I2C,SPI,USB,UART常見接口的原理簡析

1、.常見接口電路介紹一、 I2C 總線簡介1. 什么是 I2C ？NXP 半導(dǎo)體 （原 Philips半導(dǎo)體 ）于 20 多年前發(fā)明了一種簡單的雙向二線制串行通信總線，這個(gè)總線被稱為Inter-IC或者 I2C 總線 。 目前 I2C 總線已經(jīng)成為業(yè)界嵌入式應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)解決方案 ，被廣泛地應(yīng)用在各式各樣基于微控器的專業(yè)、消費(fèi)與電信產(chǎn)品中，作為控制 、診斷與電源管理總線。多個(gè)符合I2C 總線標(biāo)準(zhǔn)的器件都可以通過同一條I2C 總線進(jìn)行通信，而不需要額外的地址譯碼器。 由于 I2C 是一種兩線式串行總線，因此簡單的操作特性成為它快速崛起成為業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵因素2. I2C 總線的基本概念1 ） 發(fā)送器 （

2、Transmitter）： 發(fā)送數(shù)據(jù)到總線的器件2 ） 接收器 （Receiver ）：從總線接收數(shù)據(jù)的器件3 ） 主機(jī) （ Master ）： 初始化發(fā)送 、產(chǎn)生時(shí)鐘信號和終止發(fā)送的器件4 ） 從機(jī) （ Slave ）： 被主機(jī)尋址的器件其線路結(jié)構(gòu)圖如下：.專業(yè)學(xué)習(xí)資料.如上圖示 ，I2C 總線具有如下特點(diǎn)：1 ） I2C總線是雙向傳輸?shù)目偩€， 因此主機(jī)和從機(jī)都可能成為發(fā)送器和接收器。不論主機(jī)是發(fā)送器還是接收器，時(shí)鐘信號SCL 都要由主機(jī)來產(chǎn)生2 ） 只需要由兩根信號線組成，一根是串行數(shù)據(jù)線SDA ，另一根是串行時(shí)鐘線SCL3 ） SDA和 SCL 信號線都必須要加上拉電阻Rp （ Pull

3、-UpResistor ）。 上拉電阻一般取值 3 10K 4 ） SDA和 SCL 管腳都是漏極開路（或集電極開路）輸出結(jié)構(gòu)3. I2C 總線的信號傳輸1 ） 3 種速率可選擇標(biāo)準(zhǔn)模式100kbps 、快速模式400kbps 、最高速率 3.4Mbps2 ）具有特定的傳輸起始、停止條件a）起始條件 ：當(dāng) SCL 處于高電平期間時(shí)， SDA 從高電平向低電平跳變時(shí)產(chǎn)生起始條件。.專業(yè)學(xué)習(xí)資料.起始條件常常簡記為Sb ）停止條件 ：當(dāng) SCL 處于高電平期間時(shí)， SDA 從低電平向高電平跳變時(shí)產(chǎn)生停止條件。停止條件簡記為P3 ） 數(shù)據(jù)傳輸從確定從機(jī)地址開始a）多個(gè)從機(jī)可連接到同一條I2C 總線上

4、 ，它們之間通過各自唯一的器件地址來區(qū)分b ）一般從機(jī)地址由7 位地址位和一位讀寫標(biāo)志R/W組成， 7 位地址占據(jù)高 7 位，讀寫位在最后 。讀寫位是0 ，表示主機(jī)將要向從機(jī)寫入數(shù)據(jù)；讀寫位是 1，則表示主機(jī)將要從從機(jī)讀取數(shù)據(jù)4 ） 以字節(jié)為單位的數(shù)據(jù)傳輸方式a） I2C 總線以字節(jié) （ Byte ）為單位收發(fā)數(shù)據(jù) ，主機(jī)總是先發(fā)地址再發(fā)數(shù)據(jù)b ）在 I2C 總線傳輸數(shù)據(jù)過程中，每傳輸一個(gè)字節(jié) ，都要跟一個(gè)應(yīng)答狀態(tài)位。遵循 “誰接收誰產(chǎn)生 ”的原則 ，即總是由接收器產(chǎn)生應(yīng)答位，應(yīng)答位為 0 表示接收器應(yīng)答（ACK ）；為 1 則表示非應(yīng)答 （ NACK ）c）如果接收器在接收完最后一個(gè)字節(jié)的數(shù)

