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通讯接口专题综述
日期：2024-04-25 00:53
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摘要：
通讯接口专题综述 
接口种类繁多，从传统的通用外围电路、RS-232、RS-422/485、MODEM到现在的USB、IEEE1394、Internet网络芯片等，它们在不同的领域得到了广泛的应用。
数字信号的传输随着距离的增加和信号传输速率的提高，在传输线上的反射、串扰、衰减和共地噪声等影响将引起信号的畸变，从而限制了通信距离。普通的TTL电路，由于驱动能力差，输入电阻小，灵敏度不高以及抗干扰能力差，因而信号传输的距离短。借助接口电路，可以进行较长距离的数据传输。
通信接口（interface）按电气标准及协议来分包括RS-232、RS-422、RS485、USB等。RS-232、RS-422与RS-485标准只对接口的电气特性做出规定，不涉及接插件、电缆或协议。USB是近几年发展起来的新型接口标准，主要应用于高速数据传输领域。
MODEM芯片通常配合串行口实现数字信号与模拟信号之间的相互转换，从而可以利用电话线或电力线进行远程通信。
数字信号的传输随着距离的增加和信号传输速率的提高，在传输线上的反射、串扰、衰减和共地噪声等影响将引起信号的畸变，从而限制了通信距离。普通的TTL电路，由于驱动能力差，输入电阻小，灵敏度不高以及抗干扰能力差，因而信号传输的距离短。借助接口电路，可以进行较长距离的数据传输。
通信接口（interface）按电气标准及协议来分包括RS-232、RS-422、RS485、USB等。RS-232、RS-422与RS-485标准只对接口的电气特性做出规定，不涉及接插件、电缆或协议。USB是近几年发展起来的新型接口标准，主要应用于高速数据传输领域。
MODEM芯片通常配合串行口实现数字信号与模拟信号之间的相互转换，从而可以利用电话线或电力线进行远程通信。
一、RS-232/422/485串行总线接口
1、 RS-232串行总线接口
目前RS-232是PC机与通信工业中应用*广泛的一种串行接口。RS-232被定义为一种在低速率串行通信中增加通信距离的单端标准。RS-232采取不平衡传输方式，即所谓单端通信。
典型的RS-232信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在+5～+15V，负电平在-5～-15V电平。当无数据传输时，线上为TTL，从开始传送数据到结束，线上电平从TTL电平到RS-232电平再返回TTL电平。接收器典型的工作电平在+3～+12V与-3～-12V。
RS-232是为点对点（即只用一对收、发设备）通信而设计的，其驱动器负载为3～7kΩ。由于RS-232发送电平与接收电平的差仅为2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离*大为约15米，*高速率为20kb/s。所以RS-232适合本地设备之间的通信。有关电气参数参见表1。
典型的RS-232信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在+5～+15V，负电平在-5～-15V电平。当无数据传输时，线上为TTL，从开始传送数据到结束，线上电平从TTL电平到RS-232电平再返回TTL电平。接收器典型的工作电平在+3～+12V与-3～-12V。
RS-232是为点对点（即只用一对收、发设备）通信而设计的，其驱动器负载为3～7kΩ。由于RS-232发送电平与接收电平的差仅为2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离*大为约15米，*高速率为20kb/s。所以RS-232适合本地设备之间的通信。有关电气参数参见表1。
2、RS-422串行总线接口
RS-422由RS-232发展而来。为改进RS-232通信距离短、速度低的缺点，RS-422定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到10Mbit/s,并允许在一条平衡总线上连接*多10个接收器。RS-422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范。
2.1 平衡传输
RS-422的数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输。它使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为B，如图2。
通常情况下，发送驱动器A、B之间的正电平在+2～+6V，是一个逻辑状态，负电平在-2～6V，是另一个逻辑状态。另有一个信号地C，在RS-485中还有一“使能”端，“使能”端是用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。当“使能”端起作用时，发送驱动器处于高阻状态，称作“第三态”，即它是有别于逻辑“1”与“0”的第三态。
接收器也作与发送端相应的规定，收、发端通过平衡双绞线将AA与BB对应相连，当在收端AB之间有大于+200mV的电平时，输出正逻辑电平，小于-200mV时，输出负逻辑电平。接收器接收平衡线上的电平范围通常在200mV至6V之间。
