嵌入式系統(tǒng)中常見接口介紹

什么是接口

在嵌入式系統(tǒng)中，接口是指用于將各種集成電路與其他外圍設(shè)備交互連接的通信通路或總線，是微處理器 CPU與外部世界的連接部件，是CPU與外界進(jìn)行信息交換的中轉(zhuǎn)站。

為什么要在CPU與外設(shè)之間設(shè)置接口？在CPU與外設(shè)之間設(shè)置接口主要有4個原因：

1.?CPU與外設(shè)二者的信號不兼容，包括信號線的功能定義、邏輯定義和時序關(guān)系。

2.?CPU與外設(shè)的速度不匹配，CPU的速度快，外設(shè)的速度慢。

3.?若不通過接口，而由CPU直接對外設(shè)的操作實(shí)施控制，會使CPU處于窮于應(yīng)付與外設(shè)打交道之中，大大降低CPU的效率。

4.?若外設(shè)直接由CPU控制，會使外設(shè)的硬件結(jié)構(gòu)依賴于CPU，對外設(shè)本身的發(fā)展不利。

常見接口介紹

UART接口

通用異步收發(fā)傳輸器(Universal Asynchronous Receiver-Transmitter)，通常稱作UART，是一種全雙工異步收發(fā)傳輸器，是電腦硬件的一部分。將數(shù)據(jù)在串行通信與并行通信間作傳輸轉(zhuǎn)換，作為并行輸入成為串行輸出的芯片，通常集成于其它通訊接口的連結(jié)上。

UART最好的一點(diǎn)是它只使用兩根線就可以在設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)。在UART通信中，兩個UART直接相互通信。發(fā)送UART將來自CPU等控制設(shè)備的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行形式，并將其串行發(fā)送到接收UART上，接收UART然后將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換回接收設(shè)備的并行數(shù)據(jù)。在兩個UART之間傳輸數(shù)據(jù)只需要兩根線。數(shù)據(jù)從發(fā)送UART的Tx引腳流向接收UART的Rx引腳：如下圖1

圖 1 uart通信連接圖

UART通信協(xié)議數(shù)據(jù)流描述如下：

(1)起始位:先發(fā)出—個邏輯“0”的信號，表示傳輸字符的開始。

(2)數(shù)據(jù)位:緊接著起始位之后。數(shù)據(jù)位的個數(shù)可以是4、5、6、7、8等，構(gòu)成一個字符。通常采用ASCII碼。

(3)奇偶校驗(yàn)位:數(shù)據(jù)位加上這一位后，使得“1”的位數(shù)應(yīng)為偶數(shù)(偶校驗(yàn))或奇數(shù)(奇校驗(yàn))，以此來校驗(yàn)資料傳送的正確性。

(4)停止位:它是一個字符數(shù)據(jù)的結(jié)束標(biāo)志。可以是1位、1.5位、2位的高電平，停止位個數(shù)越多，數(shù)據(jù)傳輸越穩(wěn)定，但是數(shù)據(jù)傳輸速度也越慢。

(5)空閑位:處于邏輯“1”狀態(tài)，表示當(dāng)前線路上沒有數(shù)據(jù)傳送。

(6）波特率:數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?。有以下幾個檔位: 300、600、1200、2400、4800、9600、19200、38400、43000、56000、57600、115200。在數(shù)據(jù)傳輸和接收雙方，需要預(yù)先統(tǒng)—波特率，以便正確的傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸過程如下圖2

圖 2 uart協(xié)議數(shù)據(jù)流

UART通信原理：

發(fā)送數(shù)據(jù)過程：空閑狀態(tài)，線路處于高電位，當(dāng)收到發(fā)送數(shù)據(jù)指令后，拉低線路一個數(shù)據(jù)位的時間T，接著數(shù)據(jù)按低位到高位依次發(fā)送，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，接著發(fā)送奇偶校驗(yàn)位和停止位（停止位為高電位），一幀數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束。

接收數(shù)據(jù)過程：空閑狀態(tài)，線路處于高電位;當(dāng)檢測到線路的下降沿（線路電位由高電位變?yōu)榈碗娢唬r說明線路有數(shù)據(jù)傳輸，按照約定的波特率從低位到高位接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接收完畢后，接著接收并比較奇偶校驗(yàn)位是否正確，如果正確則通知后續(xù)設(shè)備準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)或存入緩存。

