嵌入式系统的接口类型有哪些

图7-23 AD202/204应用电路
7.4.5 嵌入式系统的电气隔离设计许多硬件设计任务主要围绕以下方面展开：数/模转换器（DAC）、模/数转换器（ADC）、输入和输出信号调理、输入/输出模块的电气连线、控制器之间及模块之间的隔离问题。各种传感器产生的数字信号都传送到一个中央控制器，进行处理和分析。为了保证用户接口端电压的安全性，同时防止瞬态尖峰的传输，需要实现电流隔离。对于传感器信号隔离，传统的模拟隔离方案（如隔离放大器AD202）成本太高，可以采用数字隔离方案——AMP→ADC→Digital Isolate→MCU降低成本。
数字隔离器用来将系统现场的ADC、DAC和信号调理电路与数字端的微处理器隔离开来。其中，需要隔离型DC-DC变换器来实现微处理器的信号线和电源线与ADC/DAC的信号和电源的相互隔离。隔离器件可选用ADI公司的iCoupler产品或TI公司的IO72xx数字隔离器。在满足应用需要的前提下，可以选用ADI公司集成3750V电压隔离的ADC（AD7400）来减轻设计负担。
在完全隔离的系统中，从系统端向现场端提供隔离的电源是另一个要面对的挑战，而在这方面也涌现出了新的解决方案。传统上，将电源从隔离的一端传递到另一端所用的技术包括使用单独的、尺寸较大的、昂贵的DC-DC变换器，或者设计及接口均较困难的分立器件。目前，一种更好的方法是采用完整的、全部集成化的隔离解决方案。这种方案可以通过微变压器实现跨越隔离点的信号和电源传输，其供电能力达50MW。例如isoPower系列产品ADuM524x可以提供高达2500V的信号和电源隔离度，不仅避免了采用分立的隔离电源，而且降低了隔离系统的总成本，减小了电路板面积，缩短了设计时间。
7.5 嵌入式系统接口的保护7.5.1 嵌入式系统接口的电源保护1．过压与欠压保护近年来，随着芯片制造工艺的进步，许多新型集成电路的工作电压越来越低，芯片承受过电压的能力也随之下降，嵌入式系统也朝着低电压方向发展，这就使得在嵌入式系统应用中的过压保护更加重要。
过电压保护简称OVP（Over Voltage Protection），过压保护电路根据具体应用的不同在设计上也有很大差别。最简单的过压保护电路可以是一个简单的稳压二极管，或通过比较器等电路控制MOSFET或继电器控制电路的通断等。
2．防掉电保护在嵌入式应用中，嵌入式系统如果意外掉电，则可能导致数据的完整性或者控制状态不确定，系统运行中产生的一些数据也可能因此而丢失得不到保存，因此就需要加入防掉电保护，在系统检测到掉电时能够将数据完整储存到当前系统中，同时对于一些重要的控制系统还需要在掉电前调整到一个相对安全的状态，这就对系统的防掉电保护提出了更高的要求。
系统防掉电设计的目的是：采用一种机制，使得系统在意外失去供电的情况下，可以保证系统运行状态的确定性及记录数据的完整性；当系统供电恢复后，现场数据可以及时恢复，避免应用系统产生混乱。我们知道，在嵌入式系统设计与开发中越来越多地应用嵌入式操作系统。由于操作系统的引入，数据的读写往往是通过文件的方式完成，而不是直接对存储单元地址操作。用文件读写方式操作数据，在程序的运行过程中往往将数据暂存在易失性的存储空间，如SDRAM，一旦系统意外失电，这些数据往往被丢失。因此，当系统意外失电时必须采取一定的措施进行系统的掉电保护，以避免系统产生混乱。总的说来，防掉电程序的主要思路就是：产生掉电信号，捕捉掉电信号，处理掉电信号和数据以及恢复现场状态。
为了在突然掉电时能够保持数据存储器（RAM）的数据，保证嵌入式系统稳定、可靠地工作，保证数据信息处理的安全，虽然一般嵌入式系统的主电源里都有大容量滤波电容器，当掉电时，嵌入式微处理器靠储存在电容器里的能量，一般能维持工作半个周期（10ms）左右。为此，要求一旦市电发生瞬间断电时，必须要有一种电源能在小于10ms的时间内重新送电，确保单片机系统正常运行，这一任务就由UPS来完成。电源系统瞬时掉电所产生的干扰会造成微处理器的计算错误和数据丢失，有了UPS可以使单片机系统连续可靠地工作。
