我們知道，在電路系統(tǒng)的各個子模塊進行數(shù)據(jù)交換時可能會存在一些問題導致信號無法正常、高質(zhì)量地“流通”。
例如有時電路子模塊各自的工作時序有偏差(如CPU與外設(shè))或者各自的信號類型不一致(如傳感器檢測光信號)等，這時我們應該考慮通過相應的接口方式來很好地處理這個問題。
下面就電路設(shè)計中7個常用的接口類型的關(guān)鍵點進行說明一下：
01.TTL電平接口
這個接口類型基本是老生常談的吧，從上大學學習模擬電路、數(shù)字電路開始，對于一般的電路設(shè)計，TTL電平接口基本就脫不了“干系”!它的速度一般限制在30MHz以內(nèi)，這是由于BJT的輸入端存在幾個pF的輸入電容的緣故(構(gòu)成一個LPF)，輸入信號超過一定頻率的話，信號就將“丟失”。它的驅(qū)動能力一般最大為幾十個毫安。正常工作的信號電壓一般較高，要是把它和信號電壓較低的ECL電路接近時會產(chǎn)生比較明顯的串擾問題。
02.CMOS電平接口
我們對它也不陌生，也是經(jīng)常和它打交道了，一些關(guān)于CMOS的半導體特性在這里就不必啰嗦了。許多人都知道的是，正常情況下CMOS的功耗和抗干擾能力遠優(yōu)于TTL。但是!鮮為人知的是，在高轉(zhuǎn)換頻率時，CMOS系列實際上卻比TTL消耗更多的功率，至于為什么是這樣，請去問半導體物理理論吧。由于CMOS的工作電壓目前已經(jīng)可以很小了，有的FPGA內(nèi)核工作電壓甚至接近1.5V，這樣就使得電平之間的噪聲容限比TTL小了很多，因此更加加重了由于電壓波動而引發(fā)的信號判斷錯誤。眾所周知，CMOS電路的輸入阻抗是很高的，因此，它的耦合電容容量可以很小，而不需要使用大的電解電容器了。由于CMOS電路通常驅(qū)動能力較弱，所以必須先進行TTL轉(zhuǎn)換后再驅(qū)動ECL電路。此外，設(shè)計CMOS接口電路時，要注意避免容性負載過重，否則的話會使得上升時間變慢，而且驅(qū)動器件的功耗也將增加(因為容性負載并不耗費功率)。
03.ECL電平接口
這可是計算機系統(tǒng)內(nèi)部的老朋友啊!因為它的速度“跑”得夠快，甚至可以跑到幾百MHz!這是由于ECL內(nèi)部的BJT在導通時并沒有處于飽和狀態(tài)，這樣就可以減少BJT的導通和截止時間，工作速度自然也就可以提上去了。But，這是要付出代價的!它的致命傷：功耗較大!它引發(fā)的EMI問題也就值得考慮了，抗干擾能力也就好不到哪去了，要是誰能夠折中好這兩點因素的話，那么他(她)就該發(fā)大財了。還有要注意的是，一般ECL集成電路是需要負電源供電的，也就是說它的輸出電壓為負值，這時就需要專門的電平移動電路了。
04.RS-232電平接口
玩電子技術(shù)的基本沒有誰不知道它的了(除非他或她只是電子技術(shù)專業(yè)的“門外漢”)。它是低速串行通信接口標準，要注意的是，它的電平標準有點“反?！保焊唠娖綖?12V，而低電平為+12V。So，當我們試圖通過計算機與外設(shè)進行通信時，一個電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232自然是少不了的了。但是我們得清醒地意識到它的一些缺點，例如數(shù)據(jù)傳輸速度還是比較慢、傳輸距離也較短等。
05.差分平衡電平接口
它是用一對接線端A和B的相對輸出電壓(uA-uB)來表示信號的，一般情況下，這個差分信號會在信號傳輸時經(jīng)過一個復雜的噪聲環(huán)境，導致兩根線上都產(chǎn)生基本上相同數(shù)量的噪聲，而在接收端將會把噪聲的能量給抵消掉，因此它能夠?qū)崿F(xiàn)較遠距離、較高速率的傳輸。工業(yè)上常用的RS-485接口采用的就是差分傳輸方式，它具有很好的抗共模干擾能力。
06.光隔離接口
