5.8 Интерфейс i2c

Интерфейс последовательной шины I²C (Inter IС Bus - шина соединения микросхем) сопряжения микросхем бытовой электроники.

Шина I²C удобна для обмена небольшими объемами данных. В ряде современных системных плат присутствует шина SMBus, основанная на интерфейсе I²C. Эта шина используется для доступа к памяти идентификаторов и средствам термоконтроля процессоров Xeon.

По интерфейсу I²C современные мониторы обмениваются конфигурационной и управляющей ин­формацией с графическим адаптером (а через него и с центральным процессором). I²C может применяется для подключения считывателей карт, штрих-кодов и т. п. С по­мощью интерфейса I²C можно загружать программы в энергонезависимую память (флэш) ряда микроконтроллеров. Интерфейс I²C обеспечи­вает скорость передачи данных до 3,4 Мбит/с.

Интерфейс I²C — синхронная последовательная шина, обеспечивающая двустороннюю передачу данных между подключенными устройствами по двум сигнальным линиям. Шина ориентирована на 8-битные передачи. Пере­дача данных может быть как одноадресной, к выбранному устройству, так и широко­вещательной. Для выборки устройств используется 7-битная или 10-битной адре­сация. Уровни сигналов — стандартные, совместимые с широко распро­страненной логикой ТТЛ, КМОП, n-МОП, как с традиционным питанием +5 В так и с низковольтным (+3,3 В и ниже).

Последовательный интерфейс I²C обеспечивает двунаправленную передачу данных между парой устройств, используя 2 сигнала:

• данные SDA (Serial Data);

• синхронизацию SCL (Serial Clock).

В обмене участвуют 2 устройства:

• ведущее (Master);

• ведомое (Slave).

5.9 Последовательные интерфейсы

Последовательный интерфейс для передачи данных в одну сторону использует одну сигнальную линию, по которой информационные биты передаются друг за другом последовательно. Последовательная передача данных может осуществляться в синхронном и асинхронном режимах.

Для асинхронного режима принят ряд стандартных скоростей обмена: 50, 75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 19200, 38400, 57600, 115200 бит/сек. Количество бит данных может составлять 5,6,7,8 бит. Количество стоп битов может быть 1,1.5,2 бита. Асинхронный в РС реализуется с помощью СОМ-порта с использованием протокола RS-232C.

Из синхронных адаптеров в настоящее время чаще всего применяются адаптеры интерфейса V.35.

Стандарт описывает управляющие сигналы интерфейса, пересылку данных, электрический интерфейс и типы разъемов. Стандарт описывает синхронный и асинхронный режимы обмена, но СОМ-порты поддерживают только асинхронный режим.

Префикс "RS" -рекомендованный стандарт.

5.9.1 Интерфейс RS-232

Интерфейс RS-232C использует несимметричные приемники и передатчики, сигнал передается относительно общего провода (схемной земли). Интерфейс RS-232C не обеспечивает гальванической развязки устройств. В интерфейсе RS-232С оговариваются следующие электрические параметры.

Выходные сигналы:

• 0 задается диапазоном напряжения со стороны источника (+5  +15)В;

• неопределенное состояние – диапазон напряжения (+5  -5)В;

• 1 задается диапазоном напряжения (-5  -15)В.

Входные сигналы:

• 0 задается диапазоном напряжения со стороны приемника (+3  +25)В;

• неопределенное состояние – диапазон напряжения (+3  -3)В;

• 1 задается диапазоном напряжения (-3  -25)В.

Логической единице на входе приемника соответствует уровень напряжения -3 ... -12 В. Для линий управляющих сигналов это состояние называют "ON", а для линий последовательных данных - "MARK". Логическому "0" соответствует напряжение +3 ... +12 В (называемое "OFF" или "SPACE", соответственно). Между уровнями +3 ... -3 В существует зона нечувствительности, обуславливающая гистерезис приемника. Состояние на выходе приемника изменяется только при пересечении напряжением порога +3 или -3 В.

Разъем и кабель порта RS232.

Стандартный последовательный порт имеет 9- контактный разъем. На рисунке 5.5 приведены назначения контактов этих разъемов.

Рисунок 5.5 - Блочная часть 9-контактного штыревого разъема

В таблице 5.6 указано назначение контактов разъема последовательного интерфейса.

Таблица 5.6 - Назначение контактов разъемов последовательного порта

Коньакт	Наименование	Направление	Операции
3 2 7 8 6 5 1 4 9	TD RD RTS CTS DSR GND DCD DTR RI	Выход Вход Выход Вход Вход Вход Выход Вход	Передаваемые данные Принимаемые данные Запрос на передачу Очищен для передачи Готовность внешнего устройства Сигнальное заземление Обнаружение информац. сигнала ПК к обмену данными готов Индикатор звонка

Внутреннее аппаратное устройство.

Компьютер, совместимый с IBM PC, может иметь до четырех последовательных портов. Они маркируются как COM1-COM4. Каждый COM-порт формируется отдельным UART 16450 (в нем имеется восемь восьмибитовых регистров), установленным внутри компьютера.

5.9.2 Интерфейсы RS-422A, RS-423A и RS-449

Более новыми стандартами, по сравнению с RS-232, позволяющими обеспечить высокоскоростную работу на больших расстояниях, являются стандарты EIA RS-422A, RS-423A и RS-449. Соответствующими рекомендациями ITU-T для этих стандартов являются V.10 и Х.26 — для RS-423, и V.11 и Х.27 — для RS-422, V.36 для RS-449.

