En el sistema integrado, la interfaz se refiere a la ruta de comunicación o bus que se utiliza para conectar varios circuitos integrados con otros dispositivos periféricos. Es la parte de conexión y la estación de transferencia para el intercambio de información entre el microcontrolador y el mundo exterior.

¿Por qué necesitamos interfaces entre la MCU y los periféricos?

Hay cuatro razones principales enumeradas a continuación.

1. Las señales de la MCU y las de los periféricos son incompatibles en términos de definición de función, definición lógica y relación de temporización, etc.
2. La velocidad de procesamiento de la MCU y la del periférico no coinciden. Por ejemplo, la velocidad de la MCU es rápida mientras que la velocidad del periférico es lenta.
3. Si la MCU controla directamente el funcionamiento de los periféricos sin la interfaz, hará que la MCU se encuentre en una situación difícil para manejar los periféricos y reducirá en gran medida su eficiencia.
4. Si el periférico está controlado directamente por la MCU, hará que la arquitectura de hardware del periférico dependa completamente de la MCU, lo que dificultará el desarrollo del propio periférico.

Introducción a las interfaces universales

UART

El transmisor-receptor asíncrono universal, comúnmente conocido como UART, es un transceptor asíncrono de dúplex completo, que forma parte del hardware de la computadora y transfiere datos entre la comunicación en serie y la comunicación en paralelo. Como un chip convierte la entrada paralela en salida en serie, la UART generalmente se integra para la conexión con otras interfaces de comunicación.

Una ventaja única de UART es que puede transferir datos entre dispositivos usando solo dos cables. En la comunicación UART, dos transceptores UART se comunican directamente entre sí. El transmisor UART convierte los datos paralelos de la CPU en datos en serie y luego los transmite al transceptor UART receptor. El transceptor UART receptor, por lo tanto, convierte los datos en serie nuevamente en datos paralelos para el dispositivo receptor. El flujo de datos desde el pin TX del UART de envío al pin RX del UART de recepción se muestra como en la Figura 1:

Figura 1. Diagrama de conexión de comunicación UART

La trama de datos del protocolo de comunicación UART se describe a continuación:

1. Bit de inicio : primero envía una señal lógica "0", que indica el inicio de la transmisión del carácter.
2. Bit de datos : inmediatamente después del bit de inicio. El número de bits de datos puede ser 4, 5, 6, 7, 8, etc., lo que forma un carácter. Generalmente se utiliza el código ASCII.
3. Bit de paridad : después de agregar este bit al bit de datos, el número de bits de "1" debe ser par (para verificación par) o impar (para verificación impar) para verificar la exactitud de la transmisión de datos.
4. Bit de parada : es la marca final de los datos de carácter. Se puede denominar con nivel de alto voltaje de 1 bit, 1.5 bit o 2 bit. Cuantos más bits de parada estén involucrados, más estable mientras que más lenta es la transmisión de datos.
5. Bit inactivo : está en el estado lógico "1", lo que significa que no hay transmisión de datos en el circuito actual.
6. Tasa de baudios : la velocidad de transmisión de datos. Existen las siguientes velocidades: 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 43000, 56000, 57600, 115200. La velocidad en baudios debe configurarse con anticipación para garantizar una transmisión de datos correcta. El proceso de transmisión de datos se muestra en la Figura 2

Figura 2. Trama de datos UART

Principio de comunicación UART

Proceso de transmisión de datos: en estado inactivo, el circuito está en un nivel alto. Al recibir el comando de transmisión de datos, baje el nivel del circuito en un bit de datos durante el tiempo T y luego envíe los datos de los dígitos inferiores a los dígitos superiores. Una vez completada la transmisión de datos, el bit de paridad y el bit de parada (el bit de parada está en un nivel alto) se envían para concluir la transmisión de una trama de datos.

Proceso de recepción de datos: en estado inactivo, el circuito está en un nivel alto. Cuando se detecta un borde de caída de voltaje en el circuito, sugiere que se ha iniciado la transmisión de datos. Y los datos se reciben de dígitos inferiores a dígitos superiores según la tasa de baudios acordada. Después de eso, se recibe un bit de paridad y se compara para ver si la transmisión es correcta. Si es correcto, se notifica al dispositivo subsiguiente que se prepare para recibir los datos o almacenarlos en la memoria caché.

En el diseño integrado, UART se usa para la comunicación entre la MCU y el equipo auxiliar, como la comunicación entre el audio del automóvil y los puntos de acceso externos. O la comunicación entre la MCU y la PC, incluido el depurador de monitoreo y otros dispositivos, como EEPROM.

En los módulos BLE, la transmisión transparente UART casi se ha convertido en una característica estándar. El módulo de transmisión transparente en serie es extremadamente conveniente de usar. Los desarrolladores no necesitan comprender cómo se implementa la pila de protocolos Bluetooth. Pueden desarrollar fácilmente productos inalámbricos con los módulos BLE con transmisión transparente UART.

