I2C,SPI,USB,UART常见接口的原理简析.pdf

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1、 常见接口电路介绍 一、I2C 总线简介 1.什么是 I2C NXP 半导体（原 Philips 半导体）于 20 多年前发明了一种简单的双向二线制串行通信总线，这个总线被称为 Inter-IC 或者 I2C 总线。目前 I2C 总线已经成为业界嵌入式应用的标准 解决方案，被广泛地应用在各式各样基于微控器的专业、消费与电信产品中，作为控制、诊 断与电源管理总线。多个符合 I2C 总线标准的器件都可以通过同一条 I2C 总线进行通信，而不需要额外的地址译码器。由于 I2C 是一种两线式串行总线，因此简单的操作特性成为 它快速崛起成为业界标准的关键因素 2.I2C 总线的基本概念 1）发送器（Tr

2、ansmitter）：发送数据到总线的器件 2）接收器（Receiver）：从总线接收数据的器件 3）主机（Master）：初始化发送、产生时钟信号和终止发送的器件 4）从机（Slave）：被主机寻址的器件 其线路结构图如下：如上图示，I2C 总线具有如下特点：1）I2C 总线是双向传输的总线，因此主机和从机都可能成为发送器和接收器。不论主机是发送器还是接收器，时钟信号 SCL 都要由主机来产生 2）只需要由两根信号线组成，一根是串行数据线 SDA，另一根是串行时钟线 SCL 3）SDA 和 SCL 信号线都必须要加上拉电阻 Rp（Pull-Up Resistor）。上拉电阻一般取值 3 10

3、K 4）SDA 和 SCL 管脚都是漏极开路（或集电极开路）输出结构 3.I2C 总线的信号传输 1）3 种速率可选择 标准模式 100kbps、快速模式 400kbps、最高速率 2）具有特定的传输起始、停止条件 a）起始条件：当 SCL 处于高电平期间时，SDA 从高电平向低电平跳变时产生起始条件。起始条件常常简记为 S b）停止条件：当 SCL 处于高电平期间时，SDA 从低电平向高电平跳变时产生停止条件。停止条件简记为 P 3）数据传输从确定从机地址开始 a）多个从机可连接到同一条 I2C 总线上，它们之间通过各自唯一的器件地址来区分 b）一般从机地址由 7 位地址位和一位读写标志 R

4、/W 组成，7 位地址占据高 7 位，读写位在最后。读写位是 0，表示主机将要向从机写入数据；读写位是 1，则表示主机将要从从机读取数据 4）以字节为单位的数据传输方式 a）I2C 总线以字节（Byte）为单位收发数据，主机总是先发地址再发数据 b）在 I2C 总线传输数据过程中，每传输一个字节，都要跟一个应答状态位。遵循“谁 接收谁产生”的原则，即总是由接收器产生应答位，应答位为 0 表示接收器应答（ACK）；为 1 则表示非应答（NACK）c）如果接收器在接收完最后一个字节的数据，或者不能再接收更多的数据时，应当产 生非应答来通知发送器 4.I2C 总线数据传输时序图示 1）传输格式图示

5、（灰色为主机的工作时隙，白色为从机的工作时隙）S：起始位（START）SA：从机地址（Slave Address），7 位从机地址 W：写标志位（Write），1 位写标志 R：读标志位（Read），1 位读标志 A：应答位（Acknowledge），1 位应答 A：非应答位（Not Acknowledge），1 位非应答 D：数据（Data），每个数据都必须是 8 位 P：停止位（STOP）2）传输时序示例 5.I2C 总线在手机上的常见应用 所应用范围包括：摄像头、调频收音机芯片、音频编解码芯片、模拟电视、光电鼠标等 二、SPI 总线简介 1.什么是 SPI 串行外围设备接口 SPI（se

6、rial peripheral interface）总线技术是 Motorola 公司推出的一种同步串行接口，Motorola 公司生产的绝大多数 MCU（微控制器）都配有 SPI 硬件接口，如 68 系列 MCU。SPI 用于 CPU 与各种外围器件进行全双工、同步串行通讯 总线应用线路图示 如上图示，SPI 总线具有如下特点：1）包含主机（MASTER）以及从机（SLAVE）2）由 4 条必要信号线组成：串行时钟线（SCLK）、主机输入/从机输出数据线（MISO）、主 机输出/从机输入数据线（MOSI）、低电平有效从机选择线（SS）3）如果需要增加外部从机，则相应需要增加对应此器件的低电平

7、有效从机选择线（SS）总线波特率和时钟模式 1）SPI 模块支持 125 种不同的波特率，最大波特率为系统时钟频率的四分之一 2）SPI 有四种时钟模式，由 CLOCK POLARITY 和 CLOCK PHASE 位控制。CLOCK POLARITY 位选择时钟的有效沿是上升沿还是下降沿，CLOCK PHASE 位选择是否有半个时钟周期的延时 a）上升沿，无延时：SPI 在时钟上升沿发送数据，在时钟的下降沿接收数据 b）上升沿，有延时：SPI 在时钟上升沿前半个周期发送数据，在时钟的上升沿接收数 据 c）下降沿，无延时：SPI 在时钟下降沿发送数据，在时钟的上升沿接收数据 d）下降沿，有延时