UPS的中文意思为“不间断电源”，是英语“Uninterruptible Power Supply”的缩写，它可以保障计算机系统在停电之后继续工作一段时间以使用户能够紧急存盘，使用户不致因停电而影响工作或丢失数据。UPS主要起到两个作用：一是应急使用，防止突然断电而影响正常工作，给计算机造成损害；二是消除市电上的电涌、瞬间高电压、瞬间低电压、电线噪声和频率偏移等“电源污染”，改善电源质量，为计算机系统提供高质量的电源。
从基本应用原理上讲，UPS是一种含有储能装置，以逆变器为主要元件，稳压稳频输出的电源保护设备。主要由整流器、蓄电池、逆变器和静态开关等几部分组成。UPS电源按其工作原理可分为后备式、在线式以及在线互动式三种。下面简单说一下UPS的工作原理。
后备式UPS：平时处于蓄电池充电状态，在停电时逆变器紧急切换到工作状态，将电池提供的直流电转变为稳定的交流电输出，因此后备式UPS也被称为离线式UPS。后备式UPS电源的优点是：运行效率高、噪声低、价格相对便宜，主要适用于市电波动不大，对供电质量要求不高的场合，比较适合家庭使用。然而这种UPS存在一个切换时间问题，因此不适合用在供电不能中断的关键性场所。不过实际上这个切换时间很短，一般介于2～10ms，而计算机本身的交换式电源供应器在断电时应可维持10ms左右，所以个人计算机系统一般不会因为这个切换时间而出现问题。后备式UPS一般只能持续供电几分钟到几十分钟，主要是让用户有时间备份数据，并尽快结束手头工作，其价格也较低。对不太关键的计算机应用，比如个人家庭用户，就可配小功率的后备式UPS。
通过理论和实践证明，对于5V供电的单片机当供电电压由5V下降到4～5V时单片机通常均能正常运行，但电压再往下跌落时，单片机就不能继续正常运行。在一般情况下CPU、CMOS、TTL电路将因电源电压跌落而首先不能正常运行，RAM在电压跌落到比较低时尚能工作。因为单片机使用的主电源均有大容量电容，所以在主电源失电时，如果按放电曲线在下跌到单片机能正常运行工作的最低电压之前，把后备电源接上便能保持单片机正常运行。
3．瞬态保护在实际工程使用中，使用了上述数字隔离方案的系统，可靠性有了极大的提高，能消除噪声并能防止电流在两通信端之间流动，防止瞬态尖峰在系统内部的破坏性传播。但是尽管数字隔离器件以内的电路系统没有损坏，可是接口电路在有强烈的浪涌能量出现时，甚至可以看到收发器爆裂、线路板焦糊的现象，虽然不至于影响整个系统的安全性，但也会造成极大的不便。
出现该现象的原因：虽然隔离“切断”了由电路路径形成的环路，噪声电压只出现在隔离层上而非接收机或其他敏感组件上，但是接口电路必须要经过强烈能量的考验。常用的接地措施只对低频率的共模干扰有保护作用，而对于频率很高的瞬态干扰就无能为力了，因为引线电感的作用对高频瞬态干扰来讲，接地线实际等同于开路。这样的瞬态干扰可能会有成百上千伏的电压，但持续时间很短，在切换大功率感性负载（电动机、变压器、继电器），闪电等过程中都会产生幅度很高的瞬态干扰，如果不加适当防护就会损坏接口。
对于这种瞬态干扰，可以采取瞬态抑制方法加以防护。实际应用中采用两级防护措施：使用3个90V陶瓷放电管（3RM090L-8）（可承受10/700μs，10/700μs为通信线路中感应出的雷击电压波形，表示从零值上升至峰值的时间为10ms，下降至峰值一半的时间为700μs，8000V雷击测试）进行共模防护、差模防护，此时过电压被大大削弱到500V左右；再经过PTC（可以采用100～200mA、耐压250V以上的自恢复熔断器K250-120U）或10W左右的电阻限流。TVS瞬态抑制二极管的选择可以根据芯片的工作电压与耐压决定，一般略高于芯片最高工作电压，RS-485芯片可以选择P6KE15CA，RS-232芯片可以选择P6KE18CA。
7.5.2 静电保护在电子通信设备的设计、试验、生产、调试、运行或维修过程中，由于静电放电（ESD），可能干扰设备的工作、引起设备电子元器件的损坏，导致设备故障甚至酿成严重事故，由此造成的损失是十分惊人的。因此在嵌入式产品的设计中需要考虑静电保护。
静电保护措施可以总结为：静电屏蔽，滤波去耦，绝缘隔离，接地泄放，良好搭接，瞬态抑制。
以上措施需要在进行PCB设计时充分考虑，主要措施有：
（1）PCB上应尽量缩短引线长度；
（2）PCB上所有的回路面积都应尽可能小，因为它们对瞬态ESD电流产生的磁场非常敏感，这不仅包括电源与地之间的回路，也包括信号与地之间的回路；
（3）安装在印制板上的具有金属外壳的元器件如复位按钮、拨码开关、晶振，其金属外壳一定要接地；