光電耦合是以光信號為媒介來實現(xiàn)電信號的耦合和傳遞的，它的“好處”就是能夠?qū)崿F(xiàn)電氣隔離，因此它有出色的抗干擾能力。在電路工作頻率很高的條件下，基本只有高速的光電隔離接口電路才能滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰Ｓ袝r為了實現(xiàn)高電壓和大電流的控制，我們必須設(shè)計和使用光隔離接口電路來連接如上所述的這些低電平、小電流的TTL或CMOS電路，因為光隔離接口的輸入回路和輸出回路之間可以承受幾千伏特的高壓，足以滿足一般的應用了。此外，光隔離接口的輸入部分和輸出部分必須分別采用獨立的電源，否則的話還是有電氣聯(lián)系，也就不叫隔離了。
07.線圈耦合接口
它的電氣隔離特性好，但是允許的信號帶寬有限。例如變壓器耦合，它的功率傳輸效率是非常高的，輸出功率基本接近其輸入功率，因此，對于一個升壓變壓器來說，它可以有較高的輸出電壓，但是卻只能給出較低的電流。此外，變壓器的高頻和低頻特性并不讓人樂觀，但是它的最大特點就是可以實現(xiàn)阻抗變換，當匹配得當時，負載可以獲得足夠大的功率，因此，變壓器耦合接口在功率放大電路設(shè)計中很“吃香”。
SIO(串行輸入輸出)
最基本的串行接口是SIO，它由一個主器件和一個從器件通過一條數(shù)據(jù)線和一條時鐘線采用一對一的方式連接組成。主器件把傳輸時鐘提供給從器件。
接口將被其控制電路中的寄存器指定為主從器件。在數(shù)據(jù)傳輸之前，應該設(shè)置另一個寄存器以確定哪一個成為發(fā)射器或接收器。
如果數(shù)據(jù)集為8位，則發(fā)出8個時鐘來同步傳輸數(shù)據(jù)。主器件的指令隨時鐘信號傳輸至從器件。這就是說，當主器件向從器件發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時，主器件將通過發(fā)出時鐘來啟動傳輸請求。由于數(shù)據(jù)傳輸方向是預先定義的，因此主器件將在必要時向從器件發(fā)出時鐘，并執(zhí)行與從器件之間的數(shù)據(jù)發(fā)送或接收，與時鐘同步。
數(shù)據(jù)通常是8位串行數(shù)據(jù)?？梢栽跀?shù)據(jù)末尾添加一個奇偶校驗位，這將使得長度總共為9位。在這種情況下，從器件接口必須在接收串行數(shù)據(jù)之前已經(jīng)知道串行數(shù)據(jù)有一個奇偶校驗位。
UART(通用異步收發(fā)器)
UART是異步串行接口，兩個接口之間沒有時鐘信號。因此在UART中，主從器件的定義沒有意義。
雖然消除時鐘信號的目的是防止噪聲問題，但這將造成另一個問題。如前所述，來自主器件的命令將通過SIO中的時鐘信號發(fā)送到從器件。但是由于UART沒有任何時鐘信號，UART接口無法接受任何命令。因此，接收器必須等待數(shù)據(jù)到達，然后隨時正確接收數(shù)據(jù)。
為了使接收器能夠識別傳輸數(shù)據(jù)的開始和結(jié)束，發(fā)射器應對傳輸數(shù)據(jù)的開始或結(jié)束數(shù)據(jù)設(shè)置一些指示。起始位是數(shù)據(jù)“0”，停止(結(jié)束)位是數(shù)據(jù)“1”，它們分別添加在傳輸數(shù)據(jù)之前和之后。
在數(shù)據(jù)傳輸之前，發(fā)射器或接收器的分配已經(jīng)完成。如果數(shù)據(jù)線變?yōu)椤?”(數(shù)據(jù)線通常為“1”)，則接收器會識別到發(fā)射器將要發(fā)送數(shù)據(jù)并準備開始接收傳輸數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，由于沒有時鐘信號，很難理解一個位的時間間隔有多長。如果發(fā)射器發(fā)送了兩個“0”(“00”)，則接收器不可能在發(fā)射器和接收器之間沒有任何約定的情況下識別出傳輸數(shù)據(jù)只是一個“0”或“00”。
關(guān)于該約定的典型例子是，接收器用頻率比發(fā)射器中的發(fā)送時鐘快16倍的時鐘接收數(shù)據(jù)，該發(fā)射器應在數(shù)據(jù)傳輸之前預先定義。一旦接收器檢測到起始位，它將每隔16個時鐘捕獲一次數(shù)據(jù)。
在UART和SIO中都可以添加奇偶校驗位。