在嵌入式設(shè)計中，UART用于主機(jī)與輔助設(shè)備通信，如汽車音響與外接AP之間的通信，與PC機(jī)通信包括與監(jiān)控調(diào)試器和其他器件，如EEPROM通信。在BLE藍(lán)牙模塊中，UART透傳幾乎成為一個標(biāo)配功能，串口透傳藍(lán)牙模塊使用起來極其方便，開發(fā)人員不需要了解藍(lán)牙協(xié)議棧是如何實(shí)現(xiàn)的，只需使用串口藍(lán)牙模塊就可以輕松開發(fā)藍(lán)牙無線傳輸產(chǎn)品。深圳信馳達(dá)科技作為一家無線物聯(lián)網(wǎng)模塊廠商，提供基于TI CC264x、Silicons Labs EFR32BG22、Nordic nRF52832等方案的藍(lán)牙串口透傳模塊，支持BLE 4.2/5.0協(xié)議,具有工業(yè)級、小尺寸、低功耗的特點(diǎn)，可以幫助用戶以最低的成本和最快的速度開發(fā)藍(lán)牙應(yīng)用。

I2C接口

I2C (Inter Integrated Circuit）總線是飛利浦（PHILIPS）公司開發(fā)的兩線式串行、半雙工的總線，主要用于近距離、低速的芯片之間的通信。是微電子通信控制領(lǐng)域廣泛采用的一種總線標(biāo)準(zhǔn)。它是同步通信的一種特殊形式，具有接口線少，控制方式簡單，器件封裝形式小等優(yōu)點(diǎn)。

I2C可在多個主站和多個從站之間僅使用兩條線路傳輸信息，即SDA(串行數(shù)據(jù))和SCL(串行時鐘)。串行的8位雙向數(shù)據(jù)傳輸速率在標(biāo)準(zhǔn)模式下可達(dá)100Kbit/s，快速模式下可達(dá)400Kbit/s，高速模式下可達(dá)3.4Mbit/s。設(shè)備連接如圖3

圖 3 I2C總線主從設(shè)備連接

I2C通信協(xié)議工作原理：

I2C總線在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時，時鐘線SCL為低電平期間發(fā)送器向數(shù)據(jù)線上發(fā)送一位數(shù)據(jù)，在此期間數(shù)據(jù)線上的信號允許發(fā)生變化，時鐘線SCL為高電平期間接收器從數(shù)據(jù)線上讀取一位數(shù)據(jù)，在此期間數(shù)據(jù)線上的信號不允許發(fā)生變化，必須保持穩(wěn)定。同步數(shù)據(jù)信號如下圖4

圖 4 同步數(shù)據(jù)信號

起始信號：SCL線為高電平期間，SDA線由高電平向低電平的變化表示起始信號。

終止信號：SCL線為高電平期間，SDA線由低電平向高電平的變化表示終止信號。

起始信號和停止信號都是由主機(jī)發(fā)出，起始信號產(chǎn)生后總線處于占用狀態(tài)，停止信號產(chǎn)生后總線被釋放，處于空閑狀態(tài)。

空閑時，SCL與SDA都是高電平。過程如下圖5

圖 5 起始信號與終止信號

應(yīng)答信號：出現(xiàn)在1個字節(jié)傳輸完成之后，即第9個SCL時鐘周期內(nèi)，此時主機(jī)需要釋放SDA總線，把總線控制權(quán)交給從機(jī)，由于上拉電阻的作用，此時總線為高電平，如果從機(jī)正確的收到了主機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)，會把SDA拉低，表示應(yīng)答響應(yīng)。

非應(yīng)答信號：當(dāng)?shù)?個SCL時鐘周期時，SDA保持高電平，表示非應(yīng)答信號。

每一個字節(jié)必須保證是8位長度。數(shù)據(jù)傳送時，先傳送最高位（MSB)，每一個被傳送的字節(jié)后面都必須跟隨一位應(yīng)答位（即一幀共有9位)）。如果一段時間內(nèi)沒有收到從機(jī)的應(yīng)答信號，則自動認(rèn)為從機(jī)己正確接收到數(shù)據(jù)，主機(jī)就發(fā)送停止信號結(jié)束此次通信。數(shù)據(jù)傳輸格式如圖6所示。

