Во встроенной системе интерфейс относится к коммуникационному тракту или шине, используемой для соединения различных интегральных схем с другими периферийными устройствами. Это соединительная часть и передающая станция для обмена информацией между микроконтроллером и внешним миром.

Зачем нужны интерфейсы между MCU и периферией?

Ниже перечислены четыре основные причины.

1. Сигналы MCU и сигналы периферийных устройств несовместимы с точки зрения определения функции, логического определения, временных соотношений и т. д.
2. Скорость обработки MCU и периферии не совпадают. Например, скорость MCU высокая, а скорость периферийных устройств низкая.
3. Если MCU напрямую управляет работой периферийных устройств без интерфейса, это заставит MCU в сложной ситуации справляться с периферийными устройствами и сильно снизит его эффективность.
4. Если периферийное устройство напрямую управляется MCU, аппаратная архитектура периферийного устройства будет полностью зависеть от MCU, что затруднит разработку самого периферийного устройства.

Введение в универсальные интерфейсы

UART

Универсальный асинхронный приемник-передатчик, широко известный как UART, представляет собой полнодуплексный асинхронный приемопередатчик, который является частью компьютерного оборудования и передает данные между последовательной и параллельной связью. Поскольку микросхема преобразует параллельный ввод в последовательный вывод, UART обычно интегрируется для связи с другими коммуникационными интерфейсами.

Уникальным преимуществом UART является то, что он может передавать данные между устройствами, используя только два провода. При связи UART два приемопередатчика UART напрямую взаимодействуют друг с другом. Передатчик UART преобразует параллельные данные от ЦП в последовательные данные, а затем передает их на принимающий приемопередатчик UART. Следовательно, принимающий приемопередатчик UART преобразует последовательные данные обратно в параллельные данные для принимающего устройства. Поток данных от вывода TX отправляющего UART к выводу RX принимающего UART показан на рисунке 1:

Рис. 1. Схема коммуникационного соединения UART

Кадр данных протокола связи UART описывается следующим образом:

1. Стартовый бит : сначала отправьте сигнал логического «0», указывающий на начало передачи символа.
2. Бит данных : сразу после стартового бита. Количество битов данных может быть 4, 5, 6, 7, 8 и т. д., что формирует символ. Обычно используется код ASCII.
3. Бит четности : после добавления этого бита к биту данных количество битов «1» должно быть четным (для проверки четности) или нечетным (для проверки нечетности), чтобы проверить правильность передачи данных.
4. Стоповый бит : это конечная метка символьных данных. Он может быть обозначен 1-битным, 1,5-битным или 2-битным уровнем высокого напряжения. Чем больше стоповых битов задействовано, тем стабильнее и медленнее идет передача данных.
5. Бит ожидания : он находится в состоянии логической «1», что означает отсутствие передачи данных в текущей цепи.
6. Скорость передачи : скорость передачи данных. Предусмотрены следующие скорости: 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 43000, 56000, 57600, 115200. Скорость передачи данных необходимо установить заранее, чтобы обеспечить корректную передачу данных. Процесс передачи данных показан на рисунке 2.

Рис. 2. Фрейм данных UART

Принцип связи UART

Процесс передачи данных: В состоянии ожидания цепь находится на высоком уровне. При получении команды передачи данных опустить уровень схемы на один бит данных за время T, а затем отправить данные из младших разрядов в старшие разряды. После завершения передачи данных бит четности и стоповый бит (стоповый бит имеет высокий уровень) отправляются для завершения передачи кадра данных.

Процесс приема данных: В состоянии ожидания схема находится на высоком уровне. Когда в цепи обнаруживается фронт падения напряжения, это говорит о том, что передача данных началась. И данные принимаются от младших цифр к старшим цифрам в соответствии с согласованной скоростью передачи данных. После этого принимается бит четности и сравнивается, чтобы убедиться в правильности передачи. Если это правильно, последующее устройство уведомляется о подготовке к приему данных или сохранению их в кэше.

Во встраиваемых устройствах UART используется для связи между микроконтроллером и вспомогательным оборудованием, например, для связи между автомобильной аудиосистемой и внешними точками доступа. Или связь между MCU и ПК, включая отладчик мониторинга и другие устройства, такие как EEPROM.

В модулях BLE прозрачная передача UART стала почти стандартной функцией. Модуль последовательной прозрачной передачи чрезвычайно удобен в использовании. Разработчикам не нужно понимать, как реализован стек протоколов Bluetooth. Они могут легко разрабатывать беспроводные продукты с помощью модулей BLE с прозрачной передачей UART.

