Im eingebetteten System bezieht sich die Schnittstelle auf den Kommunikationspfad oder Bus, der zum Verbinden verschiedener integrierter Schaltkreise mit anderen Peripheriegeräten verwendet wird. Es ist Verbindungsteil und Übertragungsstation für den Informationsaustausch zwischen dem Mikrocontroller und der Außenwelt.

Warum brauchen wir Schnittstellen zwischen der MCU und den Peripheriegeräten?

Im Folgenden sind vier Hauptgründe aufgeführt.

1. Die Signale der MCU und die der Peripheriegeräte sind in Bezug auf Funktionsdefinition, Logikdefinition, Zeitbeziehung usw. nicht kompatibel.
2. Die Verarbeitungsgeschwindigkeit der MCU und die des Peripheriegeräts stimmen nicht überein. Beispielsweise ist die Geschwindigkeit der MCU hoch, während die Geschwindigkeit der Peripheriegeräte langsam ist.
3. Wenn die MCU den Betrieb von Peripheriegeräten ohne Schnittstelle direkt steuert, wird es für die MCU schwierig, mit Peripheriegeräten umzugehen, und ihre Effizienz wird erheblich verringert.
4. Wenn das Peripheriegerät direkt von der MCU gesteuert wird, hängt die Hardwarearchitektur des Peripheriegeräts vollständig von der MCU ab und behindert somit die Entwicklung des Peripheriegeräts selbst.

Einführung in universelle Schnittstellen

UART

Universal Asynchronous Receiver-Transmitter, allgemein bekannt als UART, ist ein asynchroner Vollduplex-Transceiver, der Teil der Computerhardware ist und Daten zwischen serieller Kommunikation und paralleler Kommunikation überträgt. Da ein Chip einen parallelen Eingang in einen seriellen Ausgang umwandelt, wird UART normalerweise für die Verbindung mit anderen Kommunikationsschnittstellen integriert.

Ein einzigartiger Vorteil von UART besteht darin, dass Daten zwischen Geräten über nur zwei Drähte übertragen werden können. Bei der UART-Kommunikation kommunizieren zwei UART-Transceiver direkt miteinander. Der UART-Sender wandelt die parallelen Daten von der CPU in serielle Daten um und überträgt sie dann an den empfangenden UART-Transceiver. Der empfangende UART-Transceiver wandelt somit die seriellen Daten wieder in parallele Daten für das empfangende Gerät um. Der Datenfluss vom TX-Pin des sendenden UART zum RX-Pin des empfangenden UART ist wie in Abbildung 1 dargestellt:

Abbildung 1. Diagramm der UART-Kommunikationsverbindung

Der Datenrahmen des UART-Kommunikationsprotokolls wird wie folgt beschrieben:

1. Startbit : Senden Sie zunächst ein logisches „0“-Signal, das den Beginn der Zeichenübertragung anzeigt.
2. Datenbit : unmittelbar nach dem Startbit. Die Anzahl der Datenbits kann 4, 5, 6, 7, 8 usw. betragen, was ein Zeichen bildet. Normalerweise wird ASCII-Code verwendet.
3. Paritätsbit : Nach dem Hinzufügen dieses Bits zum Datenbit sollte die Anzahl der Bits von „1“ gerade (für gerade Prüfung) oder ungerade (für ungerade Prüfung) sein, um die Richtigkeit der Datenübertragung zu überprüfen.
4. Stoppbit : Es ist die Endmarkierung der Zeichendaten. Es kann mit 1-Bit-, 1,5-Bit- oder 2-Bit-Hochspannungspegeln bezeichnet werden. Je mehr Stoppbits beteiligt sind, desto stabiler und gleichzeitig langsamer ist die Datenübertragung.
5. Leerlaufbit : Es befindet sich im logischen Zustand „1“, was bedeutet, dass im Stromkreis keine Datenübertragung erfolgt.
6. Baudrate : Die Datenübertragungsgeschwindigkeit. Es gibt folgende Geschwindigkeiten: 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 43000, 56000, 57600, 115200. Um eine korrekte Datenübertragung zu gewährleisten, muss die Baudrate vorab eingestellt werden. Der Datenübertragungsprozess ist in Abbildung 2 dargestellt

Abbildung 2. UART-Datenrahmen

UART-Kommunikationsprinzip

Datenübertragungsprozess: Im Ruhezustand befindet sich die Schaltung auf einem hohen Pegel. Wenn Sie den Datenübertragungsbefehl empfangen, senken Sie den Pegel der Schaltung für die Zeit T um ein Datenbit und senden Sie dann die Daten von niedrigeren Ziffern zu höheren Ziffern. Nachdem die Datenübertragung abgeschlossen ist, werden das Paritätsbit und das Stoppbit (Stoppbit liegt auf hohem Pegel) gesendet, um die Übertragung eines Datenrahmens abzuschließen.

Datenempfangsprozess: Im Ruhezustand befindet sich die Schaltung auf einem hohen Pegel. Wenn im Stromkreis ein Spannungsabfall erkannt wird, deutet dies darauf hin, dass die Datenübertragung begonnen hat. Und die Daten werden entsprechend der vereinbarten Baudrate von niedrigeren Ziffern zu höheren Ziffern empfangen. Anschließend wird ein Paritätsbit empfangen und verglichen, um festzustellen, ob die Übertragung korrekt ist. Wenn es korrekt ist, wird das nachfolgende Gerät benachrichtigt, sich auf den Empfang der Daten vorzubereiten oder sie im Cache zu speichern.

