Kā darbojas UART, SPI un I2C seriālie sakari un kāpēc mēs tos joprojām lietojam

Neatkarīgi no tā, vai tās ir datoru perifērijas ierīces, viedierīces, lietiskā interneta (IoT) ierīces vai elektroniskās ierīces mērinstrumenti, tie visi izmanto seriālos sakaru protokolus dažādu elektronisko komponentu savienošanai kopā.

Šīs sastāvdaļas parasti sastāv no mikrokontrollera un palīgmoduļiem, piemēram, pirkstu nospiedumu sensora, ESP8266 (Wi-Fi modulis), servo un sērijas displejiem.

Šīs ierīces izmanto dažāda veida sakaru protokolus. Tālāk jūs uzzināsit par dažiem populārākajiem seriālo sakaru protokoliem, to darbību, priekšrocībām un to, kāpēc tie joprojām tiek izmantoti.

Kas ir seriālā komunikācija?

Seriālo sakaru protokoli šeit ir bijuši kopš Morzes ābeces izgudrošanas 1838. gadā. Mūsdienās mūsdienu seriālo sakaru protokoli izmanto tos pašus principus. Signāli tiek ģenerēti un pārraidīti pa vienu vadu, atkārtoti saīsinot divus vadītājus. Šis saīsinājums darbojas kā slēdzis; tas ieslēdzas (augsts) un izslēdzas (zems), nodrošinot bināros signālus. Tas, kā šis signāls tiek pārraidīts un saņemts, būs atkarīgs no izmantotā seriālās komunikācijas protokola veida.

Ar tranzistora izgudrojumu un tam sekojošajām inovācijām gan inženieri, gan lādītāji padarīja apstrādes vienības un atmiņu mazākas, ātrākas un energoefektīvākas. Šīs izmaiņas prasīja, lai kopņu sakaru protokoli būtu tikpat tehnoloģiski progresīvi kā savienotie komponenti. Tādējādi tika izgudroti seriālie protokoli, piemēram, UART, I2C un SPI. Lai gan šie seriālie protokoli ir vairākus gadu desmitus veci, tie joprojām ir priekšroka mikrokontrolleriem un tukša metāla programmēšanai.

UART (universālais asinhronais uztvērējs-raidītājs)

UART protokols ir viens no vecākajiem, taču visdrošākajiem seriālo sakaru protokoliem, ko mēs joprojām izmantojam šodien. Šajā protokolā abu komponentu saziņai tiek izmantoti divi vadi, kas pazīstami kā Tx (pārraide) un Rx (saņemšana).

Lai pārsūtītu datus, gan raidītājam, gan uztvērējam ir jāpiekrīt piecām izplatītākajām konfigurācijām, tās ir:

• Pārraides ātrums: Pārraides ātrums, cik ātri dati ir jāpārraida.
• Datu garums: Norunātais bitu skaits, ko uztvērējs saglabās savos reģistros.
• Sākuma bits: Zems signāls, kas ļauj uztvērējam zināt, kad dati tiks pārsūtīti.
• Stop bits: Augsts signāls, kas ļauj uztvērējam zināt, kad ir nosūtīts pēdējais bits (visnozīmīgākais bits).
• Paritātes bits: Augsts vai zems signāls, ko izmanto, lai pārbaudītu, vai nosūtītie dati ir pareizi vai bojāti.

Tā kā UART ir asinhrons protokols, tam nav sava pulksteņa, kas regulē datu pārraides ātrumu. Kā alternatīvu tas izmanto datu pārraides ātrumu laika noteikšanai, kad bits tiek pārraidīts. Parastais bodu ātrums, ko izmanto UART, ir 9600 bodi, kas nozīmē pārraides ātrumu 9600 biti sekundē.

Ja mēs veicam matemātiku un sadalām vienu bitu ar 9600 bodu, mēs varam aprēķināt, cik ātri viens datu bits tiek pārsūtīts uz uztvērēju.

1/9600 =104 mikrosekundes

Tas nozīmē, ka mūsu UART ierīces sāks skaitīt 104 mikrosekundes, lai uzzinātu, kad tiks pārraidīts nākamais bits.

Kad UART ierīces ir pievienotas, noklusējuma signāls vienmēr tiek paaugstināts līdz augstam. Atklājot zemas frekvences signālu, uztvērējs sāks skaitīt 104 mikrosekundes un vēl 52 mikrosekundes, pirms tas sāks saglabāt bitus savos reģistros (atmiņā).

Tā kā jau tika panākta vienošanās, ka datu garums ir astoņi biti, pēc astoņu datu bitu saglabāšanas tas sāks pārbaudīt paritāti, lai pārbaudītu, vai dati ir nepāra vai pāra. Pēc paritātes pārbaudes stopbits paaugstinās augstu signālu, lai paziņotu ierīcēm, ka visi astoņi datu biti ir veiksmīgi pārsūtīti uz uztvērēju.

Tā kā UART ir minimālistiskākais seriālais protokols, kas izmanto tikai divus vadus, mūsdienās to parasti izmanto viedkartēs, SIM kartēs un automašīnās.

Saistīts: Kas ir SIM karte? Lietas, kas jums jāzina

SPI (seriālā perifērijas saskarne)

SPI ir vēl viens populārs seriālais protokols, ko izmanto ātrākam datu pārraides ātrumam aptuveni 20 Mbps. Tas izmanto pavisam četrus vadus, proti, SCK (Serial Clock Line), MISO (Master Out Slave In), MOSI (Master In Slave Out) un SS/CS (Chip Select). Atšķirībā no UART, SPI izmanto formātu no master-to-slave, lai kontrolētu vairākas pakārtotās ierīces, izmantojot tikai vienu galveno.

