Тема: Використання послідовних інтерфейсів у ПП

1. Інтерфейс SPI

2. Інтерфейс IIC

3. Інтерфейс RS232

4. Висновок

• Інтерфейс SPI

Інтерфейс SPI (Serial Peripheral Interface Bus) — синхронний послідовний чотирипровідний повнодуплексний інтерфейс, що працює за принципом “master-slave”:

рис.1. Зєднання SPI

• SCLK — Serial Clock (output from master)

• MOSI/SIMO — Master Output, Slave Input (output from master)

• MISO/SOMI — Master Input, Slave Output (output from slave)

• SS — Slave Select (active low; output from master)

Головним складовим блоком інтерфейсу SPI є звичайний зсувний регістр, сигнали синхронізації та введення / виводу бітового потоку якого утворюють інтерфейсні сигнали (рис.2). Таким чином, протокол SPI правильніше назвати не протоколом передачі даних, а протоколом обміну даними між двома зсувними регістрами, кожен з яких одночасно виконує і функцію приймача, і функцію передавача. Неодмінною умовою передачі даних по шині SPI є генерація сигналу синхронізації шини. Цей сигнал має право генерувати тільки ведучий шини і від цього сигналу повністю залежить робота підлеглого шини.

рис.2 Умовна структура SPI

SPI підтримує обмін даними між ініціатором і одним або декількома підлеглими. Існує три типи підключення до шини SPI:

1. Найпростіше підключення, в якому беруть участь тільки дві мікросхеми, показано на рис.1. Тут, ініціатор шини передає дані по лінії MOSI синхронно зі згенерований ним же сигналом SCLK, а підлеглий захоплює передані біти даних за певними фронтах прийнятого сигналу синхронізації.Одночасно з тим підлеглий відправляє свою посилку даних. Представлену схему можна спростити до лінії MISO, якщо використовувана підпорядкована ІС не передбачає відповідну передачу даних.Щоб підпорядкована ІС приймала і передавала дані, крім наявності сигналу синхронізації, необхідно також, щоб лінія SS була переведена в низький стан. В іншому випадку, підпорядкована ІС буде неактивна. Коли використовується тільки одна зовнішня ІС, може виникнути спокуса виключення та лінії SS за рахунок жорсткої установки низького рівня на вході вибору підпорядкованої мікросхеми. Таке рішення вкрай небажано і може призвести до збоїв або взагалі неможливість передачі даних, оскільки вхід вибору мікросхеми служить для перекладу ІС в її початковий стан і іноді ініціює передачу першого біта даних.

2. Незалежне (паралельне) підключення (рис. 3). Тут, всі сигнали, окрім вибору мікросхем, з'єднані паралельно, а ініціатор, встановленнямтого чи іншого сигналу SS в низький стан, задає, з якою підпорядкованої ІС він буде обмінюватися даними. Головним недоліком такого підключення є необхідність у додаткових лініях для адресації підлеглих мікросхем (загальна кількість ліній зв'язку одно 3 + n, де n-кількість підлеглих мікросхем). 

3. Каскадне включення (рис.4) — посуті при його використанні з декількох мікросхем утворюється один великий зсувне регістр. Для цього вихід передачі даних однієї ІС з'єднується з входом прийому даних іншого, як показано на рис.4. Входи вибору мікросхем тут з'єднані паралельно і, таким чином, загальне число ліній зв'язку збережено рівним 4. Проте використання каскадного підключення можливе тільки в тому випадку, якщо його підтримують мікросхеми( англійською такий тип підключення називається 'daisy-chaining').