Shenzhen RF-star Technology, como fabricante de módulos IoT inalámbricos , proporciona módulos BLE serie UART basados ​​en SoC de TI CC2640 CC2642 CC264X, CC26X2, Silicon Labs EFR32BG22, Nordic nRF52832 nRF52810 y otras soluciones domésticas. Son compatibles con Bluetooth 4.2/5.0 en la transmisión y recepción de datos, son de grado industrial, de tamaño compacto y cuentan con un consumo de energía ultra bajo. Facilitan a los usuarios el desarrollo rápido de aplicaciones Bluetooth a un costo extremadamente bajo.

SPI

SPI es la abreviatura de Serial Peripheral Interface. La interfaz SPI se utiliza principalmente entre EEPROM, FLASH, reloj en tiempo real, controlador de red, controlador de pantalla LCD, convertidor AD, procesador y decodificador de señal digital y otros dispositivos.

Como un bus de comunicación síncrono dúplex completo de alta velocidad, SPI necesita solo cuatro pines de un chip, lo que ahorra pines del IC y también el espacio en el diseño de PCB.

Sus cuatro pines principales son los siguientes:

• MOSl: salida maestra y entrada esclava, utilizadas para transferir datos de un dispositivo maestro a un esclavo.
• MISO: entrada maestra y salida esclava, utilizadas para transferir datos de un dispositivo esclavo a un maestro.
• SCK: reloj en serie, que es la salida del reloj del dispositivo maestro para la sincronización.
• SS/CS: selección de dispositivo esclavo, que se asigna para que el dispositivo maestro seleccione un dispositivo esclavo entre varios esclavos. Inserta una señal efectiva de bajo nivel para seleccionar un dispositivo esclavo específico.
• La conexión Maestro-Esclavo se muestra en la Figura 3.

Figura 3. Conexión maestro-esclavo SPI

En un ciclo de reloj SPI, la transmisión de datos debe pasar por las siguientes operaciones:

1. El maestro envía datos de 1 bit a través del MOSI y el esclavo lee los datos de 1 bit a través del circuito.
2. El esclavo envía datos de 1 bit a través del MISO y el maestro lee los datos de 1 bit a través del circuito.

Esto se logra a través de registros de desplazamiento. El maestro y el esclavo tienen cada uno un registro de desplazamiento y ambos están conectados en un anillo. Al ritmo del pulso del reloj, los datos salen del registro maestro y del registro esclavo, en la secuencia del dígito más alto primero y el dígito más bajo al final, y luego se mueven en el registro esclavo y el registro maestro. Cuando se completa la salida en los registros, se completa el intercambio de contenido entre ellos. La transmisión de datos se muestra en la Figura 4.

Figura 4. Transmisión de datos SPI

En la operación SPI, las dos configuraciones más importantes son la polaridad del reloj (CPOL) y la fase del reloj (CPHA). La polaridad del reloj establece el nivel de voltaje cuando el reloj está inactivo y la fase del reloj establece el borde del reloj para leer y enviar datos.

El maestro y el esclavo envían datos al mismo tiempo y ambos reciben datos al mismo tiempo. Por lo tanto, para garantizar una correcta comunicación entre ellos, su SPI debe tener la misma polaridad de reloj y fase de reloj.

• Si CPOL=0, el estado inactivo del reloj síncrono en serie está en un nivel bajo.
• Si CPOL=1, el estado inactivo del reloj síncrono en serie está en un nivel alto.
• Si CPHA=0, los datos se recopilan en el primer flanco de salto (ascendente o descendente) del reloj síncrono en serie.
• Si CPHA=1, los datos se recopilan en el segundo flanco de salto (ascendente o descendente) del reloj síncrono en serie.

Las siguientes figuras muestran el proceso de comunicación en cuatro modos.

Figura 5. CPOL=0, CPHA=0

Figura 6. CPOL=0, CPHA=1

Figura 7. CPOL=1, CPHA=0

Figura 8. CPOL=1, CPHA=1

En los próximos capítulos, discutiremos más sobre otras interfaces periféricas, por ejemplo, I2C, USB, ADC y CAN. ¡Manténganse al tanto!

Sobre nosotros

Shenzhen RF-star Technology Co., Ltd. (RF-star) es una empresa de alta tecnología que se centra en dispositivos de radiofrecuencia y ha sido certificada por Texas Instruments como IDH de terceros de productos de RF de baja potencia durante más de una década. . RF-star proporciona cable IoTmódulos ess y una gama completa de soluciones, que incluyen BLE, Wi-Fi, Matter, Wi-SUN, Sub-1G, ZigBee, Thread, etc. Para obtener más información, visite el sitio web de la empresa https://www.rfstariot.com / o contáctenos en info@szrfstar.com.