一 概述

计算机系统的接口是CPU与外围设备连接的部件，是CPU与外围设备进行信息交换的中转站。它把外围设备送给CPU的信息转换成与计算机相容的格式，并经常把外围设备的状态提供给计算机，协调计算机与外围设备之间的时序差别。例如，源程序或数据要通过接口从输入设备被送入计算机，运算结果也要通过接口向输出设备送出；控制命令通过接口发出，现场状态通过接口取进来等。图26-18所示为计算机与分析仪器接口示意图。

接口电路是计算机技术发展的必然结果。首先，CPU与外围设备两者之间的信号线不兼容，在信号线功能定义、逻辑定义和时序关系上都不一致；其次，CPU与外围设备两者的工作速度不兼容，前者速度高，后者速度低。如果不通过接口而由CPU直接对外围设备的操作实施控制，就会让CPU处于穷于应付与外围设备打交道之中，大大降低CPU的效率；最后，若外围设备直接由CPU控制，也会使外围设备的硬件结构依赖于CPU，对外围设备本身的发展不利。所以，设置接口电路，可以很好地协调CPU与外围设备两者的工作，提高CPU的效率，并有利于外围设备按自身的规律发展。

有了接口电路之后，CPU与外围设备的交互作用通过接口进行。例如，当CPU希望向某输出设备送一串数字（比如给打印机发送打印字符），首先由CPU把要打印的字送到打印接口电路中，然后由该接口电路在适当的时候送给打印机。相反地，主机要想查询外界状态，必须先由特定的接口电路将状态信息读入并保持，CPU才能通过接口读指令，最终得到该信息。

随着IT技术的迅猛发展，计算机的外围设备也在不断发展，变得越来越复杂，这使得接口技术也成为一门十分关键的技术。目前，计算机接口硬件已不是一些逻辑电路的简单组合，它将软硬件结合，采用可编程的大规模集成电路芯片(LSI)，功能可由CPU的指令来加以改变，这使得同一个接口芯片可执行多种不同的接口功能，因而十分灵活。另外，一些接口芯片自带处理器，可自动执行接口内部的固化程序，形成智能接口。这些技术使得安全、高效、可靠的电子信息的交换和共享成为现实。

计算机的接口电路有多种，本节中只能有选择地介绍几种常用的接口电路。

二 数模一模数转换电路

模拟信号到数字信号的转换称为模数转换（analogtodigital,A/D)，把实现A/D转换的电路称为A/D转换器（analogdigitalconverter,ADC)。从数字信号到模拟信号的转换称为数模转换（digitaltoanalog,D/A)，把实现D/A转换的电路称为D/A转换器（digitalanalogconverter,DAC)。一般来说，从计算机到分析仪器的通讯是通过D/A转换器，从分析仪器到计算机的通讯是用A/D转换器。图26-19所示为倒T形电阻网络D/A转换器的原理图。

从图26-19中可以看到，整个电路由若干个相同的电路环节组成，每个环节由两个电阻(R和2R）和一个开关（S)组成。开关S是按二进制位进行控制的，当开关合上时其对应位为1，此时有电流流入放大器，大小为

式中Di是二进制的输入数字量。

运算放大器的输出电压为

若Rf=R，并将I=UR/R(U,为基准电压输入）代入上式，则有

即，输出模拟电压正比于数字量的输入。

DAC0832是美国国家半导体公司生产的8位D/A芯片，内部有16个数据缓冲寄存器：8位输入寄存器和8位DAC寄存器，称为具有双缓冲功能的D/A转换器。DAC0832有三种工作方式。

(1)直通工作方式输入寄存器和DAC寄存器都接成直通方式。此时提供给DAC的数据，必须来自锁存端口（LE1=LE2=0)。

(2）单缓冲工作方式控制输入寄存器和DAC寄存器同时跟随或锁存数据，或只控制这两个寄存器之一，而另一个接成直通方式。此方式适用于只有一路模拟量输出或几路模拟量非同步输出的情形。

