各種通訊接口分類

接口種類繁多，從傳統的通用外圍電路、RS-232、RS-422/485、MODEM到現在的USB、IEEE 1394、Internet網絡芯片等，它們在不同的領域得到了廣泛的應用。
    數字信號的傳輸隨著距離的增加和信號傳輸速率的提高，在傳輸線上的反射、串擾、衰減和共地噪聲等影響將引起信號的畸變，從而限制了通信距離。普通的TTL電路，由于驅動能力差，輸入電阻小，靈敏度不高以及抗干擾能力差，因而信號傳輸的距離短。借助接口電路，可以進行較長距離的數據傳輸。
    通信接口（interface）按電氣標準及協議來分包括RS-232、RS-422、RS485、USB等。 RS-232、RS-422與RS-485標準只對接口的電氣特性做出規定，不涉及接插件、電纜或協議。USB是近幾年發展起來的新型接口標準，主要應用于高速數據傳輸領域。
    MODEM芯片通常配合串行口實現數字信號與模擬信號之間的相互轉換，從而可以利用電話線或電力線進行遠程通信。

一、RS-232/422/485串行總線接口

1、     RS-232串行總線接口

目前RS-232是PC機與通信工業中應用最廣泛的一種串行接口。RS-232被定義為一種在低速率串行通信中增加通信距離的單端標準。RS-232采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通信。
    典型的RS-232信號在正負電平之間擺動，在發送數據時，發送端驅動器輸出正電平在+5～+15V，負電平在-5～-15V電平。當無數據傳輸時，線上為TTL，從開始傳送數據到結束，線上電平從TTL電平到RS-232電平再返回TTL電平。接收器典型的工作電平在+3～+12V與-3～-12V。
    RS-232是為點對點（即只用一對收、發設備）通信而設計的，其驅動器負載為3～7kΩ。由于RS-232發送電平與接收電平的差僅為2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上雙絞線上的分布電容，其傳送距離最大為約15米，最高速率為20kb/s。所以RS-232適合本地設備之間的通信。有關電氣參數參見表1。

2、RS-422串行總線接口

    RS-422由RS-232發展而來。為改進RS-232通信距離短、速度低的缺點，RS-422定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到10Mbit/s,并允許在一條平衡總線上連接最多10個接收器。RS-422是一種單機發送、多機接收的單向、平衡傳輸規范。

2.1 平衡傳輸

RS-422的數據信號采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸。它使用一對雙絞線，將其中一線定義為A，另一線定義為B，如圖2。
    通常情況下，發送驅動器A、B之間的正電平在+2～+6V，是一個邏輯狀態，負電平在-2～6V，是另一個邏輯狀態。另有一個信號地C，在RS-485中還有一“使能”端， “使能”端是用于控制發送驅動器與傳輸線的切斷與連接。當“使能”端起作用時，發送驅動器處于高阻狀態，稱作“第三態”，即它是有別于邏輯“1”與“0”的第三態。
    接收器也作與發送端相應的規定，收、發端通過平衡雙絞線將AA與BB對應相連，當在收端AB之間有大于+200mV的電平時，輸出正邏輯電平，小于-200mV時，輸出負邏輯電平。接收器接收平衡線上的電平范圍通常在200mV至6V之間。

2.2 RS-422電氣特性

    RS-422標準全稱是“平衡電壓數字接口電路的電氣特性”，它定義了接口電路的特性。圖3是典型的RS-422四線接口。實際上還有一根信號地線，共5根線。由于接收器采用高輸入阻抗和發送驅動器比RS232更強的驅動能力，故允許在相同傳輸線上連接多個接收節點，最多可接10個節點。即一個主設備（Master），其余為從設備（Salve），從設備之間不能通信，所以RS-422支持點對多的雙向通信。RS-422四線接口由于采用單獨的發送和接收通道，因此不必控制數據方向，各裝置之間任何必須的信號交換均可以按軟件方式（XON/XOFF握手）或硬件方式（一對單獨的雙絞線）實現。
    RS-422的最大傳輸距離為4000英尺（約1219米），最大傳輸速率為10Mb/s。其平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能達到最大傳輸距離。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率僅為1Mb/s。
   RS-422需要一終接電阻，要求其阻值約等于傳輸電纜的特性阻抗。在矩距離傳輸時可不需終接電阻，即一般在300米以下不需終接電阻。終接電阻接在傳輸電纜的最遠端。 （RS-422有關電氣參數見表1 ）