Интерфейс RS-422A.

Стандарт RS-422A определяет электрические характеристики симметричного цифрового интерфейса. Он предусматривает работу на более высоких скоростях (до 10 Мбит/с) и больших расстояниях (до 1000 м) в интерфейсе DTE—DCE. Для его практической реализации, в отличие от RS-232, требуется два физических провода на каждый сигнал. Реализация симметричных цепей обеспечивает наилучшие выходные характеристики.

Стандарт RS-422A был разработан совместно с RS-423A и позволяет размещать линии этих интерфейсов в одном кабеле. Он не совместим с RS-232, и взаимодействие между RS-422A и RS-232 может быть обеспечено только при помощи специального интерфейсного конвертера.

Таблица 5.8 - Электрические и временные характеристики интерфейса RS-422

Характеристика	RS-422, RS-422A CCITT/V.11 симетричный	RS-423 CCITT/V.10 несимметричный
Скорость обмена, кбит/с	10000 (15м)	100 (15м)
Длина линии связи, м	1200 (90 кбит/с)	1200 (1 кбит/с)
Уровни лог. 1/0, В	-0,3/+0,3	-0,3/+0,3
Согласование Rc, Ом	75	75
Сопротивление Rвх/Rвых, Ом	100/4000	1000/1000
Время передачи бита, нс	200	1000

Интерфейс RS-423A.

Стандарт RS-423A определяет электрические характеристики несимметричного цифрового интерфейса. "Несимметричность" означает, что данный стандарт подобно RS-232 для каждой линии интерфейса использует только один провод. При этом для всех линий используется единый общий провод. Как и RS-422A, этот стандарт не определяет сигналы, конфигурацию выводов или типы разъемов. Он содержит только описание электрических характеристик интерфейса. Стандарт RS-422A предусматривает максимальную скорость передачи 100 Кбит/с.

Таблица 5.9 - Соотношение скорости передачи и длины кабеля для стандартов

Скорость передачи, Кбит/с		Длина кабеля, м
RS-423A (V.10 и Х.26)	RS-422A (V.11 и Х.27)
1	100	1000
10	1000	100
100	10000	10

Интерфейс RS-449.

Стандарт RS-449, в отличие от RS-422A и RS-423A, содержит информацию о параметрах сигналов, типах разъемов, расположении контактов и т.п. В этом отношении RS-449 является дополнением к стандартам RS-422A и RS-423A. Стандарту RS-449 соответствует международный стандарт V.36.

Стандарт RS-449 определяет 30 сигналов интерфейса. Большинство этих сигналов имеют эквивалентные в RS-232. Кроме того, добавлен ряд новых сигналов.

Десять сигналов RS-449 определены как линии 1-й категории. Эта группа сигналов включает в себя все основные сигналы данных и синхронизации, такие как "Передаваемые данные", "Принимаемые данные", "Синхронизация терминала". Скорость передачи сигналов 1 -и категории существенно зависит от длины кабеля. Для линий этой категории на скоростях до 20 Кбит/с могут использоваться стандарты RS-422A либо RS-423A; на скоростях выше 20 Кбит/с (до 2Мбит/с) - только RS-422A.

Оставшиеся 20 линий классифицируются как линии 2-й категории и используются стандартом RS-423A. Ко 2-й категории относятся такие управляющие линии, как "Качество сигнала", "Выбор скорости передачи" и др.

Стандарт RS-449 определяет тип разъема и, в отличие RS-232, распределение контактов разъема. Используемые разъемы имеют 37 контактов для прямого канала и 9 контактов для обратного канала.

Интерфейс RS-485.

Протокол связи RS-485 является наиболее широко используемым промышленным стандартом, использующим двунаправленную сбалансированную линию передачи. Протокол поддерживает многоточечные соединения, обеспечивая создание сетей с количеством узлов до 32 и передачу на расстояние до 1200 м. Использование повторителей RS-485 позволяет увеличить расстояние передачи еще на 1200 м или добавить еще 32 узла. Стандарт RS-485 поддерживает полудуплексную связь. Для передачи и приема данных достаточно одной скрученной пары проводников

Таблица 5.10 – Характеристики интерфейса RS-485

Стандарт	EIA RS-485
Скорость передачи	10 Мбит/с (максимум)
Расстояние передачи	1200 м (максимум)
Характер сигнала, линия передачи	дифференциальное напряжение, скрученная пара
Количество драйверов	32
Количество приемников	32
Схема соединения	полудуплекс, многоточечная

Характеристики интерфейсов RS-232C, RS-423A, RS-422A, RS-485A сведены в таблицу 5.12.

Таблица 5.12 - Характеристики интерфейсов

Характеристики последовательных интерфейсов	Тип	Скорость, V	Длина кабеля, м L
RS-232C	Дуплекс	20 Кбит/c	15 м
RS-423A	Дуплекс	100 Кбит/c 10 Кбит/c 1 Кбит/c	9 91 1200
RS-422A	Дуплекс	10 Мбит/c 1Мбит/c 100Кбит/c	12 120 1200
RS-485A	Полудуплекс, до 32 парал-лельно соединенных приемо-передатчиков	10 Мбит/c 1Мбит/c 100Кбит/c	12 120 1200