рис.3. Паралельне підключення SPI

рис.4. Каскадне підключення SPI

Протокол передачі по інтерфейсу SPI гранично простий і, по суті, ідентичний логіці роботи зсувного регістра, яка полягає у виконанні операції зсуву і, відповідно, побітового введення і виведення даних за певними фронтами сигналу синхронізації. Встановлення даних при передачі і вибірка при прийомі завжди виконуються за протилежним фронтах синхронізації. Це необхідно для гарантування вибірки даних після надійного їх встановлення. Якщо до цього врахувати, що в якості першого фронту в циклі передачі може виступати наростаючий або падаючий фронт, то всього можливо чотири варіанти логіки роботи інтерфейсу SPI. Ці варіанти отримали назву режимів SPI і описуються двома параметрами: 

• CPOL - вихідний рівень сигналу синхронізації (якщо CPOL = 0, то лінія синхронізації до початку циклу передачі і після його закінчення має низький рівень (тобто перший фронт наростаючий, а останній - спадаючий), інакше, якщо CPOL = 1, - високий (тобто перший фронт що спадаючий, а останній - наростаючий));  CPHA - фаза синхронізації; від цього параметра залежить, в якій послідовності виконується установка та вибірка даних (якщо CPHA = 0, то по передньому фронту в циклі синхронізації буде виконуватися вибірка даних, а потім, по задньому фронту, - установка даних, якщо ж CPHA = 1, то його встановлення даних буде виконуватися по передньому фронту в циклі синхронізації, а вибірка - по задньому). Інформація по режимах SPI узагальнена в таб.1.

Ініціююча і підпорядкована мікросхеми, що працюють в різних режимах SPI, є несумісними, тому, перед вибором підлеглих мікросхем важливо уточнити, які режими підтримуються провідним шини. Апаратні модулі SPI, інтегровані в мікроконтролери, в більшості випадків підтримують можливість вибору будь-якого режиму SPI і, тому, до них можливе підключення будь-яких підлеглих SPI-мікросхем (відноситься тільки до незалежного варіанту підключення).Крім того, протокол SPI у будь-якому з режимів легко реалізується програмно.

таб.1. Режими SPI

• Інтерфейс IIC

1.0 Преимущества i2c

В бытовой технике, телекоммуникационном оборудовании и промышленной электронике часто встречаются похожие решения, в, казалось бы, никак не связанных изделиях. Например, практически каждая система включает в себя:

• Некоторый “умный” узел управления, обычно однокристалльная микроЭВМ.

• Узлы общего назначения, такие как буферы ЖКИ, порты ввода/вывода, ОЗУ, ЭСПЗУ или преобразователи данных.

• Специфические узлы, такие как схемы цифровой настройки и обработки сигнала для радио- и видео- систем, или генераторы тонального набора для телефонии.

Для того, чтобы использовать эти общие решения к выгоде конструкторов и производителей (технологов), а также для увеличения эффективности аппаратуры и упрощения схемотехнических решений, Philips разработала простую двунаправленную двухпроводную шину для эффективного “межмикросхемного” (inter-IC) управления. Шина так и называется - InterIC, или IIC (I²C) шина. В настоящее время ассортимент продукции Philips включает более 150 КМОП и биполярных I²C-совместимых устройств, функционально предназначенных работы во всех трех вышеперечисленных категориях электронного оборудования. Все I²C-совместимые устройства имеют встроенный интерфейс, который позволяет им связываться друг с другом по шине I²C. Это конструкторское решение разрешает множество проблем сопряжения различных устройств, которые обычно возникают при разработке цифровых систем.

Вот некоторые достоинства шины I²C:

• Требуется только две линии - линия данных (SDA) и линия синхронизации (SCL) Каждое устройство, подключённое к шине, может быть программно адресовано по уникальному адресу. В каждый момент времени существует простое отношение ведущий/ведомый: ведущие могут работать как ведущий-передатчик и ведущий-приёмник.

• Шина позволяет иметь несколько ведущих, предоставляя средства для определения коллизий и арбитраж для предотвращения повреждения данных в ситуации, когда два или более ведущих одновременно начинают передачу данных В стандартном режиме обеспечивается передача последовательных 8-битных данных со скоростью до 100 кбит/с, и до 400 кбит/с в “быстром” режиме.

• Встроенный в микросхемы фильтр подавляет всплески, обеспечивая целостность данных.

