传输不需要使用时钟信号来同步传输的发送端和接收端而是依赖于发送设备和接收设备之间预定义的配置。对于发送设备和接收设备来说,两者的串行通信配置(波特率、单位字的位数、奇偶校验、起始位数与结束位、流量控制)应该设置为完全相同。通过在数据流中插入特定的比特序列,可以指示通信的开始与结束。当发送一个字节数据的时候,需要在比特流的开头加上起始位,并在比特流的末尾加上结束位。数据字节的最低位紧接在起始位之后。

    起始位用于告知接收设备:数据字节将要到达接收端。然后,接收设备按照设定的波特率,选中其数据接收线。如果波特率是x比特/秒,那么每个比特可用的时隙是1/x秒。接收设备会精确地在比特可用时隙一半的位置,定时选中数据接收线。如果通信使用了奇偶校验功能,那么UART发送设备会在发送数据流中增加奇偶校验位(取值为1,表示传输比特流中含有奇数个1;取值为0,则表示传输比特流中含有偶数个1)。UART接收设备计算接收到的数据位的奇偶校验结果,并与接收到的奇偶校验位进行比较。UART接收设备丢弃掉接收比特流中的起始位、结束位、奇偶校验位,并将接收到的串行比特数据转换成字(比如,考虑8比特对应于1个字节的情况,接收到8比特,最先接收到的数据位是LSB,最后接收到的数据位是MSB)。

    为了实现正确的通信,发送设备的数据传输线应该连接到接收设备的数据接收线上。图2-28显示了UART的连接图。


     

    除了串行数据传输功能以外,UART还可以为控制串行数据流提供硬件握手信号支持。很多半导体厂商都提供了相应的UART芯片。National半导体公司生产的8250 UART是具有标准设置的UART,用于IBM PC的早期设计中。

    如今,大多数微处理器/控制器都集成有UART功能,并为串行数据传输与接收提供内置式的指令支持。

    4. 1-Wire接口

    1-Wire接口是由Maxim Dallas半导体公司(首页为http://www.maxim-ic.com)开发的异步半双工通信协议,也称为Dallas 1-Wire®协议。其中,按照主-从通信模型,只使用单条信号线DQ实现通信。1-Wire总线的一个重要特征在于,该总线允许在信号线上传输能量。I2C从设备在信号线上使用内部电容器(其典型取值为800 pF)来驱动设备。1-Wire接口支持在总线上连接单个主设备以及一个或多个从设备。图2-29显示了1-Wire总线上主设备和从设备的连接关系图。


     

    每台1-Wire设备都具有全球唯一可识别的64位识别码信息,存储在设备内部。对于多台从设备连接到1-Wire总线上的情况,通过解读唯一的识别码,可以寻址总线上存在的各台独立设备。识别码由以下三个部分组成:8位的类别码、48位的序列号以及前56比特数据的8位CRC校验结果。与1-Wire从设备通信的具体流程如下:

    (1) 主设备将复位脉冲发送到1-Wire总线上。

    (2) 总线上的从设备通过确认脉冲予以回应。

    (3) 主设备发送ROM命令(网络寻址命令,参数是设备的64位地址),从而寻址到需要发起通信的从设备。

    (4) 主设备发送读/写命令,对从设备的内部存储器或寄存器进行读/写操作。

    (5) 主设备将数据由从设备读出,或者是将数据写入从设备。

    1-Wire总线上的所有通信都是由主设备发起的。其中,通信的最小间隔是时长为60微秒的时隙。复位脉冲占用8个时隙。在通信的开始阶段,主设备将1-Wire总线拉低到低电平,并持续8个时隙(即480 μs),从而发出复位脉冲。如果总线上存在从设备,而且已经准备好进行通信,那么从设备将通过确认脉冲来回应主设备;也就是说,从设备将1-Wire总线拉低到低电平,并持续1个时隙(即60 μs)。为了在1-Wire总线上写入位值1,需要总线主设备将总线拉低,其持续时间为1~15 μs,然后在该时隙的其余时间段释放总线。为了在总线上写入位值0,主设备需要将总线拉低,其持续时间至少为1个时隙(60 μs),最多为2个时隙(120 μs)。为了由从设备读出位值,主设备需要将总线拉低,并持续1~15 μs。为了响应主设备的读数据请求,如果从设备想要发送位值1,那么从设备只需要在该时隙的其余时间段释放总线;如果从设备想要发送位值0,那么从设备需要在该时隙的其余时间段将总线拉低。