(3)双缓冲工作方式分别控制输入寄存器和DAC寄存器，此方式适用多路D/A同时输出的情形：使各路数据分别锁存于各输入寄存器，然后同时（相同控制信号）打开各DAC寄存器，实现同步转换。

图26-21所示为8位D/A转换器与CPU的典型连接示意图。在此要说明的是，如果CPU的数据总线的位数小于D/A转换器的位数，则需要采用多级缓冲结构。例如，12位的D/A转换器与8位微处理器的连接时，输入数据线的高8位DI7-DI0与数据总线DB7一DB0相连；而低4位DI3-DI0也接至数据总线的DB7-DB4上，12数据的输入应由两次写入操作完成。

与数模转换器相反，A/D转换器的作用是把模拟量转换为数字量。它常用于数据采集系统，外界的模拟信号经A/D转换后，读入单片机内部以便进行处理。由于模拟量在时间上是连续的，所以转换时需在时轴上按一定的间隔对模拟信号采样，一般步骤为：采样一保持～量化～编码。其中量化、编码电路是最核心的部件，任何ADC转换电路都必须包含这种电路。将采样电压转化为数字量最小数量单位的整数倍的过程称为量化。而将量化结果用代码表示出来的过程称为编码。

图26-22所示为采样一保持电路及采样信号示意图。图中，S(t)是采样控制信号，C是保持电容。要说明的是，为了保证采样信号包含了原信号的全部信息，取样频率fs必须大于或等于输入模拟信号包含的最高频率fmax的两倍。而实际应用中通常取：

fs＝(5一10)fmax

采样一保持电路所输出的电压信号是一个时间离散、幅值跳跃的信号，而数字量的大小只能是某个规定的最小数值的整数倍，故必须将采样一保持电路输出的电压信号，按某种近似形式转化为与数字信号相对应的离散电平之上，这一过程称为数值量化，简称量化。为了方便处理，通常将量化值进行二进制数表示，称为编码。对于相同范围的模拟量，编码位数越多，量化引入的误差就越小。编码后的输出就是A/D转换器的输出。

ADC电路的形式有多种，常见的是计数式、逐次逼近式、双积分式及并行式。图26-23所示为计数式A/D转换器的原理图。它由计数器、比较器和一个内部数模转换器组成。计数器对时钟脉冲进行加1计数，以产生从0开始的数字量，经数模转换器转换成模拟电压U0。U0与待转换电压Ui进行比较，若Ui>U0，则比较器的输出端Uc=l，计数器继续计数；若Ui<U0，则比较器的输出端Uc=0，计数器停止计数，此时计数器输出的数字量就是与输入模拟电压Ui相等效的数字量。

计数式A/D转换电路构造简单，价格低廉，但转换速度慢。如8位A/D转换器的输入模拟电压为满量程时，计数器要计数到FFH才完成转换，需要255个时钟周期。

转换前，寄存器的内容清零。转换时寄存器先将最高位置置1，产生一个试探值10000000B，该值送D/A转换器转换后输出U0，它和待转换模拟电压Ui比较后，如果Ui>U0，则Uc=1，说明此试探值小于最终的转换结果，控制电路会自动保持最高位D7=1;如果Ui≦U0，则Uc=O，说明此试探值大于最终的转换结果，控制电路会自动将最高位复位D7=0。由此就决定了最高位的值并固定此值不变。仿此，逐次进行其他位D6,D5,...,D0的试探。如此，经过8次试探逐次完成后逼进寄存器的内容就是模拟量Ui所对应的数字量。

转换过程分两个阶段。一是对输入模拟电压Ui进行积分的阶段，其积分时间是固定的；二是对反极性的基准电压UR进行积分的阶段，其斜率是固定的。转换开始时，由控制逻辑使开关将待转换的模拟电压Ui接入积分器进行固定时间的正向积分。此过程实际上也是电容C充电过程。此时积分器的输出电压U0正比于输人模拟电压Ui。该积分过程持续一个固定的时间T后，控制逻辑使开关接向与输入电压Ui极性相反的基准电压UR，开始反向积分，同时计数器开始重新对时钟脉冲计数。该过程实际上是电容C向基准电源的放电过程，经过一定时间后，积分器输出为0，零比较器开始动作，使计数器停止计数，转换过
程结束。此时计数器中的计数值就是A/D转换结果的数字量，它与输入模拟电压成正比。