• Максимальное допустимое количество микросхем, подсоединённых к одной шине, ограничивается максимальной емкостью шины 400 пФ.

Рис. 1 показывает два примера применения шины I²C.

I²C-совместимые микросхемы позволяют ускорить процесс разработки от функциональной схемы до прототипа. Более того, поскольку такие микросхемы подключаются непосредственно к шине без каких-либо дополнительных цепей, появляется возможность модификации и модернизации системы прототипа путем подключения и отключения устройств от шины.

Вот некоторые достоинства I²C-совместимых микросхем, которые касаются конструкторов:

• Блоки на функциональной схеме соответствуют микросхемам, переход от функциональной схемы к принципиальной происходит быстро.

• Нет нужды разрабатывать шинные интерфейсы, т.к. шина уже интегрирована в микросхемы.

• Интегрированные адресация устройств и протокол передачи данных позволяют системе быть полностью программно определяемой.

• Одни и те же типы микросхем могут быть часто использованы в разных приложениях.

• Время разработки снижается, так как конструкторы быстро знакомятся с часто используемыми функциональными блоками и соответствующими микросхемами.

• Микросхемы могут быть добавлены или убраны из системы без оказывания влияния на другие микросхемы, подключенные к шине.

• Простая диагностика сбоев и отладка; нарушения в работе могут быть немедленно отслежены.

• Время разработки программного обеспечения может быть снижено за счет использования библиотеки повторно используемых программных модулей.

Помимо этих преимуществ, КМОП I2C-совместимые микросхемы предоставляют для конструкторов специальные решения, которые в частности привлекательны для портативного оборудования и систем с батарейным питанием:

• Крайне низкое потребление.

• Высокая стойкость к помехам.

• Широкий диапазон питающего напряжения.

• Широкий рабочий температурный диапазон.

Рисунок 1. Два примера применения I²C (a)Высокоинтегрированный телевизор (b) базовая станция радиотелефона стандарта DECT

1. Микроконтроллер

2. ФАПЧ синтезатор

3. Флеш-память

4. Декодер цвета

5. Стереодекодер звука

6. Улучшение сигнала картинки

7. HI-FI аудиопроцессор

8. Видеопроцессор

9. Одночиповый текст

10. Экранный дисплей

11. Генератор DTMF

12. Интерфейс телефонной линии

13. Кодек АДИКМ

14. Пакетный контроллер

15. Микроконтроллер

SDA - линия данных, SCL - линия синхронизации

I²C-совместимые микросхемы не только помогают конструкторам, но и дают широкий диапазон преимуществ для технологов, потому что:

• Простая двухпроводная последовательная шина I²C минимизирует соединения между микросхемами; микросхемы имеют меньше контактов и требуется меньше дорожек, результат - печатные платы становятся менее дорогими и меньше по размеру.

• Полностью интегрированный I²C-протокол устраняет нужду в дешифраторах адреса и другой внешней мелкой логике.

• Возможность нескольких “ведущих” на I²C-шине позволяет ускорить тестирование и настройку оборудования при помощи подключения шины к компьютеру сборочной линии.

• Доступность I²C-совместимых микросхем в SO и VSO корпусах, а также в DIL корпусе снижает требования к размеру еще больше.

Это лишь некоторые преимущества. Кроме того, I²C-совместимые микросхемы увеличивают гибкость системы, позволяя простое конструирование вариантов оборудования и легкую модернизацию для того, чтобы поддерживать разработки на современном уровне. Таким образом, целое семейство оборудования может быть разработано, основываясь на базовой модели. Модернизация оборудования или расширение его функций (например, дополнительная память, дистанционное управление и т.п.) может быть произведена путем простого подключения соответствующей микросхемы к шине. Если требуется бoльшая ПЗУ, то дело лишь в выборе микроконтроллера к большим объемом ПЗУ из нашего ряда. Поскольку новые микросхемы могут замещать старые, легко добавлять новые свойства в оборудование или увеличивать его производительность путем простого отсоединения устаревшей микросхемы и подключения к шине новой.