3、RS-485串行總線接口

    為擴展應用范圍，EIA在RS-422的基礎上制定了RS-485標準，增加了多點、雙向通信能力，通常在要求通信距離為幾十米至上千米時，廣泛采用RS-485收發器。
    RS-485收發器采用平衡發送和差分接收，即在發送端，驅動器將TTL電平信號轉換成差分信號輸出；在接收端，接收器將差分信號變成TTL電平，因此具有抑制共模干擾的能力，加上接收器具有高的靈敏度，能檢測低達200mV的電壓，故數據傳輸可達千米以外。
    RS-485許多電氣規定與RS-422相仿。如都采用平衡傳輸方式、都需要在傳輸線上接終接電阻等。RS-485可以采用二線與四線方式，二線制可實現真正的多點雙向通信。而采用四線連接時，與RS-422一樣只能實現點對多的通信，即只能有一個主（Master）設備，其余為從設備，但它比RS-422有改進， 無論四線還是二線連接方式總線上可連接多達32個設備，SIPEX公司新推出的SP485R最多可支持400個節點。
    RS-485與RS-422的共模輸出電壓是不同的。RS-485共模輸出電壓在-7V至+12V之間， RS-422在-7V至+7V之間，RS-485接收器最小輸入阻抗為12KΩ；RS-422是4kΩ；RS-485滿足所有RS-422的規范，所以RS-485的驅動器可以用在RS-422網絡中應用。但RS-422的驅動器并不完全適用于RS-485網絡。
    RS-485與RS-422一樣，最大傳輸速率為10Mb/s。當波特率為1200bps時，最大傳輸距離理論上可達15千米。平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能使用規定最長的電纜長度。
    RS-485需要2個終接電阻，接在傳輸總線的兩端，其阻值要求等于傳輸電纜的特性阻抗。在矩距離傳輸時可不需終接電阻，即一般在300米以下不需終接電阻（RS-485有關電氣參數見表1 ）。

表 1 RS-232 /422/485接口電路特性比較

二、 通用串行總線接口——USB

    USB,全稱是Universal Serial Bus（通用串行總線），它是在1994年底由康柏、IBM、Microsoft等多家公司聯合制訂的，但是直到1999年，USB才真正被廣泛應用。自從1994年11月11日發表了USB V0.7以后，USB接口經歷了六年的發展，現在USB已經發展到了2.0版本。

1、USB總線特點
   1）數據傳輸速率高。USB標準接口傳輸速率為12Mbps，最新的USB2.0支持最高速率達480Mbps。同串行端口比，USB大約快1000倍；同并行端口比，USB端口大約快50%。
   2）數據傳輸可靠。USB總線控制協議要求在數據發送時含有3個描敘數據類型、發送方向和終止標志、USB設備地址的數據包。USB設備在發送數據時支持數據偵錯和糾錯功能，增強了數據傳輸的可靠性。
   3）同時掛接多個USB設備。USB可通過菊花鏈的形式同時掛接多個USB設備，理論上可達127個。
   4）USB接口能為設備供電。USB線纜中包含有兩根電源線及兩根數據線。耗電比較少的設備可以通過USB口直接取電。可通過USB口取電的設備又分低電量模式和高電量模式，前者最大可提供100毫安的電流，而后者則是500毫安。
   5）支持熱插拔。在開機情況下，可以安全地連接或斷開設備，達到真正的即插即用。
    USB還具有一些新的特性，如：實時性（可以實現和一個設備之間有效的實時通信）、動態性（可以實現接口間的動態切換）、聯合性（不同的而又有相近的特性的接口可以聯合起來）、多能性（各個不同的接口可以使用不同的供電模式）。