通常情况下，发送驱动器A、B之间的正电平在+2～+6V，是一个逻辑状态，负电平在-2～6V，是另一个逻辑状态。另有一个信号地C，在RS-485中还有一“使能”端，“使能”端是用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。当“使能”端起作用时，发送驱动器处于高阻状态，称作“第三态”，即它是有别于逻辑“1”与“0”的第三态。
接收器也作与发送端相应的规定，收、发端通过平衡双绞线将AA与BB对应相连，当在收端AB之间有大于+200mV的电平时，输出正逻辑电平，小于-200mV时，输出负逻辑电平。接收器接收平衡线上的电平范围通常在200mV至6V之间。
2.2RS-422电气特性
RS-422标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”，它定义了接口电路的特性。图3是典型的RS-422四线接口。实际上还有一根信号地线，共5根线。由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，*多可接10个节点。即一个主设备（Master），其余为从设备（Salve），从设备之间不能通信，所以RS-422支持点对多的双向通信。RS-422四线接口由于采用单独的发送和接收通道，因此不必控制数据方向，各装置之间任何必须的信号交换均可以按软件方式（XON/XOFF握手）或硬件方式（一对单独的双绞线）实现。
RS-422的*大传输距离为4000英尺（约1219米），*大传输速率为10Mb/s。其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*大传输距离。只有在很短的距离下才能获得*高速率传输。一般100米长的双绞线上所能获得的*大传输速率仅为1Mb/s。
RS-422需要一终接电阻，要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。在矩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*远端。（RS-422有关电气参数见表1 ）
RS-422的*大传输距离为4000英尺（约1219米），*大传输速率为10Mb/s。其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*大传输距离。只有在很短的距离下才能获得*高速率传输。一般100米长的双绞线上所能获得的*大传输速率仅为1Mb/s。
RS-422需要一终接电阻，要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。在矩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*远端。（RS-422有关电气参数见表1 ）
3、RS-485串行总线接口
为扩展应用范围，EIA在RS-422的基础上制定了RS-485标准，增加了多点、双向通信能力，通常在要求通信距离为几十米至上千米时，广泛采用RS-485收发器。
RS-485收发器采用平衡发送和差分接收，即在发送端，驱动器将TTL电平信号转换成差分信号输出；在接收端，接收器将差分信号变成TTL电平，因此具有抑制共模干扰的能力，加上接收器具有高的灵敏度，能检测低达200mV的电压，故数据传输可达千米以外。
RS-485许多电气规定与RS-422相仿。如都采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终接电阻等。RS-485可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信。而采用四线连接时，与RS-422一样只能实现点对多的通信，即只能有一个主（Master）设备，其余为从设备，但它比RS-422有改进，无论四线还是二线连接方式总线上可连接多达32个设备，SIPEX公司新推出的SP485R*多可支持400个节点。
RS-485与RS-422的共模输出电压是不同的。RS-485共模输出电压在-7V至+12V之间，RS-422在-7V至+7V之间，RS-485接收器*小输入阻抗为12KΩ；RS-422是4kΩ；RS-485满足所有RS-422的规范，所以RS-485的驱动器可以用在RS-422网络中应用。但RS-422的驱动器并不完全适用于RS-485网络。
RS-485与RS-422一样，*大传输速率为10Mb/s。当波特率为1200bps时，*大传输距离理论上可达15千米。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能使用规定*长的电缆长度。
RS-485需要2个终接电阻，接在传输总线的两端，其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗。在矩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（RS-485有关电气参数见表1）。
RS-485收发器采用平衡发送和差分接收，即在发送端，驱动器将TTL电平信号转换成差分信号输出；在接收端，接收器将差分信号变成TTL电平，因此具有抑制共模干扰的能力，加上接收器具有高的灵敏度，能检测低达200mV的电压，故数据传输可达千米以外。