MISO un MOSI darbojas tāpat kā UART Tx un Rx, ko izmanto datu pārsūtīšanai un saņemšanai. Chip Select tiek izmantots, lai izvēlētos, ar kuru palīgu saimnieks vēlas sazināties.

Tā kā SPI ir sinhrons protokols, tas izmanto iebūvētu galveno pulksteni, lai nodrošinātu, ka gan galvenā, gan pakārtotā ierīce darbojas vienā frekvencē. Tas nozīmē, ka abām ierīcēm vairs nav jāvienojas par datu pārraides ātrumu.

Protokols sākas ar to, ka galvenais vadītājs izvēlas pakārtoto ierīci, pazeminot savu signālu uz konkrēto SS/CK, kas savienots ar pakārtoto ierīci. Kad vergs saņem zemu signālu, tas sāk klausīties gan SCK, gan MOSI. Pēc tam kapteinis nosūta sākuma bitu, pirms tiek nosūtīti biti, kas satur datus.

Gan MOSI, gan MISO ir pilnu dupleksu, kas nozīmē, ka tie var pārsūtīt un saņemt datus vienlaikus.

Ar tā spēju izveidot savienojumu ar vairākiem vergiem, pilnu duplekso komunikāciju un mazāku enerģijas patēriņu nekā citiem Sinhronos protokolus, piemēram, I2C, SPI izmanto atmiņas ierīcēs, digitālajās atmiņas kartēs, ADC uz DAC pārveidotājos un kristālā. atmiņas displeji.

I2C (starpintegrētā shēma)

I2C ir vēl viens sinhronais seriālais protokols, piemēram, SPI, taču tam ir vairākas priekšrocības salīdzinājumā ar to. Tie ietver iespēju izmantot vairākus galvenos un vergus, vienkāršu adresēšanu (nav nepieciešama Chip Atlasiet), kas darbojas ar dažādiem spriegumiem un izmanto tikai divus vadus, kas savienoti ar diviem pievilkumiem rezistori.

I2C bieži izmanto daudzās IoT ierīcēs, rūpnieciskajās iekārtās un plaša patēriņa elektronikā.

Divas I2C protokola tapas ir SDA (Serial Data Line), kas pārraida un saņem datus, un SCL (Serial Clock Line) tapa, kas darbojas kā pulkstenis.

1. Protokols sākas ar to, ka galvenais no SDA tapas nosūta sākuma bitu (zemu), kam seko septiņu bitu adrese, kas atlasa palīgu, un viens bits uz lasīšanas vai rakstīšanas atlasei.
2. Pēc sākuma bita un adreses saņemšanas vergs nosūta apstiprinājuma bitu uz galveno ierīci un sāk klausīties SCL un SDA par ienākošajām pārraidēm.
3. Kad kapteinis to saņem, tas zina, ka savienojums ir izveidots ar pareizo palīgu. Tagad kapteinis atlasīs, kuram konkrētajam reģistram (atmiņai) no vergu, kuram tas vēlas piekļūt. Tas tiek darīts, nosūtot vēl astoņus bitus, norādot, kurš reģistrs ir jāizmanto.
4. Saņemot adresi, slavenais tagad sagatavo atlases reģistru, pirms nosūta otru apstiprinājumu galvenajam.
5. Izvēloties, kuru konkrēto vergu un kuru no tā reģistriem izmantot, galvenais galvenais nosūta datu bitu vergam.
6. Pēc datu nosūtīšanas uz galveno tiek nosūtīts pēdējais apstiprinājuma bits, pirms galvenais beidzas ar stopbitu (augstu).

Saistīts: Labākie Arduino IoT projekti

Kāpēc seriālie sakari ir šeit, lai paliktu

Līdz ar paralēlo un daudzo bezvadu protokolu pieaugumu, seriālā komunikācija nekad nav zaudējusi savu popularitāti. Parasti datu pārraidei un saņemšanai izmanto tikai divus līdz četrus vadus, seriālie protokoli ir būtisks saziņas veids elektronikai, kurai ir tikai daži rezerves porti.

Vēl viens iemesls ir tā vienkāršība, kas nozīmē uzticamību. Ar tikai dažiem vadiem, kas nosūta datus vienu reizi, seriāls ir pierādījis savu uzticamību, lai nosūtītu visas datu paketes bez zaudējumiem vai bojājumiem pārsūtīšanas laikā. Pat augstās frekvencēs un lielāka diapazona komunikācijā seriālie protokoli joprojām pārspēj daudzus mūsdienu paralēlo sakaru protokolus, kas pieejami mūsdienās.

Lai gan daudzi varētu domāt, ka tādiem seriālajiem sakariem kā UART, SPI un I2C ir trūkumi Tā kā tie ir veci un novecojuši, tie joprojām ir pierādījuši savu uzticamību vairākos gadu desmitiem. Tas, ka protokoli ir tik veci, bez reālas aizstāšanas, liecina tikai par to, ka tie patiesībā ir neaizstājami un tuvākajā nākotnē tiks izmantoti elektronikā.

Raspberry Pi, Pico, Arduino un citi viena plates datori un mikrokontrolleri

Vai esat apmulsis starp SBC, piemēram, Raspberry Pi, un mikrokontrolleriem, piemēram, Arduino un Raspberry Pi Pico? Lūk, kas jums jāzina.

Lasiet Tālāk

Par autoru