8、：SPI 在时钟下降沿前半个周期发送数据，在时钟的下降沿接收数 据 4 种时钟模式如图所示 总线传输特点 SPI 是一个环形总线结构，其时序其实很简单，主要是在 SCLK 的控制下，两个双向移位寄 存器进行数据交换，内部结构如下：以上升沿，无延时时钟模式为例，上升沿到来的时候，MOSI 上的电平将被发送到从设备的 寄存器中，下降沿到来的时候，MISO 上的电平将被接收到主设备的寄存器中 举例：假设主机和从机初始化就绪：并且主机的 sbuff=0 xaa，从机的 sbuff=0 x55，下面将分步对 SPI 的 8 个时钟周期的数据情况演示一遍(时钟的上升沿发送数据,在时钟的下降沿接收数据)(上

9、面的上表示上升沿、下表示下降沿。这样就完成了两个寄存器 8 位的交换)总线在手机上的常见应用 所应用范围包括：LCD、触摸屏控制芯片等 三、串口简介 1.什么是串口 串口是计算机上一种非常通用的设备通信的协议。串口通信的概念非常简单，串口按位（bit）发送和接收字节。尽管比按字节（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数 据的同时用另一根线接收数据。串口能够轻松实现远距离通信。2.串口应用线路图示 典型地，串口通信使用3 根线完成：（1）地线，（2）发送，（3）接收 3.串口总线传输特点 串口通信最重要的参数是波特率、起始位、数据位、停止位和奇偶校验。对于两个进行通行 的端口，这

10、些参数必须匹配：1）波特率：a）这是一个衡量通信速度的参数。它表示每秒钟传送的 bit 的个数，通常串口的波特 率为 14400，28800 和 36600 等 b）波特率和距离成反比 2）起始位：起始位必须是持续一个比特时间的逻辑“0”电平，标志传送一个字符的开始 3）数据位：这是衡量通信中实际数据位的参数，标准的值是 5、7 和 8 位 4）停止位：标志着传送一个字符的结束，用逻辑“1”电平表示，典型的值为 1，和 2 位（位是时间上的宽度，代表一个 bit 的 倍。例如你的波特率是 1000bps，那么一个 bit 的宽度就是 1ms，一个停止位是 1ms，而 个停止位就是 了）5）奇偶

11、校验位：在串口通信中一种简单的检错方式 a）奇校验：人为的往信号中添加一个校验位来确保所发送的信号中“1”的数目为奇 数个，如：0110，0101 1 0100，0000 0 b）偶校验：人为的往信号中添加一个校验位来确保所发送的信号中“1”的数目为偶 数个，如：0100，0101 1 0100，0001 0 4.串口数据传输时序图示 （空闲位表示线路处于空闲状态，此时线路上为逻辑“1”电平。空闲位可以没有，此时异 步传送的效率为最高）5.串口的扩展应用 RS-232C 是个人计算机上的通讯接口之一，是由电子工业协会(Electronic Industries Association，EIA)

12、所制定的异步传输标准接口。通常 RS-232 接口以 9 个引脚(DB-9)或是 25 个引脚(DB-25)的型态出现，一般个人计算机上会有两组 RS-232 接口，分别称为 COM1 和 COM2 常用的 RS-232 引脚只有 9 根，它们是：1）联络控制信号线：a）DSR(DCE)数据发送准备好，Data Set Ready b）DTR 数据终端（DTE）准备好，Data Terminal Ready c）RTS DTE 请求 DCE 发送（Request To Send）d）CTS DCE 允许 DTE 发送（Clear To Send），该信号是对 RTS 信号的回答。e）DCD 数

13、据载波检测（Data Carrier Detection），当本地 DCE 设备（Modem）收到对方的 DCE 设备送来的载波信号时，使 DCD 有效，通知 DTE 准备接收，并且由 DCE 将接收到的载波信号解调为数字信号，经 RXD 线送给 DTE f）RI 振铃信号（Ringing），当 DCE 收到对方的 DCE 设备送来的振铃呼叫信号 时，使该信号有效，通知 DTE 已被呼叫 2）2 个数据信号：a）发送 TXD b）接收 RXD 3）1 个信号地线：GND 实际应用图示 6.串口在手机上的常见应用 通常只使用 TXD,RXD,GND 三根信号，用于蓝牙模块，程序调试信息读取等等

14、四、USB 简介 1.什么是 USB USB 是英文 Universal Serial BUS（通用串行总线）的缩写，是一个外部总线标准，用于规 范电脑与外部设备的连接和通讯，是应用在 PC 领域的接口技术。USB 接口支持设备的即插 即用和热插拔功能。USB 是在 1994 年底由英特尔、康柏、IBM、Microsoft 等多家公司联合 提出的 2.普及 USB 的目的 随着计算机硬件飞速发展，外围设备日益增多，键盘、鼠标、调制解调器、打印机、扫描仪早已为人所共知，数码相机、MP3 随身听接踵而至，这么多的设备，如何接入 个人计算机 USB 就是基于这个目的产生的。USB 是一个使计算机周边