5、據(jù)，或者不能再接收更多的數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生非應(yīng)答來通知發(fā)送器.專業(yè)學(xué)習(xí)資料.4. I2C 總線數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序圖示1 ）傳輸格式圖示（灰色為主機(jī)的工作時(shí)隙，白色為從機(jī)的工作時(shí)隙）S：起始位 （ START）SA：從機(jī)地址 （ Slave Address ）， 7 位從機(jī)地址W ：寫標(biāo)志位 （ Write ）， 1 位寫標(biāo)志R：讀標(biāo)志位 （ Read）， 1 位讀標(biāo)志A：應(yīng)答位 （ Acknowledge）， 1 位應(yīng)答A：非應(yīng)答位 （ Not Acknowledge）， 1 位非應(yīng)答D：數(shù)據(jù) （ Data ），每個(gè)數(shù)據(jù)都必須是8 位P：停止位 （STOP）2 ）傳輸時(shí)序示例.專業(yè)學(xué)習(xí)資料.5. I2

6、C 總線在手機(jī)上的常見應(yīng)用所應(yīng)用范圍包括：攝像頭 、調(diào)頻收音機(jī)芯片、音頻編解碼芯片、模擬電視 、光電鼠標(biāo)等二、 SPI 總線簡介1. 什么是 SPI？串行外圍設(shè)備接口SPI（ serial peripheralinterface ）總線技術(shù)是Motorola公司推出的一種同步串行接口， Motorola公司生產(chǎn)的絕大多數(shù)MCU （微控制器 ）都配有SPI 硬件接口，如 68 系列 MCU 。 SPI 用于 CPU 與各種外圍器件進(jìn)行全雙工、同步串行通訊.專業(yè)學(xué)習(xí)資料.2.SPI 總線應(yīng)用線路圖示如上圖示 ，SPI 總線具有如下特點(diǎn)：1 ）包含主機(jī) （MASTER ）以及從機(jī) （ SLAVE ）

7、2）由4條必要信號線組成：串行時(shí)鐘線（SCLK）、主機(jī)輸入/ 從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線（MISO ）、 主機(jī)輸出 / 從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線（ MOSI ）、 低電平有效從機(jī)選擇線（ SS）3 ） 如果需要增加外部從機(jī)，則相應(yīng)需要增加對應(yīng)此器件的低電平有效從機(jī)選擇線（ SS）3.SPI 總線波特率和時(shí)鐘模式1 ） SPI 模塊支持125 種不同的波特率，最大波特率為系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的四分之一2 ） SPI 有四種時(shí)鐘模式，由CLOCKPOLARITY和CLOCK PHASE位控制 。 CLOCKPOLARITY位選擇時(shí)鐘的有效沿是上升沿還是下降沿， CLOCK PHASE位選擇是否有半.專業(yè)學(xué)習(xí)資料.個(gè)時(shí)鐘周期的延

8、時(shí)a）上升沿 ，無延時(shí) ： SPI 在時(shí)鐘上升沿發(fā)送數(shù)據(jù)，在時(shí)鐘的下降沿接收數(shù)據(jù)b ）上升沿 ，有延時(shí) ： SPI 在時(shí)鐘上升沿前半個(gè)周期發(fā)送數(shù)據(jù)，在時(shí)鐘的上升沿接收數(shù)據(jù)c）下降沿 ，無延時(shí) ： SPI 在時(shí)鐘下降沿發(fā)送數(shù)據(jù)，在時(shí)鐘的上升沿接收數(shù)據(jù)d ）下降沿 ，有延時(shí) ： SPI 在時(shí)鐘下降沿前半個(gè)周期發(fā)送數(shù)據(jù)，在時(shí)鐘的下降沿接收數(shù)據(jù)4 種時(shí)鐘模式如圖所示4.SPI 總線傳輸特點(diǎn)SPI 是一個(gè)環(huán)形總線結(jié)構(gòu)，其時(shí)序其實(shí)很簡單，主要是在SCLK 的控制下 ，兩個(gè)雙向移位.專業(yè)學(xué)習(xí)資料.寄存器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下：以上升沿 ，無延時(shí)時(shí)鐘模式為例，上升沿到來的時(shí)候， MOSI上的電平將被發(fā)送到