    5. 并行接口

    板上并行接口(parallel interface)通常用于系统与外围设备之间的通信,其中,外围设备通过存储器映射到系统的主控端。只要嵌入式系统的主控处理器/控制器含有并行总线,支持并行总线的设备就可以直接连接到该总线系统上。外围设备与主控端之间具有控制信号接口,可以控制并行总线上的数据通信。这里,通信的控制信号包括读/写信号和设备选择信号。一般说来,外围设备具有设备选择线;只有当主控处理器选通该线的时候,该设备才是有效的。数据传输的方向可以是从主控端到外围设备,也可以是从外围设备到主控端;这是通过读和写控制信号线进行控制的。只有主控处理器能够控制读控制信号和写控制信号。一般说来,外围设备通过存储器映射到主控处理器,从而可以访问分配的地址范围。此时,设备需要使用地址译码电路来产生芯片选择信号。当处理器选择的地址位于设备指定范围内的时候,译码电路对芯片选择线进行触发,从而激活设备。然后,处理器可以使能相应的控制线(分别是RD\与WD\),从而由设备读出数据,或者是向设备写入数据。为了实现并行通信,系统需要严格遵循时序规范。前面已经提到过,并行通信是由主控处理器启动的。如果某外围设备想要对通信进行初始化,那么可以向处理器发出中断,告知相关信息。为了实现上述功能,设备的中断线需要连接到处理器的中断线上,并且主控处理器需要触发相应的中断。需要说明的是,主控处理器的数据总线宽度决定了并行接口的宽度,可以是4位、8位、16位、32位、64位等。设备支持的总线宽度应该与主控处理器完全相同。图2-30显示了并行接口总线上主控处理器和设备的连接关系图。


     

    并行数据通信为系统提供了高速数据传输能力。

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  • 整合了网上的资源,整理出了常用通信接口二(CAN、I2C、SPI、UART、GPIO原理与区别),含概念,原理,原理图,基本上这一份就够了
  • 常用DB9接口或RJ45接口,传输线常用网络双绞线或同轴电缆,协议一般采用与RS232匹配的异步串行通信方式。 RS422也称EIA-422, 全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”,规定采用4线,采用全双工,差分传输,实际上...

    RS485和RS422只对电气特性进行定义,规定协议、接口类型、传输线缆。常用DB9接口或RJ45接口,传输线常用网络双绞线或同轴电缆,协议一般采用与RS232匹配的异步串行通信方式。
    RS422也称EIA-422, 全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”,规定采用4线,采用全双工,差分传输,实际上还有一根信号地线,共5根线。
    RS485相当简化版的RS422, 采用两线制,只能工作在半双工,即收和发不能同时进行。在RS485器件中,一般还有一个“使能”控制信号,“使能”信号用于控制“发送发送器”与传输线的切断和连接,当使能端起作用时,发送发送器处于高阻状态,称作“第三态”,它是有别于逻辑“1”和“0”的第三种状态。任何时候只能有一点处于发送状态,因此,发送电路须由使能信号加以控制。
    四线全双工RS422接线图
    RS485转换为RS232
    传输速率:RS-422和RS485的最大传输距离为4000英尺(约1219米),最大传输速率为10Mb/s。平衡双绞线的长度与传输速率成反比。在100kb/s速率以下,才可能达到最大传输距离。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为1Mb/s。
    传输类型:RS422全双工,RS485半双工。
    电平范围及逻辑关系:
    发送端间T+与T-的电压差+2 ~ +6v为逻辑1; -2 ~ -6v 为逻辑0。
    接收端 R+与R-间的电压差大于 +200mv 为逻辑1,小于-200mv 为逻辑0。
    定义逻辑1为D+>D-或R+>R-的状态, 定义逻辑0为D+<D-或R+<R-的状态。
    接收端R+,R-之间的电压差不小于200mv.
    收发器共模电压范围为-7~+12V超出此范围时就会影响通信的稳定可靠,甚至损坏接口。
    传输线阻抗:若采用双绞线则传输阻抗为120ohm。
    允许并联电容要求:无。
    支持设备数量:
    RS422采用平衡传输采用单向/非可逆,有使能端或没有使能端的传输线。于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器比RS232更强的驱动能力,故允许在相同传输线上连接多个接收节点,最多可接10个节点。一个主设备(Master),其余为从设备(Slave),从设备之间不能通信,所以RS-422支持点对多的双向通信。
    RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。即具有多站能力,这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。但是任何时候只能有一点处于发送状态,因此,发送电路须由使能信号加以控制。
    设计要点:
    1)端接电阻
    RS-422和RS485需要一终接电阻,要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。在短距离传输时可不需终接电阻,即一般在300米以下不需终接电阻。终接电阻接在传输电缆的最远端。
    端接电阻
    2)收发器电路设计
    RS485收发器电路设计利用SBUS多主式协议,完成了多路温度采集系统的设计。常见的串口RS-232标准因为通信距离短、速率低,所以不适于该通信系统,而RS一485标准则很好地弥补了这方面的缺陷。所以物理层的收发器设计采用了MAX485芯片,具体电路如图所示。
    RS485应用举例
    Rs485收发器有2个使能端,将接收使能端接地,发送使能端由51单片机控制,所以主机空闲时一直处于接收状态,而当需要发送数据的时候使能发送端即可。另外,为了实现总线的监听,将串口接收端通过施密特触发器接至单片机的外部中断INT0,这样可通过中断来判断总线是否忙。
    在 RS485 通信网络中,通常会使用 485 收发器来转换 TTL 电平和 RS485 电平。节点中的串口控制器使用 RX 与 TX 信号线连接到 485 收发器上,而收发器通过差分线连接到网络总线,串口控制器与收发器之间一般使用 TTL 信号传输,收发器与总线则使用差分信号来传输。发送数据时,串口控制器的 TX 信号经过收发器转换成差分信号传输到总线上,而接收数据时,收发器把总线上的差分信号转化成 TTL 信号通过 RX 引脚传输到串口控制器中。通常在这些节点中只能有一个主机,剩下的全为从机。在总线的起止端分别加了一个 120 欧的匹配电阻。