2、USB接口的結構與典型應用

USB接口引腳定義如圖4所示。USB接口數據傳輸距離不大于5米。其典型應用如下圖5所示。

USB總線上數據傳輸方式有控制傳輸、同步傳輸、中斷傳輸、塊數據傳輸。在圖5所示系統中，USB HOST根據外部USB設備速度及使用特點采取不同的數據傳輸特點。如通過控制傳輸更改鍵盤、鼠標屬性，通過中斷傳輸要求鍵盤、鼠標輸入數據；通過控制傳輸改變顯示器屬性，通過塊數據傳輸將要顯示的數據送給顯示器。
    目前USB接口主要應用于計算機周邊外部設備，可以以USB接口與計算機相聯結的外設有電話、Modem、鍵盤、光驅、搖桿、磁帶機、軟驅、掃描儀、打印機等。

三、MODEM芯片及其它
    從通信距離來講，RS-485在波特率為1200bps的條件下，最遠傳輸距離可達15km，但更遠的距離則需借助專門的MODEM芯片利用電話線或電力線進行遠程數據傳輸。
1、MODEM通信原理
   電話線或電力線傳輸的是模擬信號，微處理器處理的是數字信號，MODEM芯片實現數字信號到模擬信號及模擬信號到數字信號的轉換。利用MODEM芯處通過電話線進行遠程通信的原理如圖6所示。來自發送端的數字信號被Modem轉換成模擬音頻信號，利用公共電話網傳輸到接受端的Modem上。在接收端接收到的模擬音頻信號被Modem轉換為相應的數字信號，傳輸到接收數據終端。

2、MODEM通信系統操作模式

    MODEM通信系統主要分為兩種操作模式，一個叫全雙工系統模式，另一個叫半雙工系統模式。兩種模式可以通過電話線進行傳輸。
    A）四根導線全雙工通信方式（兩根電話線）
       應用方法是采用兩根專用的電話線，一根電話線用于發送，另一根電話線用于接收，發送的同時可以接送。
    B）兩根導線半雙工通信方式（一根電話線）
       應用方法是采用一根專用的電話線，任何時刻只有一個方向在工作。當一端處在發送狀態時，另一端必須處在接受狀態。這樣就限制了它在某些領域的應用。
    C）兩根導線全雙工通信方式（一根電話線）
       發送和接收在同一根專用電話線同時進行傳輸，該方法與上述半雙工相比更經濟。
       在基于電話線的遠程通信系統中，上位機一般都具有拔號功能，下位機則根據需要分為有拔號功能及無拔號功能兩種。拔號功能的實現一般要借助8250或GM16C550等通用異步收發器或專用的拔號芯片如HT9200A。下圖為一遠程通信系統，上位機及下位機均有拔號功能。其中MSM7512B為OKI公司的MODEM芯片，其數字信號端為TTL電平。
       MODEM芯片已經廣泛應用于遠程通信、遠程控制等場合。

3 其它新型接口電路

① IEEE 1394
   IEE1394接口適合視頻數據傳輸，支持外設熱插拔、同步數據傳輸，同時可為外設提供電源。Apple稱之為火線FireWire，Sony稱之為i.Link，Texas Instruments稱之為Lynx）。目前主要用于計算機及周邊設備。
② INTERNET芯片
   隨著互聯網時代的到來，基于INTERNET的相關通信集成電路也紛紛面世，如webchip系列產品可方便地實現基于INTERNET遠程通信、控制，其應用原理如圖8所示。

≥12K

驅動器共模電壓

-3V～+3V

-1V～+3V

接收器共模電壓

-7V～+7V

-7V～+12V

二、 通用串行總線接口——USB

    USB,全稱是Universal Serial Bus（通用串行總線），它是在1994年底由康柏、IBM、Microsoft等多家公司聯合制訂的，但是直到1999年，USB才真正被廣泛應用。自從1994年11月11日發表了USB V0.7以后，USB接口經歷了六年的發展，現在USB已經發展到了2.0版本。