9、從設(shè)備的寄存器中 ，下降沿到來的時(shí)候，MISO上的電平將被接收到主設(shè)備的寄存器中舉例 ：假設(shè)主機(jī)和從機(jī)初始化就緒：并且主機(jī)的sbuff=0xaa ，從機(jī)的 sbuff=0x55，下面將分步對SPI 的 8 個(gè)時(shí)鐘周期的數(shù)據(jù)情況演示一遍(時(shí)鐘的上升沿發(fā)送數(shù)據(jù), 在時(shí)鐘的下降沿接收數(shù)據(jù)).專業(yè)學(xué)習(xí)資料.(上面的上表示上升沿、下表示下降沿 。 這樣就完成了兩個(gè)寄存器8 位的交換 )5.SPI 總線在手機(jī)上的常見應(yīng)用所應(yīng)用范圍包括： LCD、觸摸屏控制芯片等.專業(yè)學(xué)習(xí)資料.三、 串口簡介1. 什么是串口 ？串口是計(jì)算機(jī)上一種非常通用的設(shè)備通信的協(xié)議。 串口通信的概念非常簡單，串口按位（ bit ）發(fā)送

10、和接收字節(jié)。盡管比按字節(jié)（ byte ）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)用另一根線接收數(shù)據(jù)。串口能夠輕松實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。2. 串口應(yīng)用線路圖示典型地 ，串口通信使用 3 根線完成 ：（1）地線 ，（ 2）發(fā)送 ，（ 3）接收.專業(yè)學(xué)習(xí)資料.3. 串口總線傳輸特點(diǎn)串口通信最重要的參數(shù)是波特率、起始位 、數(shù)據(jù)位 、停止位和奇偶校驗(yàn)。對于兩個(gè)進(jìn)行通行的端口 ，這些參數(shù)必須匹配：1） 波特率 ：a） 這是一個(gè)衡量通信速度的參數(shù)。它表示每秒鐘傳送的bit的個(gè)數(shù) ，通常串口的波特率為 14400 ， 28800和 36600等b ）波特率和距離成反比2）起始位 ：起始位必須是持續(xù)一個(gè)比

11、特時(shí)間的邏輯“0”電平 ，標(biāo)志傳送一個(gè)字符的開始3）數(shù)據(jù)位 ：這是衡量通信中實(shí)際數(shù)據(jù)位的參數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)的值是5、7 和 8 位4）停止位 ：標(biāo)志著傳送一個(gè)字符的結(jié)束，用邏輯 “1”電平表示 ，典型的值為1 ，1.5 和 2 位（ 1.5位是時(shí)間上的寬度，代表一個(gè) bit的 1.5 倍。 例如你的波特率是1000bps ，那么一個(gè)bit的寬度就是1ms ，一個(gè)停止位是1ms ，而 1.5 個(gè)停止位就是1.5ms 了）5 ）奇偶校驗(yàn)位 ：在串口通信中一種簡單的檢錯(cuò)方式a）奇校驗(yàn) ：人為的往信號中添加一個(gè)校驗(yàn)位來確保所發(fā)送的信號中“1”的數(shù)目為奇數(shù)個(gè)，如：0110 ， 0101 10100 ， 0000

12、 0.專業(yè)學(xué)習(xí)資料.b ）偶校驗(yàn) ：人為的往信號中添加一個(gè)校驗(yàn)位來確保所發(fā)送的信號中“1”的數(shù)目為偶數(shù)個(gè)，如：0100 ， 0101 10100 ， 0001 04. 串口數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序圖示（空閑位表示線路處于空閑狀態(tài)，此時(shí)線路上為邏輯“1”電平?？臻e位可以沒有，此時(shí)異步傳送的效率為最高）5. 串口的擴(kuò)展應(yīng)用RS-232C 是個(gè)人計(jì)算機(jī)上的通訊接口之一， 是由電子工業(yè)協(xié)會(ElectronicIndustries Association， EIA) 所制定的異步傳輸標(biāo)準(zhǔn)接口。通常RS-232接口以9 個(gè)引腳(DB-9)或是 25 個(gè)引腳(DB-25)的型態(tài)出現(xiàn) ，一般個(gè)人計(jì)算機(jī)上會有兩組RS-2