15、设备连接标准 化、单一化的接口 3.USB 的拓朴结构 1）USB 的网络协议中每个 USB 的系统有且只有一个 host 它负责管理整个 USB 系统，包括 USB Device 的连接与删除、与 USB Device 的通信、总路线的控制等等 2）Host 端有一个 Root Hub，可提供一个或多个 USB 下行端口，每个端口可以连接一个USB Hub 或一个 USB Device 3）USB Hub 是用于 USB 端口扩展的，即 USB Hub 可以将一个 USB 端口扩展为多个端口。上图中的每个 Func(Function)就是一个 USB Device，如 USB 键盘、USB

16、鼠标、USB MODEM、USB 硬盘等等 4）Compound Device 是指带一个 Hub 和一个或多个不可删除的 USB Device 的复合设备 5）一个 USB 系统可连接多达 127 个 Function 4.USB 的设备类型(device class)虽然 USB 设备都会表现 USB 的一些基本的特征，但是 USB 的设备还是可以分成多个 不同类型。同类型的设备可以拥有一些共同的行为特征和工作协议从而使设备的驱动程 序的书写变得简单一些。下表中就给出一些基本的 USB 的设备类型分类 5.USB 的电气特性 USB 连接器包含四条线：2 条用于电源供电(VBUS 和 GN

17、D)，2 条用于 USB 数据传输(D+和D-)。VBUS 提供 5V 电源，电流可达 500mA。D+和 D-为双向信号线，信号传输速率为 12Mbps(每位 83ns)。D+和 D-信号电平为 的特点 1）USB 为所有的 USB 外设提供了单一的易于使用的标准的连接类型。这样一来就简化 了 USB 外设的设计，实现了单一的数据通用接口 2）整个的 USB 的系统只有一个端口和一个中断节省了系统资源 3）USB 支持热插拔(hot plug)和 PNP(Plug-and-Play)，也就是说在不关闭 PC 的情况下可 以安全的插上和断开 USB 设备 4）USB 在设备供电方面提供了灵活性

18、。直接连接到 Hub，或者是连接到 Host 的设备可以 通过 USB，也可以通过电池或者其它的电力设备来供电，或使用两种供电方式的组合 并且支持节约能源的挂机和唤醒模式 5）USB 提供全速 12Mbps 的速率和低速 的速率来适应各种不同类型的外设，还支持 480Mbps 的高速传输速率 6）为了适应各种不同类型外围设备的要求，USB 提供了四种不同的数据传输类型：控制 传输，Bulk 数据传输，中断数据传输和同步数据传输，同步数据传输可为音频和视频 等实时设备的实时数据传输提供固定带宽 7）USB 的端口具有很灵活的扩展性，一个 USB 端口串接上一个 USB Hub 就可以扩展为 多个

19、 USB 端口 的传输方式 USB 有四种的传输方式：1）控制(Control)传输方式:控制传输是双向传输数据，主要进行查询配置和给 USB 设备发送通用的命令。控制传输 方式可以包括 8,16,32 和 64 字节的数据，这依赖于设备和传输速度。控制传输典型地用 在主计算机和 USB 外设端点之间的传输 2）同步(isochronous)传输方式:同步传输提供了确定的带宽和间隔时间，它被用于时间严格并具有较强容错性的流数据 传输，或者用于要求恒定的数据传输率的即时应用中，例如执行即时通话的网络电话，应用时使用同步传输模式是很好的选择 3）中断(interrupt)方式传输:中断方式传输主要

20、用于定时查询设备是否有中断数据要传输。设备的端点模式器的结构 决定了它的查询频率从 1 到 255ms 之间。这种传输方式典型的应用在少量的分散的不可 预测数据的传输，键盘、操纵杆和鼠标就属于这一类型 4）批量(bulk)传输:主要应用在数据大量传输，而传输和接受数据上又没有带宽和间隔时间要求。打印机和 扫描仪属于这种类型 的信号分析 USB 的数据信号线是差分驱动的，它们在数据传输过程中的分别有差分态，静止态和单 终端等，USB 协议根据这些状态判断设备的速率，信号所代表的数据意义，不论对全速 还是低速传输来说，当 D+信号的电压比 D-信号线的电压高 200MV 是表示差分“1”我们可以利用眼图来判断此差分信号的品质 判断一个眼图是否符合标准，可以将眼图设想为一只眼睛，形象的以以下依据作为判断标准：1）眼睛睁开最大处为最佳判决时刻 2）眼睛睁开度表征噪声容限 3）眼睛展开度表征过门限失真大小，减小会使时钟抖动增加 4）眼皮厚度体现噪声大小及码间干扰 5）眼图斜率体现系统对定时误差的敏感性，斜率愈大，愈敏感 简单的说，一个展开越大，越规整的眼图即是一个好的眼图。眼图主要测量时域信号波 形，有没有严重的失真。眼图不好，说明信号传输路径阻抗不匹配，信号质量下降，导 致 USB 接口芯片的锁相环有可能工作不正常，提高了误码率，有可能影响到设备不能识 别