1、USB總線特點
   1）數據傳輸速率高。USB標準接口傳輸速率為12Mbps，最新的USB2.0支持最高速率達480Mbps。同串行端口比，USB大約快1000倍；同并行端口比，USB端口大約快50%。
   2）數據傳輸可靠。USB總線控制協議要求在數據發送時含有3個描敘數據類型、發送方向和終止標志、USB設備地址的數據包。USB設備在發送數據時支持數據偵錯和糾錯功能，增強了數據傳輸的可靠性。
   3）同時掛接多個USB設備。USB可通過菊花鏈的形式同時掛接多個USB設備，理論上可達127個。
   4）USB接口能為設備供電。USB線纜中包含有兩根電源線及兩根數據線。耗電比較少的設備可以通過USB口直接取電。可通過USB口取電的設備又分低電量模式和高電量模式，前者最大可提供100毫安的電流，而后者則是500毫安。
   5）支持熱插拔。在開機情況下，可以安全地連接或斷開設備，達到真正的即插即用。
    USB還具有一些新的特性，如：實時性（可以實現和一個設備之間有效的實時通信）、動態性（可以實現接口間的動態切換）、聯合性（不同的而又有相近的特性的接口可以聯合起來）、多能性（各個不同的接口可以使用不同的供電模式）。

2、USB接口的結構與典型應用

USB接口引腳定義如圖4所示。USB接口數據傳輸距離不大于5米。其典型應用如下圖5所示。

USB總線上數據傳輸方式有控制傳輸、同步傳輸、中斷傳輸、塊數據傳輸。在圖5所示系統中，USB HOST根據外部USB設備速度及使用特點采取不同的數據傳輸特點。如通過控制傳輸更改鍵盤、鼠標屬性，通過中斷傳輸要求鍵盤、鼠標輸入數據；通過控制傳輸改變顯示器屬性，通過塊數據傳輸將要顯示的數據送給顯示器。
    目前USB接口主要應用于計算機周邊外部設備，可以以USB接口與計算機相聯結的外設有電話、Modem、鍵盤、光驅、搖桿、磁帶機、軟驅、掃描儀、打印機等。

三、MODEM芯片及其它
    從通信距離來講，RS-485在波特率為1200bps的條件下，最遠傳輸距離可達15km，但更遠的距離則需借助專門的MODEM芯片利用電話線或電力線進行遠程數據傳輸。
1、MODEM通信原理
   電話線或電力線傳輸的是模擬信號，微處理器處理的是數字信號，MODEM芯片實現數字信號到模擬信號及模擬信號到數字信號的轉換。利用MODEM芯處通過電話線進行遠程通信的原理如圖6所示。來自發送端的數字信號被Modem轉換成模擬音頻信號，利用公共電話網傳輸到接受端的Modem上。在接收端接收到的模擬音頻信號被Modem轉換為相應的數字信號，傳輸到接收數據終端。

2、MODEM通信系統操作模式

    MODEM通信系統主要分為兩種操作模式，一個叫全雙工系統模式，另一個叫半雙工系統模式。兩種模式可以通過電話線進行傳輸。
    A）四根導線全雙工通信方式（兩根電話線）
       應用方法是采用兩根專用的電話線，一根電話線用于發送，另一根電話線用于接收，發送的同時可以接送。
    B）兩根導線半雙工通信方式（一根電話線）
       應用方法是采用一根專用的電話線，任何時刻只有一個方向在工作。當一端處在發送狀態時，另一端必須處在接受狀態。這樣就限制了它在某些領域的應用。
    C）兩根導線全雙工通信方式（一根電話線）
       發送和接收在同一根專用電話線同時進行傳輸，該方法與上述半雙工相比更經濟。
       在基于電話線的遠程通信系統中，上位機一般都具有拔號功能，下位機則根據需要分為有拔號功能及無拔號功能兩種。拔號功能的實現一般要借助8250或GM16C550等通用異步收發器或專用的拔號芯片如HT9200A。下圖為一遠程通信系統，上位機及下位機均有拔號功能。其中MSM7512B為OKI公司的MODEM芯片，其數字信號端為TTL電平。
       MODEM芯片已經廣泛應用于遠程通信、遠程控制等場合。

3 其它新型接口電路

① IEEE 1394
   IEE1394接口適合視頻數據傳輸，支持外設熱插拔、同步數據傳輸，同時可為外設提供電源。Apple稱之為火線FireWire，Sony稱之為i.Link，Texas Instruments稱之為Lynx）。目前主要用于計算機及周邊設備。
② INTERNET芯片
   隨著互聯網時代的到來，基于INTERNET的相關通信集成電路也紛紛面世，如webchip系列產品可方便地實現基于INTERNET遠程通信、控制，其應用原理如圖8所示。