双积分型A/D转换过程，由于经历了两次积分，所以速度较慢。它的主要优点是转换精度高，即使转换电路本身元器件精度较差，也可以得到很高的转换精度。而且，由于其测量的是输入电压在一个固定的时间间隔内的平均值，而不是输入电压的瞬时值，因此它的抗干扰能力强。

图26-26所示为美国国家半导体公司生产的逐次逼近型8位A/D转换器芯片。其输出具有三态锁存和缓冲能力，易于和微处理器相连。其分辨率为8位，转换时间为100μs，功耗为15mw，输入电压范围为0-5V，采用十5V电源供电。

三 USB接口电路

通用串行总线（universalserialbus,USB）是目前为计算机和外围设备之间提供一种通用的、灵活的、简单易用的连接平台，以方便用户、降低成本，扩展PC连接外围设备的范围。它是一种快速、双向、同步传输、廉价的并可以进行热拔插的串行接口。

USB接口使用方便，它可以连接多个不同的设备。当前执行USB2.0标准的高速USB接口速率更是达到了480Mb/s，这使得高分辨率、真彩色的大容量图像的实时传送成为可能。普通的使用串口、并口的设备都需要单独的供电系统，而USB设备则不需要。

正是由于USB的这些特点，己经在PC机的多种外围设备上得到应用，包括扫描仪、数码相机、数码摄像机、音频系统、显示器、输入设备等。对于广大的工程设计人员来说，USB是设计外围设备接口时理想的总线。

USB系统由USB主机（host),USB集线器（hub),USB功能设备组成，采用星形级联的拓扑结构，如图26一27所示。

它们通过四芯的USB电缆进行连接，其中D十，D一是数据线，VBus,Gnd是＋5V电源和地线，如图26-28所示。

在一个USB系统中，仅有一个USB主机，其功能如下：管理USB系统；每毫秒产生一帧数据；发送配置请求对USB设备进行配置操作；对总线上的错误进行管理和恢复。USB设备接收USB总线上的所有数据包，通过数据包的地址域来判断是不是发给自己的数据包：若地址不符，则简单地丢弃该数据包；若地址相符，则通过响应USB主机的数据包与USB主机进行数据传输。USB集线器用于设备扩展连接，所有USB设备都连接在USB集线器的端口上。一个USB主机总与一个根hub(USBroothub）相连。

USB总线的数据流可用传输（transfer)、事务（transaction)、分组（packet),帧（frame）和微帧（microframe）等几个元素来描述。一个传输可包含多个事务，而分组是构成事务的基本单元。USB支持四种基本的数据传输方式：控制传输(controltransfer)、等时传输（isochronoustransfer)、批量传输（bulktransfer)、中断传输（interrupttransfer)。控制传输采用的是消息管道机制，因此支持双向传输，而后面三种采用的是流管道机制，因而传输方向是单向的。为了保证传输的可靠性，USB为除等时传输事务外的其他三种数据传输提供检错与重传机制。USB允许连续三次的数据差错重传，当超过三次时，该事务将被取消，管道被禁止。

USB的一个重要特色是支持即插即用和热插拔，为用户提供了极大的方便。它包括设备连接与拆除状态的识别：设备的动态配置，如资源的分配或回收，驱动程序的装载或卸载等方面的内容。USB主机或集线器能够通过USB电缆直接向下行端口的设备提供＋5V电源，每个端口最多能获得500mA的电流。对于功耗较小的设备可采用该总线供电的方式，而当设备功耗较大时，应采用自身的电源供电。

一个实用的USB数据采集系统包括A/D转换器、微控制器以及USB通信接口。为了扩展其用途，还可以加上多路模拟开关和数字I/O端口。USB数据采集设备的构成结构图如图26-29所示。