13、32接口 ，分別稱為COM1和 COM2常用的 RS-232 引腳只有9 根，它們是 ：1 ）聯(lián)絡(luò)控制信號線：.專業(yè)學(xué)習(xí)資料.a） DSR (DCE)數(shù)據(jù)發(fā)送準(zhǔn)備好， Data Set Readyb ） DTR 數(shù)據(jù)終端 （ DTE）準(zhǔn)備好 ， Data Terminal Readyc） RTS DTE 請求 DCE 發(fā)送 （ Request To Send ）d ） CTS DCE 允許 DTE 發(fā)送 （ Clear To Send ）， 該信號是對RTS 信號的回答 。e） DCD 數(shù)據(jù)載波檢測（ Data Carrier Detection），當(dāng)本地 DCE 設(shè)備 （ Modem ）收到

14、對方的DCE 設(shè)備送來的載波信號時(shí)，使 DCD 有效 ，通知 DTE 準(zhǔn)備接收 ，并且由 DCE 將接收到的載波信號解調(diào)為數(shù)字信號， 經(jīng) RXD 線送給 DTEf ）RI 振鈴信號 （ Ringing ）， 當(dāng) DCE 收到對方的DCE 設(shè)備送來的振鈴呼叫信號時(shí)，使該信號有效，通知 DTE 已被呼叫2）2 個(gè)數(shù)據(jù)信號 ：a）發(fā)送 TXDb ）接收 RXD3）1 個(gè)信號地線 ：GND實(shí)際應(yīng)用圖示.專業(yè)學(xué)習(xí)資料.6. 串口在手機(jī)上的常見應(yīng)用通常只使用TXD,RXD,GND 三根信號 ，用于藍(lán)牙模塊 ，程序調(diào)試信息讀取等等四、 USB 簡介1. 什么是 USB ？USB 是英文 Universal

15、Serial BUS范電腦與外部設(shè)備的連接和通訊（通用串行總線 ）的縮寫 ，是一個(gè)外部總線標(biāo)準(zhǔn)，用于規(guī)，是應(yīng)用在PC 領(lǐng)域的接口技術(shù)。 USB 接口支持設(shè)備的即插即用和熱插拔功能。 USB 是在1994年底由英特爾、康柏 、 IBM 、Microsoft等多家公司聯(lián)合.專業(yè)學(xué)習(xí)資料.提出的2. 普及 USB 的目的隨著計(jì)算機(jī)硬件飛速發(fā)展，外圍設(shè)備日益增多，鍵盤 、鼠標(biāo)、調(diào)制解調(diào)器 、打印機(jī) 、掃描儀早已為人所共知，數(shù)碼相機(jī) 、 MP3隨身聽接踵而至，這么多的設(shè)備 ，如何接入個(gè)人計(jì)算機(jī) ？ USB 就是基于這個(gè)目的產(chǎn)生的。 USB 是一個(gè)使計(jì)算機(jī)周邊設(shè)備連接標(biāo)準(zhǔn)化、單一化的接口3. USB 的拓

16、樸結(jié)構(gòu)1 ） USB 的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中每個(gè)USB 的系統(tǒng)有且只有一個(gè)host它負(fù)責(zé)管理整個(gè)USB 系統(tǒng) ，包括 USB Device的連接與刪除、與 USB Device的通信 、總路線的控制等等.專業(yè)學(xué)習(xí)資料.2 ） Host端有一個(gè)RootHub ，可提供一個(gè)或多個(gè)USB 下行端口 ，每個(gè)端口可以連接一個(gè) USB Hub 或一個(gè) USB Device3 ） USB Hub是用于 USB 端口擴(kuò)展的 ，即 USB Hub可以將一個(gè)USB 端口擴(kuò)展為多個(gè)端口 。上圖中的每個(gè)Func(Function)就是一個(gè)USB Device ， 如 USB 鍵盤 、USB 鼠標(biāo)、 USBMODEM 、USB