（4）对于双层板，在安全条件下，电源线应尽可能靠近地线，DIP封装的集成电路，+5V走线和地线走线应平行布于两排引脚之间；
（5）PCB上未用部分应用地平面填满；
（6）静电屏蔽：对干扰源、高频电路和静电敏感电路，应实现局部屏蔽或整板屏蔽，静电屏蔽的两个基本要点是：完善的屏蔽和良好的接地。
（7）滤波去耦：试验证明，静电放电引起的干扰脉冲是一个按指数规律衰减的受调制的正弦波，含有丰富的高频分量，因此，应对电源进线和信号进线用滤波器滤波，在电源和地之间用高频电容器去耦。
① 电源输入端可用LC网络（L（100μH），C1（100μF），C2（0.1μF））滤波；
② 对射频组件的向外引线应用穿心电容器滤波或采用带滤波器的插头；
③ 对于双层板，如印制板上的电源引线过长，每隔8cm应在电源与地之间接入一个去耦电容。
④ 集成电路的电源和地之间应加去耦电容（0.01μf～0.1μF），去耦电容要并接在同一芯片的电源端和接地端且紧靠被保护的芯片安装。对于电源和地有多个引脚的大规模集成电路，可设多个去耦电容。对于动态RAM，去耦电容的容量应较大（0.1μF）。
⑤ 大规模集成电路，尤其是EEPROM、FLASH MEMORY、EPLD、FPGA等类型芯片，每个去耦电容应并接一充放电电容。小规模集成电路，每10片也要加接一个充放电电容。该电容以10μF的钽电容或聚碳酸酯电容为宜。
7.6 嵌入式系统接口的控制方式7.6.1 程序轮询方式在这种方式下，系统微控制器需要不停地查询外设状态，当外设准备就绪时才能够进行数据输入或者输出，否则微控制器就要继续等待循环查询。
以一个按键控制一个灯的亮灭为例，程序需要不停地查询按键对应的I/O状态来判断按键是否按下，检测到按下后翻转灯对应的I/O状态，实现控制信号的输出。这种方式是最简单、最基础的通信方式，其弊端也非常明显。一是系统需要不停地查询外设状态，耗费了大量时间。二是当微控制器需要处理其他任务时可能会错过查询，丢失数据，如按键数据，按键按下只有很短的时间，如果此时程序在执行延时或其他任务时就会错过按键的检测。
7.6.2 中断处理方式在这种方式下，微控制器不需要被动等待或花费大量时间去查询外设状态，当外设数据交换准备就绪时会自动向微控制器发送中断请求，微控制器如果响应此请求便可以暂停当前任务的运行，转而执行与请求对应的中断服务程序，完成后可以继续执行原先被中断的程序。仍然以一个按键控制一个灯为例，设置按键对应的I/O口触发一个外部中断，在外部中断服务程序中改变灯的状态，这就是中断的处理方式。
中断处理方式的优点显而易见，这种方式不但使微控制器省去了查询外设和等待外设的时间，提高了工作效率，还满足了外设的实时性要求。此种方式需要为每个外设分配一个中断请求号和对应的中断服务程序，需要说明的是STM32F103系列微控制器有着非常强大的中断处理能力，UART、SPI、I2C、CAN等每个外设都可以设置独立的中断请求，非常适合这种方式的应用。
7.6.3 直接存储器存取DMA传送方式直接存储器读取DMA（Direct Memory Access）是PC上的一个概念，主要指的是并行的外设与内存之间一种快速的数据传输方式。在现代微控制器及其系统中，也把它扩展到串行外设等各种类型的外设接口上。DMA最显著的特点是它不用软件参与而是采用一个专门的控制器来控制内存与外设之间的数据传输，无须微控制器的参与，这就节省了CPU的资源来做其他操作，此种方式特别适合于大数据量的数据传输，可以极大提高微控制器的工作效率。
需要进行DMA数据传输时，可以通过寄存器配置DMA数据传输的起始地址和目的地址，以及传输的数据格式等，DMA控制器会向系统申请总线的控制权，系统的微控制器如果允许，则将控制权交出，传输过程中总线控制权由DMA控制器掌握。传输结束后，DMA控制器将总线控制权交还给系统微处理器。
由于DMA这种优势，在进行大数据量的数据处理或者传输时应当首先考虑DMA方式，DMA传输本身也可以触发中断，因此很多情况下DMA又和中断配合使用。STM32F103系列的DMA控制器有着非常强大的功能，具体可以参见DMA控制器一节，这里不再赘述。

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