UART中可能有兩個以上的接口。在這種情況下，只有一個接口能分配為主器件，其它接口作為從器件。接收器將應答返回給發(fā)射器，使得對接功能可在UART上工作。
SSP(SPI)(同步串行端口(串行外圍接口))
SSP是同步串行接口的總稱，是指包括SPI在內(nèi)的幾種不同的數(shù)據(jù)傳輸方法。
SPI有一個主器件和多個從器件，這就是說SPI具有星型結(jié)構(gòu)。所有接口共享兩條數(shù)據(jù)線。其中一條是主器件發(fā)送數(shù)據(jù)線(SPDO)，另一條是主器件接收數(shù)據(jù)線(SPDI)。通過使用這兩條數(shù)據(jù)線，SPI可以方便地控制從器件接口，同時可輕松地增加從器件接口的數(shù)量，因為數(shù)據(jù)線上不會發(fā)生數(shù)據(jù)沖突。一條時鐘線(SPCLK)將由主器件和所有從器件以及數(shù)據(jù)線共享。
主器件具有選擇線路(SPFSSn)來訪問其中一個從器件以便與主器件進行通信。一條選擇線路連接到一個從器件，因此主器件的選擇線路數(shù)量與從器件的相同。
I2C(內(nèi)部集成電路)
即使網(wǎng)絡(luò)中存在多個從器件，在I2C中也只需要兩條線路，即一條數(shù)據(jù)線和一條時鐘線。I2C還允許多個主器件結(jié)構(gòu)(可以分配多個主器件)。在每個接口控制電路中設(shè)置一個寄存器，可以完成主從器件的分配。I2C是同步接口。
設(shè)計I2C數(shù)據(jù)線和時鐘線以實現(xiàn)多個主器件結(jié)構(gòu)。所有接口的輸出只有“0”或高阻狀態(tài)，數(shù)據(jù)和時鐘的高電平由線路上的上拉元件(“線與”結(jié)構(gòu))提供。每個接口的輸出緩沖區(qū)只有NMOS晶體管，沒有PMOS晶體管。必要時，這些晶體管變?yōu)椤皩ā?，接口的輸出將為?”。如果這些NMOS晶體管變?yōu)椤瓣P(guān)斷”，則接口的輸出變?yōu)楦咦锠顟B(tài)。由于上拉元件連接到每條線路，如果連接到信號線的接口的所有輸出變成高Z狀態(tài)，則該線路被上拉直至VDD并變成“1”。這是“線與”結(jié)構(gòu)。
在“線與”連接中，數(shù)據(jù)“0”比數(shù)據(jù)“1”強。也就是說，如果兩個接口分別輸出“0”和“1”(高阻狀態(tài))，則該線路的數(shù)據(jù)變?yōu)椤?”。該強度優(yōu)先級實現(xiàn)了對于防止多個主器件系統(tǒng)中發(fā)生數(shù)據(jù)沖突的仲裁方式。考慮兩個主器件同時向數(shù)據(jù)線輸出數(shù)據(jù)的情況，如果其中一個數(shù)據(jù)為“0”，另一個數(shù)據(jù)為“1”，則后一個接口將立即知道其它輸出為“0”，并根據(jù)自己的判斷立即停止線路訪問。結(jié)果是前一個接口將保留使用線路的優(yōu)先級，后一個接口將在知道前一個接口的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后恢復數(shù)據(jù)傳輸。這種仲裁方式使得多個主器件系統(tǒng)成為可能。
CAN(控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò))
CAN是一種主要用于汽車內(nèi)部通信的網(wǎng)絡(luò)。CAN的結(jié)構(gòu)致力于抗噪聲。它采用差分數(shù)據(jù)線結(jié)構(gòu)，不需要任何時鐘線。所以CAN是異步接口，盡管CAN僅由與I2C一樣的兩條信號線構(gòu)成。
雙數(shù)據(jù)線即所謂的CAN.H和CAN.L。兩個數(shù)據(jù)信號之間的電壓差表示數(shù)據(jù);較高電壓的CAN.H和較低電壓的CAN.L定義數(shù)據(jù)“0”，而這些信號的相同電壓電平定義數(shù)據(jù)“1”。這些定義實現(xiàn)了高的抗噪性，因為噪聲將以相同的方式同時影響兩條線路。