RS-485许多电气规定与RS-422相仿。如都采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终接电阻等。RS-485可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信。而采用四线连接时，与RS-422一样只能实现点对多的通信，即只能有一个主（Master）设备，其余为从设备，但它比RS-422有改进，无论四线还是二线连接方式总线上可连接多达32个设备，SIPEX公司新推出的SP485R*多可支持400个节点。
RS-485与RS-422的共模输出电压是不同的。RS-485共模输出电压在-7V至+12V之间，RS-422在-7V至+7V之间，RS-485接收器*小输入阻抗为12KΩ；RS-422是4kΩ；RS-485满足所有RS-422的规范，所以RS-485的驱动器可以用在RS-422网络中应用。但RS-422的驱动器并不完全适用于RS-485网络。
RS-485与RS-422一样，*大传输速率为10Mb/s。当波特率为1200bps时，*大传输距离理论上可达15千米。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能使用规定*长的电缆长度。
RS-485需要2个终接电阻，接在传输总线的两端，其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗。在矩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（RS-485有关电气参数见表1）。
表 1 RS-232/422/485接口电路特性比较
规定 | RS-232 | RS-422 | RS-485 | |
工作方式 | 单端 | 差分 | 差分 | |
节点数 | 1收、1发 | 1发10收 | 1发32收 | |
*大传输电缆长度 | 50英尺 | 400英尺 | 400英尺 | |
*大传输速率 | 20Kb/S | 10Mb/s | 10Mb/s | |
*大驱动输出电压 | +/-25V | -0.25V～+6V | -7V～+12V | |
驱动器输出信号电平(负载*小值) | 负载 | +/-5V～+/-15V | +/-2.0V | +/-1.5V |
驱动器输出信号电平(空载*大值) | 空载 | +/-25V | +/-6V | +/-6V |
驱动器负载阻抗(Ω) | 3K～7K | 100 | 54 | |
摆率(*大值) | 30V/μs | N/A | N/A | |
接收器输入电压范围 | +/-15V | -10V～+10V | -7V～+12V | |
接收器输入门限 | +/-3V | +/-200mV | +/-200mV | |
接收器输入电阻(Ω) | 3K～7K | 4K（*小） | ≥12K | |
驱动器共模电压 | -3V～+3V | -1V～+3V | ||
接收器共模电压 | -7V～+7V | -7V～+12V | ||
二、通用串行总线接口——USB
USB,全称是Universal SerialBus（通用串行总线），它是在1994年底由康柏、IBM、Microsoft等多家公司联合制订的，但是直到1999年，USB才真正被广泛应用。自从1994年11月11日发表了USBV0.7以后，USB接口经历了六年的发展，现在USB已经发展到了2.0版本。
1、USB总线特点
1）数据传输速率高。USB标准接口传输速率为12Mbps，*新的USB2.0支持*高速率达480Mbps。同串行端口比，USB大约快1000倍；同并行端口比，USB端口大约快50%。
2）数据传输可靠。USB总线控制协议要求在数据发送时含有3个描叙数据类型、发送方向和终止标志、USB设备地址的数据包。USB设备在发送数据时支持数据侦错和纠错功能，增强了数据传输的可靠性。
3）同时挂接多个USB设备。USB可通过菊花链的形式同时挂接多个USB设备，理论上可达127个。
4）USB接口能为设备供电。USB线缆中包含有两根电源线及两根数据线。耗电比较少的设备可以通过USB口直接取电。可通过USB口取电的设备又分低电量模式和高电量模式，前者*大可提供100毫安的电流，而后者则是500毫安。
5）支持热插拔。在开机情况下，可以**地连接或断开设备，达到真正的即插即用。
USB还具有一些新的特性，如：实时性（可以实现和一个设备之间有效的实时通信）、动态性（可以实现接口间的动态切换）、联合性（不同的而又有相近的特性的接口可以联合起来）、多能性（各个不同的接口可以使用不同的供电模式）。
1）数据传输速率高。USB标准接口传输速率为12Mbps，*新的USB2.0支持*高速率达480Mbps。同串行端口比，USB大约快1000倍；同并行端口比，USB端口大约快50%。
2）数据传输可靠。USB总线控制协议要求在数据发送时含有3个描叙数据类型、发送方向和终止标志、USB设备地址的数据包。USB设备在发送数据时支持数据侦错和纠错功能，增强了数据传输的可靠性。
3）同时挂接多个USB设备。USB可通过菊花链的形式同时挂接多个USB设备，理论上可达127个。
4）USB接口能为设备供电。USB线缆中包含有两根电源线及两根数据线。耗电比较少的设备可以通过USB口直接取电。可通过USB口取电的设备又分低电量模式和高电量模式，前者*大可提供100毫安的电流，而后者则是500毫安。
5）支持热插拔。在开机情况下，可以**地连接或断开设备，达到真正的即插即用。
