Hogyan működik az UART, az SPI és az I2C soros kommunikáció, és miért használjuk még mindig?

Legyen szó számítógép-perifériáról, intelligens készülékekről, Internet of Things (IoT) eszközökről vagy elektronikus mérőeszközök, ezek mind soros kommunikációs protokollokat használnak a különböző elektronikus alkatrészek összekapcsolására együtt.

Ezek az alkatrészek általában egy mikrokontrollerből és szolga modulokból állnak, például ujjlenyomat-érzékelőből, ESP8266-ból (Wi-Fi modul), szervókból és soros kijelzőkből.

Ezek az eszközök különféle kommunikációs protokollokat használnak. Az alábbiakban megismerheti a legnépszerűbb soros kommunikációs protokollokat, működésüket, előnyeiket és azt, hogy miért maradnak használatban.

Mi az a soros kommunikáció?

A soros kommunikációs protokollok a Morse-kód 1838-as feltalálása óta léteznek. Ma a modern soros kommunikációs protokollok ugyanezeket az elveket használják. A jeleket egyetlen vezetéken generálják és továbbítják két vezető ismételt rövidre zárásával. Ez a rövid kapcsolóként működik; be (magas) és kikapcsol (alacsony) bináris jeleket ad. A jel továbbításának és vételének módja a használt soros kommunikációs protokoll típusától függ.

A tranzisztor feltalálásával és az azt követő innovációkkal a mérnökök és a mesteremberek egyaránt kisebbé, gyorsabbá és energiahatékonyabbá tették a feldolgozó egységeket és a memóriát. Ezek a változások megkövetelték, hogy a busz kommunikációs protokollok technológiailag ugyanolyan fejlettek legyenek, mint a csatlakoztatott alkatrészek. Így a soros protokollok, például az UART, I2C és SPI feltalálása. Bár ezek a soros protokollok több évtizedesek, még mindig előnyben részesítik a mikrokontrollerekhez és a csupasz fém programozáshoz.

UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter)

Az UART protokoll az egyik legrégebbi, de legmegbízhatóbb soros kommunikációs protokoll, amelyet ma is használunk. Ez a protokoll két vezetéket használ, amelyek Tx (átvitel) és Rx (fogadás) néven ismertek mindkét összetevő kommunikációjához.

Az adatok továbbításához mind az adónak, mind a vevőnek meg kell egyeznie öt általános konfigurációval, ezek a következők:

• Átviteli sebesség: Az adatátvitel sebessége.
• Adatok hossza: A megállapodás szerinti bitek száma, amelyet a vevő elment a regisztereibe.
• Kezdő bit: Alacsony jel, amely tudatja a vevővel, ha adatátvitelre készül.
• Stop bit: Magas jel, amely tudatja a vevővel, hogy mikor küldték el az utolsó bitet (legjelentősebb bitet).
• Paritás bit: Magas vagy alacsony jel annak ellenőrzésére, hogy az elküldött adatok helyesek vagy sérültek-e.

Mivel az UART egy aszinkron protokoll, nincs saját órája, amely szabályozza az adatátviteli sebességet. Alternatív megoldásként az adatátviteli sebességet használja az időzítéshez, amikor egy bitet továbbítanak. Az UART-hoz használt szokásos adatátviteli sebesség 9600 baud, ami 9600 bit/s átviteli sebességet jelent.

Ha kiszámoljuk, és egy bitet elosztunk 9600 bauddal, akkor kiszámíthatjuk, hogy egy bit adat milyen gyorsan jut el a vevőhöz.

1/9600 =104 mikroszekundum

Ez azt jelenti, hogy UART-eszközeink 104 mikroszekundumot kezdenek számolni, hogy megtudják, mikor érkezik a következő bit.

Amikor UART eszközöket csatlakoztatott, az alapértelmezett jel mindig magasra emelkedik. Amikor alacsony frekvenciájú jelet észlel, a vevő elkezd számolni 104 mikroszekundumot, plusz további 52 mikroszekundumot, mielőtt elkezdi menteni a biteket a regisztereibe (memóriába).

Mivel már korábban megállapodtak abban, hogy nyolc bit legyen az adathossz, amint elmentett nyolc bit adatot, elkezdi ellenőrizni a paritást, hogy ellenőrizze, hogy az adatok páratlanok vagy páratlanok-e. A paritásellenőrzés után a stopbit magas jelet ad, hogy értesítse az eszközöket, hogy a teljes nyolc bitnyi adatot sikeresen továbbították a vevőhöz.

Mivel a legminimálisabb, mindössze két vezetéket használó soros protokoll, az UART-ot manapság gyakran használják intelligens kártyákban, SIM-kártyákban és autókban.

Összefüggő: Mi az a SIM-kártya? Tudnivalók

SPI (soros periféria interfész)

Az SPI egy másik népszerű soros protokoll, amelyet gyorsabb, körülbelül 20 Mbps adatátviteli sebességre használnak. Összesen négy vezetéket használ, nevezetesen SCK-t (Serial Clock Line), MISO-t (Master Out Slave In), MOSI-t (Master In Slave Out) és SS/CS-t (Chip Select). Az UART-tól eltérően az SPI master-slave formátumot használ több szolga eszköz vezérlésére egyetlen mesterrel.