CAN接口有一種特殊的同步方式，不需要任何時鐘，主從器件之間沒有區(qū)別。因此，信號線上存在數(shù)據(jù)沖突的可能性，所以每個接口應設(shè)置優(yōu)先級。接口之間的同步按以下方式進行。首先，發(fā)射器將在發(fā)送數(shù)據(jù)之前傳輸起始位“0”。因為到目前為止，信號線上的數(shù)據(jù)一直是“1”，所以其它接口將檢測到這個“0”數(shù)據(jù)，并將它們自己的時鐘同步到數(shù)據(jù)“0”的邊緣。當接收到傳輸?shù)臄?shù)據(jù)時，接收器將其時鐘定時調(diào)整到數(shù)據(jù)“0”的任意邊緣。當數(shù)據(jù)“1”繼續(xù)時，這個方法將出現(xiàn)問題，因為數(shù)據(jù)“1”在CAN.H或CAN.L上沒有邊緣。連續(xù)的數(shù)據(jù)序列“1”無邊緣，并且接收器可能與發(fā)射器失去同步。其解決方案是采用“位填充”技術(shù)，這種情況下，在五個連續(xù)的“1”數(shù)據(jù)之后插入一個數(shù)據(jù)“0”，這僅用于發(fā)射器的同步。接收器將使用數(shù)據(jù)“0”來同步其時鐘，并將其從接收的數(shù)據(jù)中消除。
如前所述，應對每個接口設(shè)置優(yōu)先級，以防止數(shù)據(jù)沖突。為此，每個CAN接口都有標識符(11位)。標識符可用于確定每個接口傳輸數(shù)據(jù)的優(yōu)先級，以防止數(shù)據(jù)沖突。
實際上，當數(shù)據(jù)“0”和數(shù)據(jù)“1”從不同的接口輸出到數(shù)據(jù)線時，數(shù)據(jù)“0”在CAN中的傳輸類似于在I2C中的傳輸。在起始位之后和傳輸數(shù)據(jù)之前，發(fā)射器將傳輸其自己的標識符。當兩個接口同時發(fā)送它們的標識符時，其中一個接口將取得優(yōu)先級，輸出“0”，另一個輸出“1”。前一個接口可以占用數(shù)據(jù)線，在另一個接口之前完成發(fā)送。
USB 2.0(通用串行總線2.0)
USB 2.0是一種非常流行的串行接口，特別是對于個人電腦而言。眾所周知，USB 2.0被廣泛應用于各種應用，比如鍵盤、鼠標、打印機、閃存、硬盤、揚聲器等接口。
USB 2.0有三種速度等級，分別是低速(1.5Mbps)、全速(12Mbps)和高速(480Mbps)。東芝TX03系列微處理器支持USB 2.0全速。
USB接口采用分層結(jié)構(gòu)。在USB中，主器件稱為“主機”，從器件稱為“設(shè)備”。USB 2.0是一個星型網(wǎng)絡(luò)，其中一個“主機”控制著許多“設(shè)備”。例如，PC是主機，設(shè)備可以是通過USB電纜連接到PC的任何設(shè)備，比如鍵盤、鼠標等。
USB的顯著特點是即插即用。連接或卸下USB設(shè)備時，不必關(guān)閉電腦。這就是USB變得如此流行的原因之一。
為了使USB設(shè)備能夠很容易地連接到網(wǎng)絡(luò)或從網(wǎng)絡(luò)中移除，USB主機必須做一些工作。當USB設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)時，該設(shè)備會向主機發(fā)送請求。接收來自設(shè)備的請求后，主機開始獲取設(shè)備的信息，選擇最合適的驅(qū)動器，并為設(shè)備分配地址。主機的這個操作稱為枚舉。枚舉成功后，主機可以正確訪問設(shè)備。
主機可控制的設(shè)備和集線器的最大數(shù)量為127。如果集線器插入網(wǎng)絡(luò)，則串聯(lián)連接的集線器數(shù)量必須小于或等于5。
USB 2.0電纜有4根導線：VDD、GND、信號D+和信號D-。對于一個傳輸數(shù)據(jù)，信號D+和D-彼此取互補值。如果D+為高電平，D-為低電平，則數(shù)據(jù)被稱為“差分1”。如果D+為低電平，D-為高電平，則數(shù)據(jù)被稱為“差分0”。