USB还具有一些新的特性，如：实时性（可以实现和一个设备之间有效的实时通信）、动态性（可以实现接口间的动态切换）、联合性（不同的而又有相近的特性的接口可以联合起来）、多能性（各个不同的接口可以使用不同的供电模式）。
2、USB接口的结构与典型应用
USB接口引脚定义如图4所示。USB接口数据传输距离不大于5米。其典型应用如下图5所示。
USB总线上数据传输方式有控制传输、同步传输、中断传输、块数据传输。在图5所示系统中，USBHOST根据外部USB设备速度及使用特点采取不同的数据传输特点。如通过控制传输更改键盘、鼠标属性，通过中断传输要求键盘、鼠标输入数据；通过控制传输改变显示器属性，通过块数据传输将要显示的数据送给显示器。
目前USB接口主要应用于计算机周边外部设备，可以以USB接口与计算机相联结的外设有电话、Modem、键盘、光驱、摇杆、磁带机、软驱、扫描仪、打印机等。
目前USB接口主要应用于计算机周边外部设备，可以以USB接口与计算机相联结的外设有电话、Modem、键盘、光驱、摇杆、磁带机、软驱、扫描仪、打印机等。
三、MODEM芯片及其它
从通信距离来讲，RS-485在波特率为1200bps的条件下，*远传输距离可达15km，但更远的距离则需借助专门的MODEM芯片利用电话线或电力线进行远程数据传输。
1、MODEM通信原理
电话线或电力线传输的是模拟信号，微处理器处理的是数字信号，MODEM芯片实现数字信号到模拟信号及模拟信号到数字信号的转换。利用MODEM芯处通过电话线进行远程通信的原理如图6所示。来自发送端的数字信号被Modem转换成模拟音频信号，利用公共电话网传输到接受端的Modem上。在接收端接收到的模拟音频信号被Modem转换为相应的数字信号，传输到接收数据终端。
从通信距离来讲，RS-485在波特率为1200bps的条件下，*远传输距离可达15km，但更远的距离则需借助专门的MODEM芯片利用电话线或电力线进行远程数据传输。
1、MODEM通信原理
电话线或电力线传输的是模拟信号，微处理器处理的是数字信号，MODEM芯片实现数字信号到模拟信号及模拟信号到数字信号的转换。利用MODEM芯处通过电话线进行远程通信的原理如图6所示。来自发送端的数字信号被Modem转换成模拟音频信号，利用公共电话网传输到接受端的Modem上。在接收端接收到的模拟音频信号被Modem转换为相应的数字信号，传输到接收数据终端。
2、MODEM通信系统操作模式
MODEM通信系统主要分为两种操作模式，一个叫全双工系统模式，另一个叫半双工系统模式。两种模式可以通过电话线进行传输。
A）四根导线全双工通信方式（两根电话线）
应用方法是采用两根专用的电话线，一根电话线用于发送，另一根电话线用于接收，发送的同时可以接送。
B）两根导线半双工通信方式（一根电话线）
应用方法是采用一根专用的电话线，任何时刻只有一个方向在工作。当一端处在发送状态时，另一端必须处在接受状态。这样就限制了它在某些领域的应用。
C）两根导线全双工通信方式（一根电话线）
发送和接收在同一根专用电话线同时进行传输，该方法与上述半双工相比更经济。
在基于电话线的远程通信系统中，上位机一般都具有拔号功能，下位机则根据需要分为有拔号功能及无拔号功能两种。拔号功能的实现一般要借助8250或GM16C550等通用异步收发器或专用的拔号芯片如HT9200A。下图为一远程通信系统，上位机及下位机均有拔号功能。其中MSM7512B为OKI公司的MODEM芯片，其数字信号端为TTL电平。
MODEM芯片已经广泛应用于远程通信、远程控制等场合。
A）四根导线全双工通信方式（两根电话线）
应用方法是采用两根专用的电话线，一根电话线用于发送，另一根电话线用于接收，发送的同时可以接送。
B）两根导线半双工通信方式（一根电话线）
应用方法是采用一根专用的电话线，任何时刻只有一个方向在工作。当一端处在发送状态时，另一端必须处在接受状态。这样就限制了它在某些领域的应用。
C）两根导线全双工通信方式（一根电话线）
发送和接收在同一根专用电话线同时进行传输，该方法与上述半双工相比更经济。
在基于电话线的远程通信系统中，上位机一般都具有拔号功能，下位机则根据需要分为有拔号功能及无拔号功能两种。拔号功能的实现一般要借助8250或GM16C550等通用异步收发器或专用的拔号芯片如HT9200A。下图为一远程通信系统，上位机及下位机均有拔号功能。其中MSM7512B为OKI公司的MODEM芯片，其数字信号端为TTL电平。
MODEM芯片已经广泛应用于远程通信、远程控制等场合。
3 其它新型接口电路
① IEEE1394
IEE1394接口适合视频数据传输，支持外设热插拔、同步数据传输，同时可为外设提供电源。Apple称之为火线FireWire，Sony称之为i.Link，TexasInstruments称之为Lynx）。目前主要用于计算机及周边设备。
② INTERNET芯片
随着互联网时代的到来，基于INTERNET的相关通信集成电路也纷纷面世，如webchip系列产品可方便地实现基于INTERNET远程通信、控制，其应用原理如图8所示。
IEE1394接口适合视频数据传输，支持外设热插拔、同步数据传输，同时可为外设提供电源。Apple称之为火线FireWire，Sony称之为i.Link，TexasInstruments称之为Lynx）。目前主要用于计算机及周边设备。
② INTERNET芯片
随着互联网时代的到来，基于INTERNET的相关通信集成电路也纷纷面世，如webchip系列产品可方便地实现基于INTERNET远程通信、控制，其应用原理如图8所示。