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  • 嵌入式系统中常用通信接口技术

    千次阅读 2018-09-02 16:10:01
    嵌入式系统中常用通信接口技术 梦里流沙2011-11-24 嵌入式系统中微处理器要和很多外围设备连接通信,最简单来说,比如你要控制一块触摸屏,你要和触摸屏进行通信控制。这个通信接口可能要用I2C,也可能用SPI协议...

    嵌入式系统中常用的通信接口技术

    梦里流沙2011-11-24

    嵌入式系统中微处理器要和很多外围设备连接通信,最简单来说,比如你要控制一块触摸屏,你要和触摸屏进行通信控制。这个通信接口可能要用I2C,也可能用SPI协议。如果你的这个系统还有另外一种I2C或者是SPI协议的外设,你就可以利用一种硬件接口电路来控制拥有相同协议的多种设备。这种硬件接口电路就叫总线。采用总线结构是电路简单化、微型化。当不同设备制定了了统一的总线标准,则很容易使不同设备连接到同一种总线,进行通信。也就是说如果一个系统有很多外设,而这些外设有各自的通信接口,那么我们就需要针对每一个外设去做一个通信接口电路。这样会大大增加系统软件和硬件压力。但是如果将不同设备的通信接口规范化,那样就会大大减少系统设计的压力。效率会大大的提高。

    微机系统中一般有内部总线、系统总线和外部总线;内部总线是微机内部各外围芯片与处理器之间的总线。系统总线又称内总线或板级总线;因为系统总线是用来连接微机各功能部件而构成一个完整微机系统的,所以称之为系统总线。系统总线上传送的信息包括数据信息、地址信息、控制信息,因此,系统总线包含有三种不同功能的总线,即数据总线DB(Data Bus)、地址总线AB(Address Bus)和控制总线CB(Control Bus)。外部总线又称通信总线,是微机系统之间或微机系统与其他系统(仪器、仪表、控制装置等)之间信息传输的通路。

    从广义上说,计算机通信从传输方式上可以分为并行总线和串行总线通信,并行通信速度快、实时性好,但由于占用的口线多,不适于小型化产品,比如VME总线和PCI总线;而串行通信速率虽低,但在数据通信吞吐量不是很大的微处理电路中则显得更加简易、方便、灵活,比如RS-232、RS-485、RS-422A、USB、以太网和I2C总线等。按时钟信号分为同步总线和异步总线,同步总线有I2C总线、SPI总线、PCI总线、CPCI总线;异步总线有SCI总线、IEEE 488和ANSI X3.131-1986 SCSI总线、VME总线等。

    在这里解释一下SCI和UART、RS232之间的关系,在大学的时候不同的单片机datasheet对串口部分的描述不一样,有称作SCIF的,还有叫UART的,一直都没想过有什么区别。其实SCI(Serial Communication Interface)意为串行通信接口,是串行通信技术的总称。而UART(Universal Asynchronous Receiver & Transmitter)即通用异步收发器,是串行通信的一种协议,算是一个子集,它规定串行通信的波特率、起始/停止位、数据位、校验位等格式,以及各种异步握手信号。 RS232是串行通信的一种物理接口电气标准,规定传输介质(电缆)、收发电平等。

    对于串行通讯串行通信可以分为同步通信和异步通信两类。同步通信是按照软件识别同步字符来实现数据的发送和接收,同步通信是一种连续串行传送数据的通信方式,一次通信只传送一帧信息。这里的信息帧与异步通信中的字符帧不同,通常含有若干个数据字符。异步通信是一种利用字符的再同步技术的通信方式。在异步通行中有两个比较重要的指标:字符帧格式和波特率。数据通常以字符或者字节为单位组成字符帧传送。字符帧由发送端逐帧发送,通过传输线被接收设备逐帧接收。发送端和接收端可以由各自的时钟来控制数据的发送和接收,这两个时钟源彼此独立,互不同步。