圖 6 數(shù)據(jù)傳輸格式

I2C通常用于單片機(jī)外設(shè)或多個單片機(jī)之間通訊，I2C接口具有硬件簡單、軟件編程容易等特點(diǎn)。

USB接口

USB的英文全稱為Universal Serial Bus,中文是通用串行總線，它是一種快速雙向的同步傳輸并可以進(jìn)行熱拔插的串行接口。

USB接口使用方便，它可以連接多個不同的設(shè)備，而過去的串口和并口只能接一個設(shè)備。速度快是USB技術(shù)的突出特點(diǎn)之一。全速USB接口的最高傳輸率可達(dá)12Mb/s,比串口快了整整100倍，而執(zhí)行USB 2.0標(biāo)準(zhǔn)的高速USB接口速率更是達(dá)到了480Mb/s，最新的USB 3.1支持高達(dá)10Gb/s的傳輸速率，USB發(fā)展歷程如表所示。

表 1 USB發(fā)展歷程

常見的4種USB實(shí)物圖如下：

圖 7 USB實(shí)物圖

USB總線作為一種高速串行總線，它具有支持即插即用和熱插拔功能、傳送速度較快、使用方便、成本也相對低廉等特點(diǎn)，是近年來最流行的外圍設(shè)備接口。USB接口技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于計算機(jī)與外設(shè)的數(shù)據(jù)傳輸，尤其是儀表、儀器等便攜式設(shè)備通常都采用USB接口。

SPI接口

SPI是Serial Peripheral interface的縮寫，顧名思義就是串行外圍設(shè)備接口。SPI接口主要應(yīng)用在EEPROM、FLAS、實(shí)時時鐘、AD 轉(zhuǎn)換器、還有數(shù)字信號處理器和數(shù)字信號解碼器之間。

SPI是一種高速全雙工同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約了芯片的管腳，同時為PCB的布局上節(jié)省空間，提供方便。

它有四條主線，如下所述：

MOSl -主輸出從輸入，用于將數(shù)據(jù)從主設(shè)備傳輸?shù)綇脑O(shè)備。

MISO-主輸入從輸出，用于將數(shù)據(jù)從從設(shè)備傳輸?shù)街髟O(shè)備。

SCLK-串行時鐘，它是主站輸出的時鐘，用于同步。

SS/CS-從設(shè)備選擇，主設(shè)備使用它從多個從設(shè)備中選擇一個從設(shè)備。它插入低電平有效信號以選擇特定的從器件。設(shè)備連接如圖8

圖 8 SPI主從設(shè)備連接

SPI數(shù)據(jù)傳輸在一個SPI時鐘周期內(nèi)，會完成如下操作：

1) 主機(jī)通過MOSI線發(fā)送1位數(shù)據(jù)，從機(jī)通過該線讀取這1位數(shù)據(jù)；

2) 從機(jī)通過MISO線發(fā)送1位數(shù)據(jù)，主機(jī)通過該線讀取這1位數(shù)據(jù)。

這是通過移位寄存器來實(shí)現(xiàn)的。主機(jī)和從機(jī)各有一個移位寄存器，且二者連接成環(huán)。隨著時鐘脈沖，數(shù)據(jù)按照從高位到低位的方式依次移出主機(jī)寄存器和從機(jī)寄存器，并且依次移入從機(jī)寄存器和主機(jī)寄存器。當(dāng)寄存器中的內(nèi)容全部移出時，相當(dāng)于完成了兩個寄存器內(nèi)容的交換。數(shù)據(jù)傳輸如圖9

圖 9 SPI數(shù)據(jù)傳輸

在SPI操作中，最重要的兩項(xiàng)設(shè)置就是時鐘極性(CPOL)和時鐘相位(CPHA)。時鐘極性設(shè)置時鐘空閑時的電平，時鐘相位設(shè)置讀取數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)的時鐘沿。

主機(jī)和從機(jī)的發(fā)送數(shù)據(jù)是同時完成的，兩者的接收數(shù)據(jù)也是同時完成的。所以為了保證主從機(jī)通信正確，應(yīng)使得它們的SPI具有相同的時鐘極性和時鐘相位。

如果CPOL=0，串行同步時鐘的空閑狀態(tài)為低電平;

如果CPOL=1，串行同步時鐘的空閑狀態(tài)為高電平。

如果CPHA=0，在串行同步時鐘的第一個跳變沿（上升或下降）數(shù)據(jù)被采樣;