Im Embedded-Design wird UART für die Kommunikation zwischen der MCU und Zusatzgeräten verwendet, beispielsweise für die Kommunikation zwischen Car-Audio und externen APs. Oder die Kommunikation zwischen der MCU und dem PC einschließlich des Überwachungs-Debuggers und anderer Geräte, wie z. B. EEPROM.

Bei BLE-Modulen ist die transparente UART-Übertragung fast schon zum Standard geworden. Das serielle transparente Übertragungsmodul ist äußerst komfortabel in der Anwendung. Entwickler müssen nicht verstehen, wie der Bluetooth-Protokollstapel implementiert ist. Mit den BLE-Modulen mit transparenter UART-Übertragung können sie problemlos drahtlose Produkte entwickeln.

Shenzhen RF-star Technology bietet als Hersteller von drahtlosen IoT-Modulen die seriellen UART- BLE-Module basierend auf SoCs von TI CC2640 CC2642 CC264X, CC26X2, Silicon Labs EFR32BG22, Nordic nRF52832 nRF52810 und anderen inländischen Lösungen an. Sie unterstützen Bluetooth 4.2/5.0 beim Senden und Empfangen von Daten, sind industrietauglich, kompakt und zeichnen sich durch einen extrem niedrigen Stromverbrauch aus. Sie ermöglichen Benutzern die schnelle Entwicklung von Bluetooth-Anwendungen zu äußerst geringen Kosten.

SPI

SPI ist die Abkürzung für Serial Peripheral Interface. Die SPI-Schnittstelle wird hauptsächlich zwischen EEPROM, FLASH, Echtzeituhr, Netzwerkcontroller, LCD-Display-Treiber, AD-Wandler, digitalem Signalprozessor und Decoder und anderen Geräten verwendet.

Als synchroner Hochgeschwindigkeits-Vollduplex-Kommunikationsbus benötigt SPI nur vier Pins von einem Chip, wodurch Pins des ICs und Platz im PCB-Layout eingespart werden.

Seine vier Hauptstifte sind wie folgt:

• MOSl – Master-Ausgang und Slave-Eingang, werden zum Übertragen von Daten von einem Master-Gerät zu einem Slave verwendet.
• MISO – Master-Eingang und Slave-Ausgang, werden zum Übertragen von Daten von einem Slave-Gerät an einen Master verwendet.
• SCK – serielle Uhr, bei der es sich um den Taktausgang des Master-Geräts zur Synchronisierung handelt.
• SS/CS – Slave-Geräteauswahl, die dem Master-Gerät zugewiesen wird, um ein Slave-Gerät aus mehreren Slaves auszuwählen. Es fügt ein effektives Signal mit niedrigem Pegel ein, um ein bestimmtes Slave-Gerät auszuwählen.
• Die Master-Slave-Verbindung ist in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3. SPI-Master-Slave-Verbindung

In einem SPI-Taktzyklus muss die Datenübertragung die folgenden Vorgänge durchlaufen:

1. Der Master sendet 1-Bit-Daten über das MOSI und der Slave liest die 1-Bit-Daten über die Schaltung.
2. Der Slave sendet 1-Bit-Daten über MISO und der Master liest die 1-Bit-Daten über die Schaltung.

Dies wird durch Schieberegister erreicht. Der Master und der Slave verfügen jeweils über ein Schieberegister und sind beide zu einem Ring verbunden. Im Tempo des Taktimpulses bewegen sich die Daten aus dem Master-Register und dem Slave-Register, in der Reihenfolge der höchsten Ziffer zuerst und der niedrigsten Ziffer zuletzt, und dann in das Slave-Register und das Master-Register. Wenn der Auszug in den Registern abgeschlossen ist, ist der Inhaltsaustausch zwischen ihnen abgeschlossen. Die Datenübertragung ist in Abbildung 4 dargestellt.

Abbildung 4. SPI-Datenübertragung

Im SPI-Betrieb sind die beiden wichtigsten Einstellungen Taktpolarität (CPOL) und Taktphase (CPHA). Die Taktpolarität legt den Spannungspegel fest, wenn der Takt im Leerlauf ist, und die Taktphase legt die Taktflanke zum Lesen und Senden von Daten fest.

Master und Slave senden gleichzeitig Daten und beide empfangen gleichzeitig Daten. Um eine korrekte Kommunikation zwischen ihnen sicherzustellen, sollte ihr SPI daher die gleiche Taktpolarität und Taktphase haben.

• Wenn CPOL=0, ist der Ruhezustand des seriellen Synchrontakts auf einem niedrigen Pegel.
• Wenn CPOL=1 ist, befindet sich der Ruhezustand des seriellen Synchrontakts auf einem hohen Pegel.
• Wenn CPHA=0, werden die Daten an der ersten Sprungflanke (steigend oder fallend) des seriellen Synchrontakts erfasst.
• Wenn CPHA=1, werden die Daten an der zweiten Sprungflanke (steigend oder fallend) des seriellen Synchrontakts erfasst.

Die folgenden Abbildungen zeigen den Kommunikationsprozess in vier Modi.

Abbildung 5. CPOL=0, CPHA=0

Abbildung 6. CPOL=0, CPHA=1

Abbildung 7. CPOL=1, CPHA=0

Abbildung 8. CPOL=1, CPHA=1

In den nächsten Kapiteln werden wir mehr über andere Peripherieschnittstellen diskutieren, z. B. I2C, USB, ADC und CAN. Bleiben Sie dran!

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