    在串行通信中,数据通常是在两个站(如终端和微机)之间进行传送,按照数据流的方向可分成三种基本的传送方式:全双工、半双工、和单工。但单工目前已很少采用,下面仅介绍前两种方式。当数据的发送和接收分流,分别由两根不同的传输线传送时,通信双方都能在同一时刻进行发送和接收操作,这样的传送方式就是全双工制。若使用同一根传输线既作接收又作发送,虽然数据可以在两个方向上传送,但通信双方不能同时收发数据,这样的传送方式就是半双工制。

    以下内容为网络转载:

    一、内部总线

    1、I2C总线

    I2C(Inter-IC)总线10多年前由PHILIPS公司推出,是近年来在微电子通信控制领域广泛采用的一种新型总线标准。它是同步通信的一种特殊形式,具有接口

    线少,控制方式简化,器件封装形式小,通信速率较高等优点。在主从通信中,

    可以有多个I2C总线器件同时接到I2C总线上,通过地址来识别通信对象。

    2、SPI总线

    串行外围设备接口SPI(serial peripheral interface)总线技术是MOTOROLA公司推出的一种同步串行接口。MOTOROLA公司生产的绝大多数MCU(微控制器)

    都配有SPI硬件接口,如68系列MCU。SPI总线是一种三线同步总线,因其硬件功能很强,所以,与SPI有关的软件就相当简单,使CPU有更多的时间处理其他事务。

    3、SCI总线

    串行通信接口SCI(serial communication interface)也是由MOTOROLA公司

    推出的。它是一种通用异步通信接口UART,与MCS-51的异步通信功能基本相同。

    二、系统总线

    1、ISA总线

    ISA(industrial STANDARD architecture)总线标准是IBM 公司1984年为推出

    PC/AT机而建立的系统总线标准,所以也叫AT总线。它是对XT总线的扩展,以适应8/16位数据总线要求。它在80286至80486时代应用非常广泛,以至于现在奔腾机中还保留有ISA总线插槽。ISA总线有98只引脚。

    2、EISA总线

    EISA总线是1988年由Compaq等9家公司联合推出的总线标准。它是在ISA总线的基础上使用双层插座,在原来ISA总线的98条信号线上又增加了98条信号线,也就是在两条ISA信号线之间添加一条EISA信号线。在实用中,EISA总线完全兼容ISA总线信号。

    3、VESA总线

    VESA(VIDEO ELECTRONICS STANDARD association)总线是1992年由60家附件卡制造商联合推出的一种局部总线,简称为VL(VESA local bus)总线。它的推出为微机系统总线体系结构的革新奠定了基础。该总线系统考虑到CPU与主存和Cache 的直接相连,通常把这部分总线称为CPU总线或主总线,其他设备通过VL总线与CPU总线相连,所以VL总线被称为局部总线。它定义了32位数据线,且可通过扩展槽扩展到64 位,使用33MHZ时钟频率,最大传输率达132MB/s,可与CPU同步工作。是一种高速、高效的局部总线,可支持386SX、386DX、486SX、486DX及奔腾微处理器。

    4、PCI总线

    PCI(peripheral component interconnect)总线是当前最流行的总线之一,它是由INTEL公司推出的一种局部总线。它定义了32位数据总线,且可扩展为64位。PCI总线主板插槽的体积比原ISA总线插槽还小,其功能比VESA、ISA有极大的改善,支持突发读写操作,最大传输速率可达132MB/s,可同时支持多组外围设备。PCI局部总线不能兼容现有的ISA、EISA、MCA(MICRO channel architecture)总线,但它不受制于处理器,是基于奔腾等新一代微处理器而发展的总线。

    5、Compact PCI

    以上所列举的几种系统总线一般都用于商用PC机中,在计算机系统总线中,还有另一大类为适应工业现场环境而设计的系统总线,比如STD总线、VME总线、PC/104总线等。这里仅介绍当前工业计算机的热门总线之一——Compact PCI。 Compact PCI的意思是“坚实的PCI”,是当今第一个采用无源总线底板结构的PCI系统,是PCI总线的电气和软件标准加欧式卡的工业组装标准,是当今最新

    的一种工业计算机标准。Compact PCI是在原来PCI总线基础上改造而来,它利用PCI的优点,提供满足工业环境应用要求的高性能核心系统,同时还考虑充分利用传统的总线产品,如ISA、STD、VME或PC/104来扩充系统的I/O和其他功能。

    三、外部总线

    1、RS-232-C总线

    RS-232-C是美国电子工业协会EIA(Electronic Industry Association)制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写,232为标识号,C表示修改次数。RS-232-C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,在多数情况下主要使用主通道,对于一般双工通信,仅需几条信号线就可