Shenzhen RF-star Technology, как производитель беспроводных модулей IoT , поставляет модули BLE с последовательным интерфейсом UART на базе SoC TI CC2640 CC2642 CC264X, CC26X2, Silicon Labs EFR32BG22, Nordic nRF52832 nRF52810 и других отечественных решений. Поддерживая Bluetooth 4.2/5.0 при передаче и приеме данных, они промышленного класса, имеют компактные размеры и отличаются сверхнизким энергопотреблением. Они облегчают пользователям быструю разработку приложений Bluetooth по чрезвычайно низкой цене.

СПИ

SPI — это аббревиатура последовательного периферийного интерфейса. Интерфейс SPI в основном используется между EEPROM, FLASH, часами реального времени, сетевым контроллером, драйвером ЖК-дисплея, AD-преобразователем, процессором и декодером цифровых сигналов и другими устройствами.

В качестве высокоскоростной полнодуплексной синхронной коммуникационной шины SPI требуется всего четыре контакта от микросхемы, что позволяет экономить контакты микросхемы и место на печатной плате.

Его четыре основных контакта следующие:

• MOSI - ведущий выход и ведомый вход, используемые для передачи данных от ведущего устройства к ведомому.
• MISO — ведущий вход и ведомый выход, используемые для передачи данных с ведомого устройства на ведущее.
• SCK - последовательные часы, которые являются тактовым выходом ведущего устройства для синхронизации.
• SS/CS - выбор ведомого устройства, который назначается ведущему устройству для выбора ведомого устройства из нескольких ведомых. Он вставляет эффективный сигнал низкого уровня для выбора конкретного ведомого устройства.
• Соединение Master-Slave показано на рисунке 3.

Рис. 3. Соединение SPI Master-Slave

За один такт SPI передача данных должна выполнять следующие операции:

1. Ведущий отправляет 1-битные данные через MOSI, а ведомый считывает 1-битные данные через схему.
2. Ведомое устройство отправляет 1-битные данные через MISO, а ведущее устройство считывает 1-битные данные по цепи.

Это достигается за счет сдвиговых регистров. У ведущего и ведомого устройства есть сдвиговый регистр, и оба соединены в кольцо. Со скоростью тактового импульса данные перемещаются из главного регистра и подчиненного регистра в последовательности, начиная с самой старшей цифры и заканчивая самой младшей цифрой, а затем перемещаются в подчиненный регистр и главный регистр. Когда выселение в регистрах завершено, обмен содержимым между ними завершается. Передача данных показана на рисунке 4.

Рисунок 4. Передача данных SPI

В режиме SPI двумя наиболее важными параметрами являются полярность тактового сигнала (CPOL) и фаза тактового сигнала (CPHA). Полярность тактового сигнала устанавливает уровень напряжения, когда часы находятся в режиме ожидания, а фаза тактового сигнала устанавливает фронт тактового сигнала для чтения и отправки данных.

Ведущее устройство и подчиненное устройство одновременно отправляют данные и одновременно получают данные. Следовательно, чтобы обеспечить правильную связь между ними, их SPI должны иметь одинаковую полярность и тактовую фазу.

• Если CPOL=0, состояние простоя последовательных синхронных часов находится на низком уровне.
• Если CPOL=1, состояние ожидания последовательных синхронных часов находится на высоком уровне.
• Если CPHA=0, данные собираются по первому фронту скачка (нарастающему или спадающему) последовательного синхронного тактового сигнала.
• Если CPHA=1, данные собираются по второму фронту скачка (нарастающему или спадающему) последовательных синхронных часов.

На следующих рисунках показан процесс связи в четырех режимах.

Рисунок 5. CPOL=0, CPHA=0

Рисунок 6. CPOL=0, CPHA=1

Рисунок 7. CPOL=1, CPHA=0

Рисунок 8. CPOL=1, CPHA=1

В следующих главах мы больше обсудим другие периферийные интерфейсы, например, I2C, USB, ADC и CAN. Следите за обновлениями!

О нас

Shenzhen RF-star Technology Co., Ltd. (RF-star) — высокотехнологичная компания, специализирующаяся на радиочастотных устройствах, уже более десяти лет сертифицирована Texas Instruments в качестве стороннего поставщика маломощных радиочастотных продуктов. . RF-star предоставляет проводную сеть Интернета вещейess и полный спектр решений, включая BLE, Wi-Fi, Matter, Wi-SUN, Sub-1G, ZigBee, Thread и т. д. Для получения дополнительной информации посетите веб-сайт компании https://www.rfstarriot.com / или свяжитесь с нами по адресу info@szrfstar.com.