A MISO és a MOSI úgy működik, mint az UART Tx és Rx adata, amelyet adatok továbbítására és fogadására használnak. A Chip Select segítségével kiválasztható, hogy a master melyik slave-el akar kommunikálni.

Mivel az SPI egy szinkron protokoll, a mester beépített órajelét használja annak biztosítására, hogy a mester és a szolga eszközök ugyanazon a frekvencián fussanak. Ez azt jelenti, hogy a két eszköznek többé nem kell egyeztetnie az adatátviteli sebességről.

A protokoll azzal kezdődik, hogy a master kiválasztja a szolga eszközt azáltal, hogy leengedi a jelét a szolga eszközhöz csatlakoztatott meghatározott SS/CK-ra. Amikor a slave alacsony jelet kap, elkezdi hallgatni az SCK-t és a MOSI-t is. A mester ezután küld egy kezdőbitet, mielőtt elküldi az adatokat tartalmazó biteket.

A MOSI és a MISO is full-duplex, vagyis egyszerre tudnak adatokat küldeni és fogadni.

Több slave-hez csatlakoztatható, full-duplex kommunikációval és alacsonyabb energiafogyasztással, mint a többi szinkron protokollokat, mint például az I2C, az SPI memóriaeszközökben, digitális memóriakártyákban, ADC-DAC konverterekben és kristályokban használják. memória jelenik meg.

I2C (Inter-Integrated Circuit)

Az I2C egy újabb szinkron soros protokoll, mint például az SPI, de számos előnnyel rendelkezik vele szemben. Ezek közé tartozik a több master és slave lehetőség, az egyszerű címzés (nincs szükség Chip Select), különböző feszültségekkel működik, és csak két vezetéket használ két felhúzáshoz ellenállások.

Az I2C-t gyakran használják számos IoT-eszközben, ipari berendezésben és fogyasztói elektronikában.

Az I2C protokoll két érintkezője az SDA (Serial Data Line), amely adatokat küld és fogad, és az SCL (Serial Clock Line) érintkező, amely óraként működik.

1. A protokoll azzal kezdődik, hogy a master egy startbitet (alacsony) küld az SDA lábáról, ezt követi egy hét bites cím, amely kiválasztja a slave-et, és egy bitet az olvasás vagy írás kiválasztásához.
2. A kezdőbit és a cím vétele után a slave egy nyugtázó bitet küld a masternek, és elkezdi figyelni az SCL-t és az SDA-t a bejövő adásokra.
3. Amint a mester ezt megkapja, tudja, hogy a kapcsolat létrejött a megfelelő szolgával. A master most kiválasztja, hogy a slave melyik regiszterét (memóriáját) kívánja elérni. Ehhez további nyolc bitet küld, amely meghatározza, hogy melyik regisztert kell használni.
4. A cím vételekor a slave most felolvassa a kiválasztási regisztert, mielőtt újabb nyugtázást küldene a masternek.
5. Miután kiválasztotta, hogy melyik szolgát és melyik regiszterét használja, a master végül elküldi az adatbitet a slave-nek.
6. Az adatok elküldése után egy utolsó nyugtázási bit kerül elküldésre a masternek, mielőtt a master stopbittel (magas) véget ér.

Összefüggő: A legjobb Arduino IoT projektek

Miért marad meg a soros kommunikáció?

A párhuzamos és sok vezeték nélküli protokoll térnyerésével a soros kommunikáció soha nem esett ki a népszerűségéből. Általában csak két-négy vezetéket használnak az adatok továbbítására és fogadására, a soros protokollok alapvető kommunikációs módot jelentenek az elektronika számára, amelynek csak néhány szabad portja van.

Egy másik ok az egyszerűsége, amely megbízhatóságot jelent. Egyszerre csak néhány vezeték küldi az adatokat, a soros bebizonyította, hogy megbízhatóan képes elküldeni a teljes adatcsomagot veszteség vagy sérülés nélkül az átvitel során. A soros protokollok még magas frekvenciákon és nagyobb hatótávolságú kommunikáció mellett is felülmúlják a ma elérhető számos modern párhuzamos kommunikációs protokollt.

Bár sokan azt gondolhatják, hogy a soros kommunikációnak, például az UART-nak, az SPI-nek és az I2C-nek megvan a hátránya Mivel régiek és elavultak, az tény, hogy többen is bizonyították megbízhatóságukat évtizedekben. Az ilyen régi protokollok valódi csere nélkül csak azt sugallják, hogy valójában nélkülözhetetlenek, és a belátható jövőben továbbra is használatosak lesznek az elektronikában.

Raspberry Pi, Pico, Arduino és egyéb egylapos számítógépek és mikrokontrollerek

Összetévedtél az SBC-k, például a Raspberry Pi és az olyan mikrokontrollerek között, mint az Arduino és a Raspberry Pi Pico? Íme, amit tudnod kell.

Olvassa el a következőt

A szerzőről