    实现,如一条发送线、一条接收线及一条地线。RS-232-C标准规定的数据传输

    速率为每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。RS-232-C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15m;若每米电缆的电容量减小,通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送,存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题,因此一般用于20m以内的通信。

    2、RS-485总线

    在要求通信距离为几十米到上千米时,广泛采用RS-485 串行总线标准。RS-485采用平衡发送和差分接收,因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度,能检测低至200mV的电压,故传输信号能在千米以外得到恢复。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,因此,发送电路须由使能信号加以控制。RS-485用于多点互连时非常方便,可以省掉许多信号线。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。

    3、IEEE-488总线

    上述两种外部总线是串行总线,而IEEE-488 总线是并行总线接口标准。IEEE-488总线用来连接系统,如微计算机、数字电压表、数码显示器等设备及其他仪器仪表均可用IEEE-488总线装配起来。它按照位并行、字节串行双向异步方式传输信号,连接方式为总线方式,仪器设备直接并联于总线上而不需中介单元,但总线上最多可连接15台设备。最大传输距离为20米,信号传输速度一般为500KB/s,最大传输速度为1MB/s。

    4、USB总线

    通用串行总线USB(universal serial bus)是由INTEL、Compaq、DIGITAL、IBM、Microsoft、NEC、Northern Telecom等7家世界著名的计算机和通信公司共同推出的一种新型接口标准。它基于通用连接技术,实现外设的简单快速连接,达到方便用户、降低成本、扩展PC连接外设范围的目的。它可以为外设提供电源,而不像普通的使用串、并口的设备需要单独的供电系统。另外,快速是USB技术的突出特点之一,USB的最高传输率可达12Mbps比串口快100倍,比并口快近10倍,而且USB还能支持多媒体。但是不能通过USB进行计算机的互连

    5、IEEE1394

    Apple 公司的FireWire基础上由IEEE制定的标准。与USB有很大的相似性。采

    用树形或菊花链结构,以级连方式在一个接口上最多可连接63个不同种类的设备。传输速率高,最高可达3.2Gb/s;实时性好,总线提供电源,系统中各设备之间的关系是平等的,连接方便,允许热插拔和即插即用。

    四、现场总线

    1、LonWorks 总线

    LonWorks 是由美国 Echelon 公司推出并由它与摩托罗拉、东芝公司共同倡导,于 1990 年正式公布而形成的。其通信协议 LonTalk 支持 ISO/OSI 的全部 7 层模型,这是 Lon 总线最杰出的特点。LonTalk 协议通过神经元芯片(Neuron Chip)上的硬件和固件实现,提供介质存取、事物确认和对等通信服务;还有一

    些先进服务如接收认证、优先级传输、单一/广播/组播消息发送等。另外,它采用面向对象的设计方法,通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置,其通信速率从 300bps 至1.5Mbps 不等,直接通信距离可达 2700m(78Kbps,双绞线);持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多种通信介质,并开发了相应的本质安全防爆产品。其编址方法提供了巨大的网络寻址能力(系统支持 32385 个网络设备)。

    高可靠性、安全性、易于实现和互操作性,使得 LonWorks 产品应用非常广泛,如灌溉管理、电路板诊断、分散和过程控制、电梯控制、能源管理、环境监视、污水处理、火灾报警、采暖通风和家庭网络自动化等。

    2、Profibus 总线

    Profibus 是德国国家标准 DIN9245 和欧洲标准 EN50170 的现场总线标准。Profibus 在实际应用中成绩斐然,在众多总线中居于前列,广泛用于各种行业。目前的 Profibus 有 3 种系列:Profibus-DP、Profibus- FMS 和 Profibus-PA。Profibus-DP应用于现场级,是一种高速低成本通信,适用于设备级控制系统与分散式 I/O 的实时通信;Profibus-FMS 用于车间级监控网络,是一个令牌结构、实时多主网络;Profibus-PA 专为过程自动化设计,它采用了 IEC1158-2 传输技术,可实现总线供电和本质安全防爆。

    Profibus 总线访问协议是一种混合的协议,包括主站之间的令牌传递方式(Token Ring)和主站与从站之间的主从方式。主站在一个限定的时间框内(令牌占有时间)有总线访问权。Profibus 应用于制造业、流程工业、交通、冶金、楼宇自动化等领域。