17、硬盤等等4 ） CompoundDevice是指帶一個(gè)Hub和一個(gè)或多個(gè)不可刪除的USB Device的復(fù)合設(shè)備5 ） 一個(gè) USB 系統(tǒng)可連接多達(dá)127個(gè) Function4. USB的設(shè)備類型 (device class)雖然 USB 設(shè)備都會表現(xiàn)USB 的一些基本的特征，但是 USB 的設(shè)備還是可以分成多個(gè)不同類型 。同類型的設(shè)備可以擁有一些共同的行為特征和工作協(xié)議從而使設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序的書寫變得簡單一些。 下表中就給出一些基本的USB 的設(shè)備類型分類.專業(yè)學(xué)習(xí)資料.5. USB 的電氣特性USB 連接器包含四條線： 2 條用于電源供電(VBUS 和 GND) ， 2 條用于 USB 數(shù)據(jù)

18、傳輸 (D+和 D-) 。 VBUS 提供 5V 電源 ，電流可達(dá) 500mA 。 D+ 和 D- 為雙向信號線，信號傳輸速率為12Mbps ( 每位 83ns) 。 D+ 和 D- 信號電平為3.3V6.USB 的特點(diǎn)1 ） USB 為所有的USB 外設(shè)提供了單一的易于使用的標(biāo)準(zhǔn)的連接類型。這樣一來就簡化了 USB 外設(shè)的設(shè)計(jì) ，實(shí)現(xiàn)了單一的數(shù)據(jù)通用接口2 ）整個(gè)的 USB 的系統(tǒng)只有一個(gè)端口和一個(gè)中斷節(jié)省了系統(tǒng)資源3 ） USB 支持熱插拔 (hot plug)和 PNP(Plug-and-Play)，也就是說在不關(guān)閉PC 的情況下可以安全的插上和斷開USB 設(shè)備4 ） USB 在設(shè)備供電

19、方面提供了靈活性。直接連接到Hub，或者是連接到Host的設(shè)備可以通過 USB ，也可以通過電池或者其它的電力設(shè)備來供電，或使用兩種供電方式的組合并且支持節(jié)約能源的掛機(jī)和喚醒模式.專業(yè)學(xué)習(xí)資料.5 ） USB 提供全速12Mbps的速率和低速1.5Mbps的速率來適應(yīng)各種不同類型的外設(shè)，USB2.0還支持 480Mbps的高速傳輸速率6 ）為了適應(yīng)各種不同類型外圍設(shè)備的要求， USB 提供了四種不同的數(shù)據(jù)傳輸類型：控制傳輸 ， Bulk數(shù)據(jù)傳輸 ，中斷數(shù)據(jù)傳輸和同步數(shù)據(jù)傳輸，同步數(shù)據(jù)傳輸可為音頻和視頻等實(shí)時(shí)設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸提供固定帶寬7 ） USB 的端口具有很靈活的擴(kuò)展性，一個(gè) USB 端口串接上一個(gè)USB Hub就可以擴(kuò)展為多個(gè) USB 端口7.USB 的傳輸方式USB 有四種的傳輸方式：1 ）控制 (Control)傳輸方式 :控制傳輸是雙向傳輸數(shù)據(jù)，主要進(jìn)行查詢配置和給USB 設(shè)備發(fā)送通用的命令?？刂苽鬏敺绞娇梢园?,16,32和 64字節(jié)的數(shù)據(jù) ，這依賴于設(shè)備和傳輸速度?？刂苽鬏?shù)湫偷赜迷谥饔?jì)算機(jī)和USB 外設(shè)端點(diǎn)之間的傳輸2 ）同步 (isochronous)傳輸方式 :同步傳輸提供了確定的帶寬和間隔時(shí)間，它被用于時(shí)間嚴(yán)格并具有較強(qiáng)容錯(cuò)性的流數(shù)據(jù)傳輸 ，或者用于要求恒定的數(shù)據(jù)傳輸率的即時(shí)應(yīng)用中，例如執(zhí)行即時(shí)通話的網(wǎng)