但在USB 2.0網(wǎng)絡(luò)的實際數(shù)據(jù)傳輸中，“差分1”和“差分0”并不一定分別意味著數(shù)據(jù)“1”和數(shù)據(jù)“0”。USB的數(shù)據(jù)格式為NRZI(反向不歸零)。當一個時鐘間隔內(nèi)沒有變化時，此格式將定義數(shù)據(jù)“1”，當發(fā)生從高到低或從低到高的變化時，則定義數(shù)據(jù)“0”。
USB 2.0沒有任何時鐘線，所以它是異步接口。所以主機和驅(qū)動器必須像在CAN中一樣進行相互同步。傳輸8位SYNC碼，使接收器與發(fā)射器以USB全速同步。
數(shù)據(jù)傳輸時，在USB 2.0中連續(xù)傳輸6次數(shù)據(jù)“1”后，完成數(shù)據(jù)“0”的位填充，因為只有數(shù)據(jù)“1s”連續(xù)傳輸時，NRZI格式中無信號邊緣出現(xiàn)。
EtherMAC(以太網(wǎng)媒體訪問控制)
EtherMAC是以太網(wǎng)接口的一部分。由于以太網(wǎng)的接口結(jié)構(gòu)非常復雜，所以不容易閘釋完全的以太網(wǎng)功能。我們只對以太網(wǎng)進行簡要說明，提供到目前為止所述的與其它串行接口的差異概述。
以太網(wǎng)的“以太”來自一種叫做“以太”的介質(zhì)，它是一種物理學定義，曾經(jīng)被認為可以填滿所有的空間?！耙蕴钡拇嬖谧罱K被否定了，但由于“以太”被認為是無處不在的，所以它成為了網(wǎng)絡(luò)命名的起源。
以太網(wǎng)主要分為四層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和上層。EtherMAC處理最低的兩層：物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。
以太網(wǎng)電纜由四根信號線組成。兩條絞合線用于輸出數(shù)據(jù)，另兩條絞合線用于輸入數(shù)據(jù)。這種電纜即使沒有電屏蔽層也有很好的抗噪性(非屏蔽雙絞線：UTP)。由于沒有時鐘線，因此以太網(wǎng)是一個異步接口。
為了理解以太網(wǎng)的概念，我們先介紹一下10Base-T，盡管100Base-TX是當今最流行的版本，但10Base-T是基本的，且比100Base-TX簡單得多。
10Base-T是一個使用雙絞線的接口，具有10Mbps傳輸速率和基帶格式。
信號傳輸采用曼徹斯特代碼格式。在曼徹斯特代碼中，數(shù)據(jù)“1”和“0”分別定義為上升轉(zhuǎn)換和下降轉(zhuǎn)換。
以太網(wǎng)沒有任何時鐘線。接收器和發(fā)射器必須彼此同步，與CAN和USB2.0接口中一樣。但即使相同的數(shù)據(jù)連續(xù)重復，也不需要位填充，因為數(shù)據(jù)“1”和數(shù)據(jù)“0”中都有信號轉(zhuǎn)換。發(fā)射器發(fā)送數(shù)據(jù)前的56位連續(xù)脈沖，僅用于使接收器與發(fā)射器同步。
以太網(wǎng)沒有USB 2.0中所必不可少的主機和設(shè)備關(guān)系等層次結(jié)構(gòu)。當接口的一個單元想要輸出數(shù)據(jù)時，該線路必須是空閑的。如果另一個單元占用線路，該單元必須等待。即使該單元已確保線路可用并開始發(fā)送數(shù)據(jù)，但如果另一個單元也開始同時發(fā)送數(shù)據(jù)，則會發(fā)生沖突。一旦發(fā)生沖突，所有單元將停止發(fā)送數(shù)據(jù)，并等待線路空閑。當一個單元嘗試開始發(fā)送時，可能會再次發(fā)生另一個沖突，因為其它單元也嘗試開始發(fā)送。為了防止這種永久性的沖突，以太網(wǎng)有一個防止沖突的對策。當發(fā)生沖突時，發(fā)射器的等待時間由隨機數(shù)決定。這對發(fā)生沖突的單元有效。但是當先前的一個單元開始再次發(fā)送數(shù)據(jù)時，新單元可能會發(fā)生沖突。一個單元最多可以發(fā)送16次相同的數(shù)據(jù)。
對于無主從器件關(guān)系的系統(tǒng)分擔通信責任而言，這是最佳的仲裁方式之一。
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