    3、基金会现场总线

    基金会现场总线(FF,Foundation Fieldbus)是在过程自动化领域得到了广泛支持和具有良好发展前景的技术。它是由以 Fisher-Rosement 公司为首,联合 Foxboro、横河、ABB、西门子等 80 家公司制定的 ISP 协议和以美国 Honeywell 公司为首,联合欧洲等地的 150 家公司制定的 WorldFIP 协议,于 1994 年合并统一而成的现场总线技术。它以 ISO/OSI 开放系统互联模型为基础,取其物理层、应用层为 FF 通信模型的相应层次,并在应用层上增加了用户层。用户层主要针对自动化测控应用的需要,定义了信息存取的统一规则,采用设备描述语言规定了通用的功能块集。

    基金会现场总线分低速 H1 和高速 H2 两种通信速率。H1 的传输速率为

    31.25Kbps,通信距离可达 1900m(可加中继器延长),可支持总线供电,支持本质安全防爆环境。H2 的传输速率可为 1Mbps 和 2.5Mbps 两种,其通信距离分别为750m 和 500m。

    基金会现场总线的主要技术内容,包括 FF 通信协议,用于完成开放互联模型中的第 2~7 层通信协议的通信栈、用于描述设备特征、参数、属性及操作接口的DDL 设备描述语言、设备描述字典、控制工程量转化等应用的功能块、实现系统组态、调度、管理等功能的系统软件技术以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。

    FF总线适用于石油、化工、钢铁、电站连续生产过程和部分批量生产,其相应的 FCS 产品适合连续的生产过程自动化。

    4、CAN 总线

    CAN 是控制器局域网络(Controller Area NetWork)的简称。它是德国 Bocsh 公司及几个半导体集成电路制造商开发出来的,起初是专门为汽车工业设计的,目的是为了节省接线的工作量,后来由于自身的特点被广泛地应用于各行各业。目前 CAN 已由 ISO 技术委员会批准为国际标准,在现场总线中,它是惟一被国际标准化组织批准的现场总线。CAN 协议也遵循 ISO/OSI 模型,采用了其中的物理层、数据链路层与应用层。CAN 采用多主工作方式,节点之间不分主从,但节点之间有优先级之分,通信方式灵活,可实现点对点、一点对多点及广播方式传输数据,无需调度。CAN 总线可采用双绞线,同轴电缆或光纤作力传输介质。通信速率可达 1Mbps/40m,直接通信距离最远可达 10km/5Kbps。可挂接设备数最多可达 110 个。

    CAN 的信号传输采用短帧结构,每帧有效字节为 8 个,传输距离短,受干扰的概率低。当节点严重错误时,具有自动关闭功能,以切断该节点与总线的联系,使总线上的其它节点及通信不受影响。可见,CAN 是所有总线中最为可靠的。

    5、HART 总线

    HART是Highway Addressable Remote Transducer的缩写。最早由 Rosemount公司开发并得到 80 多家著名仪表公司的支持,于 1993 年成立了 HART 通信基金会。这种被称为可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议,其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信,属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品,然而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力,得到了较快发展。它规定了一系列命令,按命令方式工作。它有 3 类命令,第 1 类称为通用命令,这是所有设备都理解、执行的命令;第 2 类称为一般行为命令,所提供的功能可以在许多现场设备(尽管不是全部)中实现,这类命令包括最常用的现场设备的功能库;第 3 类称为特殊设备命令,以便在某些设备中实现特殊功能,这类命令既可以在基金会中开放使用,又可以为开发此命令的公司所独有。在一个现场设备中通常可发现同时存在这 3 类命令。

    HART 采用统一的设备描述语言 DDL。现场设备开发商采用这种标准语言来描述设备特性,由 HART 基金会负责登记管理这些设备描述并把它们编为设备描述字典,主设备运用 DDL 技术来理解这些设备的特性参数而不必为这些设备开发专用接口。但这种模拟数字混合信号制导致难以开发出一种能满足各公司要求的通信接口芯片。HART 能利用总线供电,可满足本质安全防爆要求,并可组成由手

    持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统。

    从以上的比较可以看出,每一种现场总线都有其主应用领域,如:Profibus、FF 总线是从支持 PLC 控制发展起来的,它们更适合化工、钢铁、电站等连续生产过程和部分批量生产的过程控制领域。在智能建筑控制方面,由于国际标准化组织迟迟未定出关于楼宇自动化控制网络的标准规范,所以目前尚未有一个国际统一的标准。当前在该领域有两种技术应用最为广泛:一是美国供热、制冷与空调工程师协会(American Society of HeatingRefrigerating, and Air Conditioning Engineers, ASHRAE)制定的 BACnet 标准协议;二是 Echlon 公司提出的 LonWorks 总线技术。世界各大楼宇自控公司一致认为这两种技术是当前“最先进的”、“有非常大的潜在能力的”技术。

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    在嵌入式系统中,板上通信接口是指用于将各种集成电路与其他外围设备交互连接的通信通路或总线。

    以下内容为常用板上通信接口:包括I2C、SPI、UART、1-Wire:

    I2C总线

    I2C总线是一种同步、双向、半双工的两线式串行接口总线。这里,半双工的含义是指在任意给定的时刻,只有一个方向上是可以通信的。

    I2C总线最早由Philips半导体公司于20世纪80年代研发面市。I2C最初的设计目标是为微处理器/微控制器系统与电视机外围芯片之间的连接提供简单的方法。

    I2C总线由两条总线组成:串行时钟线SCL和串行数据线SDA。

    SCL线——负责产生同步时钟脉冲。

    SDA线——负责在设备间传输串行数据。

    I2C总线是共享的总线系统,因此可以将多个I2C设备连接到该系统上。连接到I2C总线上的设备既可以用作主设备,也可以用作从设备。

    主设备负责控制通信,通过对数据传输进行初始化/终止化,来发送数据并产生所需的同步时钟脉冲。

    从设备则是等待来自主设备的命令,并响应命令接收。主设备和从设备都可以作为发送设备或接收设备。无论主设备是作为发送设备还是接收设备,同步时钟信号都只能由主设备产生。

    在相同的总线上,I2C支持多个主设备的同时存在。图1-1显示了I2C总线上主设备和从设备的连接关系。

    当总线空闲时,SDA 和SCL 都处于高电平状态,当主机要和某个从机通讯时,会先发送一个开始条件,然后发送从机地址和读写控制位,接下来传输数据(主机发送或者接收数据),数据传输结束时主机会发送停止条件。传输的每个字节为8 位,高位在前,低位在后。

    • 开始条件:SCL 为高电平时,主机将SDA 拉低,表示数据传输即将开始。

    • 从机地址:主机发送的第一个字节为从机地址,高7 位为地址,最低位为R/W 读写控制位,1 表示读操作,0 表示写操作。

    一般从机地址有7 位地址模式和10 位地址模式两种,如果是10 位地址模式,第一个字节的头7 位是11110XX 的组合,其中最后两位(XX)是10 位地址的两个最高位,第二个字节为10 位从机地址的剩下8 位,如下图所示:

    • 应答信号:每传输完成一个字节的数据,接收方就需要回复一个ACK(acknowledge)。写数据时由从机发送ACK,读数据时由主机发送ACK。当主机读到最后一个字节数据时,可发送NACK(Notacknowledge)然后跟停止条件。

    • 数据:从机地址发送完后可能会发送一些指令,依从机而定,然后开始传输数据,由主机或者从机发送,每个数据为8 位,数据的字节数没有限制。

    • 重复开始条件:在一次通信过程中,主机可能需要和不同的从机传输数据或者需要切换读写操作时,主机可以再发送一个开始条件。

    • 停止条件:在SDA 为低电平时,主机将SCL 拉高并保持高电平,然后在将SDA 拉高,表示传输结束。

    SPI总线

    SPI总线是同步、双向、全双工的4线式串行接口总线,最早由Motorola公司提出。SPI是由“单个主设备+多个从设备”构成的系统。需要说明的是:在系统中,只要任意时刻只有一个主设备是处于激活状态的,就可以存在多个SPI主设备。常运用于EEPROM、FLASH、实时时钟、AD转换器、数字信号处理器和数字信号解码器之间实现通信。

    为了实现通信,SPI共有4条信号线,分别是:

    (1)主设备出、从设备入(Master Out Slave In,MOSI):由主设备向从设备传输数据的信号线,也称为从设备输入(Slave Input/Slave Data In,SI/SDI)。

    (2)主设备入、从设备出(Master In Slave Out,MISO):由从设备向主设备传输数据的信号线,也称为从设备输出(Slave Output/Slave Data Out,SO/SDO)。

    (3)串行时钟(Serial Clock,SCLK):传输时钟信号的信号线。

    (4)从设备选择(Slave Select,SS):用于选择从设备的信号线,低电平有效。

    SPI使用方法:

    上图所示芯片有2 个SPI 控制器,SPI 控制器对应SPI 主设备,每个SPI 控制器可以连接多个SPI从设备。挂载在同一个SPI 控制器上的从设备共享3 个信号引脚:SCK、MISO、MOSI,但每个从设备的CS 引脚是独立的.