如果CPHA=1，在串行同步時鐘的第二個跳變沿(上升或下降）數(shù)據(jù)被采樣。

SPI主模塊和與之通信的外設(shè)時鐘相位和極性應(yīng)該一致。下圖為4種模式下的通信過程圖。

圖 10 CPOL=0,CPHA=0

圖 11 CPOL=0,CPHA=1

圖 12 CPOL=1,CPHA=0

圖 13 CPOL=1,CPHA=1

SPI接口主要應(yīng)用在EEPROM、FLASH、實(shí)時時鐘、網(wǎng)絡(luò)控制器、LCD顯示驅(qū)動器、AD轉(zhuǎn)換器,數(shù)字信號處理器、數(shù)字信號解碼器等設(shè)備之間。

ADC接口

在儀器儀表系統(tǒng)中，常常需要將檢測到的連續(xù)變化的模擬量如：溫度、壓力、流量、速度、光強(qiáng)等轉(zhuǎn)變成離散的數(shù)字量，才能輸入到計算機(jī)中進(jìn)行處理。這些模擬量通過傳感器轉(zhuǎn)變成電信號（一般為電壓信號），經(jīng)過放大器放大后，就需要經(jīng)過一定的處理變成數(shù)字量。實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)變的設(shè)備通常稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），簡稱A/D。

A/D轉(zhuǎn)換的過程是采樣、保持、量化、編碼的過程，構(gòu)成ADC的基本思想是將輸入的模擬電壓與基準(zhǔn)電壓相比較（直接或間接比較），轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出。在ADC中，有并聯(lián)比較型、逐次逼近型、雙積分三種ADC。

使用ADC時最關(guān)心的是轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換時間。轉(zhuǎn)換精度受芯片外部影響的因素主要有：電源電壓和參考電壓的穩(wěn)定度、運(yùn)算放大器的穩(wěn)定性、環(huán)境溫度等，受芯片本身影響因素有：分辨率、量化誤差、相對誤差、線性誤差等。

采樣、保持：所謂采樣就是將一個時間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)化為時間上離散變化的模擬量。將采樣結(jié)果儲存起來，直到下次采樣，這個過程叫做保持。

量化、編碼：模擬信號通過ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的這一過程稱為量化，由于量化輸出的數(shù)字信號位數(shù)有限，所以輸出的數(shù)字信號和采樣得到的模擬信號會有一個誤差，稱為量化誤差,對于一個N位ADC來說，假設(shè)其滿量程電壓為Vref，Vref被ADC分為2N個區(qū)間，區(qū)間寬度用LSB表示LSB=Vref/2N。

CAN總線接口

CAN總線全稱Controller Area Network，中文名控制器局域網(wǎng)絡(luò)。是一種串行、同步、半雙工的總線。由德國BOSCH公司開發(fā)的，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。

CAN總線主要特點(diǎn)如下:

??兩根信號線，差分信號。

??最高速率可達(dá)到1Mbps。

??CAN控制器內(nèi)建了強(qiáng)大的檢錯和處理機(jī)制，容錯能力強(qiáng)。

??一幀CAN消息最多傳輸8字節(jié)用戶數(shù)據(jù)。

??具有總線仲裁機(jī)制，可以組建多主系統(tǒng)。

CAN通信協(xié)議如下：

CAN一共規(guī)定了5種類型的幀，幀也稱為報文。數(shù)據(jù)幀在CAN通信中最主要，也最復(fù)雜。數(shù)據(jù)幀以一個顯性位（邏輯0）開始，以7個連續(xù)的隱性位（邏輯1）結(jié)束。

載波偵聽（CSMA）：總線上的每一個節(jié)點(diǎn)在企圖發(fā)送報文前，必須要監(jiān)聽總線，當(dāng)總線處于空閑時，才可以發(fā)送。

仲裁（CD+AMP）：通過預(yù)定編程好的報文優(yōu)先級逐位仲裁來解決碰撞，報文優(yōu)先級位于每個報文的標(biāo)識域。更高級別優(yōu)先級標(biāo)識的報文總是能獲得總線訪問權(quán)，即：標(biāo)識符中最后保持邏輯高電平的會繼續(xù)傳輸，因?yàn)樗哂懈叩膬?yōu)先級。