几种常用的嵌入式板上通信接口详解

几种常用的嵌入式板上通信接口详解

通过将设备地址线硬件连接到所需的逻辑电平上，可以分配I2C设备的地址。在嵌入式设备中，当设计嵌入式硬件的时候，需要分配各种I2C设备的地址并完成硬件连接。系统与I2C从设备通信的工作顺序如下：

（1） 主设备将总线上的时钟线（SCL）拉高到高电平。

（2） 当SCL线处于高电平逻辑（这是数据传输的启动条件）的时候，主设备将数据线（SDA）拉低到低电平。

（3） 主设备通过SDA线，将从设备地址（具有7位或10位宽度）发送到通信目的地址。从设备会在SCL线上产生时钟脉冲，用于同步位接收。需要说明的是，系统总是首先传输数据的MSB（最高位）。在时钟信号处于高电平期间，总线中的数据是有效的。

（4） 根据需求，主设备发送读位或写位（位值等于1意味着读操作，位值等于0意味着写操作）。

（5） 主设备等待从设备发出确认位。在发送读/写操作命令的同时，从设备的地址也会发送到总线上。对于连接到总线上的从设备，会将接收到的地址与分配的地址进行比较。

（6） 如果从设备接收到来自主设备的指令并且地址正确，那么从设备通过SDA线发送确认位（值为1）。

（7） 主设备接收到确认位之后，如果操作指令是向设备写入数据，就通过SDA线向从设备发送8位数据。如果操作指令是从设备读出数据，从设备将通过SDA线将数据发送给主设备。

（8） 对于写入操作，在字节传输结束之后，主设备等待从设备发送确认位；对于读出操作，在字节传输结束之后，主设备向从设备发送确认位。

（9） 当时钟线SCL处于逻辑高电平（表示停止）的时候，通过将SDA线拉高到高电平，主设备可以终止数据传输。

I2C总线支持三种不同的数据速率：标准模式（数据速率为100kb/秒，即100kbps）、快速模式（数据速率为400kb/秒，即400kbps）、高速模式（数据速率为3.4Mb/秒，即3.4Mbps）。第一代I2C设备设计所支持的数据速率只有100kbps，新一代I2C设备则能够以高达3.4Mbps的数据速率工作。

（3）串行时钟（Serial Clock，SCLK）：传输时钟信号的信号线。

（4）从设备选择（Slave Select，SS）：用于选择从设备的信号线，低电平有效。

图2-27显示了SPI总线上主设备和从设备的连接关系图。

主设备负责产生时钟信号，并通过将相应从设备的从设备选择信号拉低为低电平，选通所需的从设备。在没有选通的时候，所有从设备的数据输出线MISO都悬空处于高阻态。

SPI的工作是基于移位寄存器的；为了实现数据传输或数据接收，主设备和从设备包含了专用移位寄存器。移位寄存器的长度取决于具体设备，通常是8的整数倍。数据在从主设备传输到从设备的过程中，主设备移位寄存器中的数据从MOSI管脚移出，然后通过从设备的MOSI管脚，输入到从设备的移位寄存器中。与此同时，由从设备移位寄存器移位出来的数据，通过MISO管脚，输入到主设备的移位寄存器中。也就是说，主设备和从设备的移位寄存器构成了一个循环缓冲区。对于特定类型的器件，可以通过配置寄存器（比如，对于Motorola公司生产的68HC12型控制器，需要配置SPI控制寄存器的LSBF位），决定最先发送的数据位是最高位还是最低位。

与I2C总线相比，SPI总线更适于数据流传输。SPI的不足之处在于，SPI不支持数据确认机制。

基于UART的数据传输是异步形式的串行数据传输。基于UART的串行数据传输不需要使用时钟信号来同步传输的发送端和接收端，而是依赖于发送设备和接收设备之间预定义的配置。对于发送设备和接收设备来说，两者的串行通信配置（波特率、单位字的位数、奇偶校验、起始位数与结束位、流量控制）应该设置为完全相同。通过在数据流中插入特定的比特序列，可以指示通信的开始与结束。当发送一个字节数据的时候，需要在比特流的开头加上起始位，并在比特流的末尾加上结束位。数据字节的最低位紧接在起始位之后。

起始位用于告知接收设备：数据字节将要到达接收端。然后，接收设备按照设定的波特率，选中其数据接收线。如果波特率是x比特/秒，那么每个比特可用的时隙是1/x秒。接收设备会精确地在比特可用时隙一半的位置，定时选中数据接收线。如果通信使用了奇偶校验功能，那么UART发送设备会在发送数据流中增加奇偶校验位（取值为1，表示传输比特流中含有奇数个1；取值为0，则表示传输比特流中含有偶数个1）。UART接收设备计算接收到的数据位的奇偶校验结果，并与接收到的奇偶校验位进行比较。UART接收设备丢弃掉接收比特流中的起始位、结束位、奇偶校验位，并将接收到的串行比特数据转换成字（比如，考虑8比特对应于1个字节的情况，接收到8比特，最先接收到的数据位是LSB，最后接收到的数据位是MSB）。

为了实现正确的通信，发送设备的数据传输线应该连接到接收设备的数据接收线上。图2-28显示了UART的连接图。

如今，大多数微处理器/控制器都集成有UART功能，并为串行数据传输与接收提供内置式的指令支持。

4. 1-Wire接口

每台1-Wire设备都具有全球唯一可识别的64位识别码信息，存储在设备内部。对于多台从设备连接到1-Wire总线上的情况，通过解读唯一的识别码，可以寻址总线上存在的各台独立设备。识别码由以下三个部分组成：8位的类别码、48位的序列号以及前56比特数据的8位CRC校验结果。与1-Wire从设备通信的具体流程如下：

（1） 主设备将复位脉冲发送到1-Wire总线上。

（2） 总线上的从设备通过确认脉冲予以回应。

（4） 主设备发送读/写命令，对从设备的内部存储器或寄存器进行读/写操作。

（5） 主设备将数据由从设备读出，或者是将数据写入从设备。

1-Wire总线上的所有通信都是由主设备发起的。其中，通信的最小间隔是时长为60微秒的时隙。复位脉冲占用8个时隙。在通信的开始阶段，主设备将1-Wire总线拉低到低电平，并持续8个时隙（即480 μs），从而发出复位脉冲。如果总线上存在从设备，而且已经准备好进行通信，那么从设备将通过确认脉冲来回应主设备；也就是说，从设备将1-Wire总线拉低到低电平，并持续1个时隙（即60 μs）。为了在1-Wire总线上写入位值1，需要总线主设备将总线拉低，其持续时间为1~15 μs，然后在该时隙的其余时间段释放总线。为了在总线上写入位值0，主设备需要将总线拉低，其持续时间至少为1个时隙（60 μs），最多为2个时隙（120 μs）。为了由从设备读出位值，主设备需要将总线拉低，并持续1~15 μs。为了响应主设备的读数据请求，如果从设备想要发送位值1，那么从设备只需要在该时隙的其余时间段释放总线；如果从设备想要发送位值0，那么从设备需要在该时隙的其余时间段将总线拉低。

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