    主设备通过控制CS 引脚对从设备进行片选,一般为低电平有效。任何时刻,一个SPI 主设备上只有一个CS 引脚处于有效状态,与该有效CS 引脚连接的从设备此时可以与主设备通信。

    所以,SPI通信方式可以使用“一主多从”的结构进行通信。每个连接到总线上的器件都有唯一的地址,主设备启动数据传输并产生时钟信号,从设备被主设备寻址,同一时刻只允许有一个主设备。

    从设备的时钟由主设备通过SCLK 提供,MOSI、MISO 则基于此脉冲完成数据传输。SPI 的工作时序模式由CPOL(Clock Polarity,时钟极性)和CPHA(Clock Phase,时钟相位)之间的相位关系决定,CPOL 表示时钟信号的初始电平的状态,CPOL 为0 表示时钟信号初始状态为低电平,为1 表示时钟信号的初始电平是高电平。CPHA 表示在哪个时钟沿采样数据,CPHA 为0 表示在首个时钟变化沿采样数据,而CPHA 为1 则表示在第二个时钟变化沿采样数据。

    根据CPOL 和CPHA 的不同组合共有4 种工作时序模式:CPOL=0,CPHA=0、CPOL=0,CPHA=1、CPOL=1,CPHA=0、CPOL=1,CPHA=1

    UART

    UART——通用异步收发传输器,UART 作为异步串口通信协议的一种,工作原理是将传输数据的每个字符一位接一位地传输。在应用程序开发过程中使用频率较高的数据总线。

    基于UART的数据传输是异步形式的串行数据传输。基于UART的串行数据传输不需要使用时钟信号来同步传输的发送端和接收端,而是依赖于发送设备和接收设备之间预定义的配置。

    对于发送设备和接收设备来说,两者的串行通信配置(波特率、单位字的位数、奇偶校验、起始位数与结束位、流量控制)应该设置为完全相同。通过在数据流中插入特定的比特序列,可以指示通信的开始与结束。当发送一个字节数据的时候,需要在比特流的开头加上起始位,并在比特流的末尾加上结束位。数据字节的最低位紧接在起始位之后。

    UART 串口的特点是将数据一位一位地顺序传送,只要2 根传输线就可以实现双向通信,一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。

    UART 串口通信有几个重要的参数,分别是波特率、起始位、数据位、停止位和奇偶检验位,对于两个使用UART 串口通信的端口,这些参数必须匹配,否则通

    • 起始位:表示数据传输的开始,电平逻辑为“0” 。

    • 数据位:可能值有5、6、7、8、9,表示传输这几个bit 位数据。一般取值为8,因为一个ASCII 字符值为8 位。

    • 奇偶校验位:用于接收方对接收到的数据进行校验,校验“1” 的位数为偶数(偶校验) 或奇数(奇校验),以此来校验数据传送的正确性,使用时不需要此位也可以。

    • 停止位:表示一帧数据的结束。电平逻辑为“1”。

    • 波特率:串口通信时的速率,它用单位时间内传输的二进制代码的有效位(bit) 数来表示,其单位为每秒比特数bit/s(bps)。常见的波特率值有4800、9600、14400、38400、115200 等,数值越大数据传输的越快,波特率为115200 表示每秒钟传输115200 位数据。

    1-Wire接口

    1-Wire接口是由Maxim Dallas半导体公司(首页为http://www.maxim-ic.com)开发的异步半双工通信协议,也称为Dallas 1-Wire®协议。其中,按照主-从通信模型,只使用单条信号线DQ实现通信。

    1-Wire总线的一个重要特征在于,该总线允许在信号线上传输能量。1-Wire接口支持在总线上连接单个主设备以及一个或多个从设备。

    并行接口

    板上并行接口(parallel interface)通常用于系统与外围设备之间的通信,其中,外围设备通过存储器映射到系统的主控端。只要嵌入式系统的主控处理器/控制器含有并行总线,支持并行总线的设备就可以直接连接到该总线系统上。外围设备与主控端之间具有控制信号接口,可以控制并行总线上的数据通信。这里,通信的控制信号包括读/写信号和设备选择信号。一般说来,外围设备具有设备选择线;只有当主控处理器选通该线的时候,该设备才是有效的。

    数据传输的方向可以是从主控端到外围设备,也可以是从外围设备到主控端;这是通过读和写控制信号线进行控制的。只有主控处理器能够控制读控制信号和写控制信号。一般说来,外围设备通过存储器映射到主控处理器,从而可以访问分配的地址范围。此时,设备需要使用地址译码电路来产生芯片选择信号。

    当处理器选择的地址位于设备指定范围内的时候,译码电路对芯片选择线进行触发,从而激活设备。然后,处理器可以使能相应的控制线(分别是RD与WD),从而由设备读出数据,或者是向设备写入数据。

    为了实现并行通信,系统需要严格遵循时序规范。前面已经提到过,并行通信是由主控处理器启动的。如果某外围设备想要对通信进行初始化,那么可以向处理器发出中断,告知相关信息。为了实现上述功能,设备的中断线需要连接到处理器的中断线上,并且主控处理器需要触发相应的中断。需要说明的是,主控处理器的数据总线宽度决定了并行接口的宽度,可以是4位、8位、16位、32位、64位等。设备支持的总线宽度应该与主控处理器完全相同。

    作者:Iriczhao

    原文:https://www.cnblogs.com/iriczhao/p/10816426.html

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