Nel sistema integrato, l'interfaccia si riferisce al percorso di comunicazione o bus utilizzato per collegare vari circuiti integrati con altri dispositivi periferici. È la parte di collegamento e la stazione di trasferimento per lo scambio di informazioni tra il microcontrollore e il mondo esterno.

Perché abbiamo bisogno di interfacce tra l'MCU e le periferiche?

Ci sono quattro motivi principali elencati di seguito.

1. I segnali dell'MCU e quelli delle periferiche sono incompatibili in termini di definizione della funzione, definizione logica, relazione di temporizzazione, ecc.
2. La velocità di elaborazione dell'MCU e quella della periferica non corrispondono. Ad esempio, la velocità dell'MCU è elevata mentre la velocità della periferica è lenta.
3. Se l'MCU controlla direttamente il funzionamento delle periferiche senza l'interfaccia, metterà l'MCU in una situazione difficile da gestire con le periferiche e ne ridurrà notevolmente l'efficienza.
4. Se la periferica è controllata direttamente dall'MCU, l'architettura hardware della periferica dipenderà completamente dall'MCU, ostacolando così lo sviluppo della periferica stessa.

Introduzione alle interfacce universali

UART

Il ricevitore-trasmettitore asincrono universale, comunemente noto come UART, è un ricetrasmettitore asincrono full duplex, che fa parte dell'hardware del computer e trasferisce i dati tra la comunicazione seriale e la comunicazione parallela. Poiché un chip converte l'input parallelo in output seriale, UART è solitamente integrato per il collegamento con altre interfacce di comunicazione.

Un vantaggio unico di UART è che può trasferire dati tra dispositivi utilizzando solo due fili. Nella comunicazione UART, due ricetrasmettitori UART comunicano direttamente tra loro. Il trasmettitore UART converte i dati paralleli dalla CPU in dati seriali e li trasmette al ricetrasmettitore UART ricevente. Il ricetrasmettitore UART ricevente converte quindi i dati seriali in dati paralleli per il dispositivo ricevente. Il flusso di dati dal pin TX di invio di UART al pin RX di ricezione di UART è mostrato come in Figura 1:

Figura 1. Schema della connessione di comunicazione UART

Il frame di dati del protocollo di comunicazione UART è descritto come segue:

1. Bit di inizio : prima invia un segnale logico "0", che indica l'inizio della trasmissione del carattere.
2. Bit di dati : subito dopo il bit di start. Il numero di bit di dati può essere 4, 5, 6, 7, 8, ecc., che forma un carattere. Di solito viene utilizzato il codice ASCII.
3. Bit di parità : dopo aver aggiunto questo bit al bit di dati, il numero di bit di "1" deve essere pari (per controllo pari) o dispari (per controllo dispari) per verificare la correttezza della trasmissione dei dati.
4. Bit di stop : è il punto finale dei dati carattere. Può essere denominato con livello di alta tensione a 1 bit, 1,5 bit o 2 bit. Più bit di stop sono coinvolti, più stabile e più lenta è la trasmissione dei dati.
5. Bit inattivo : è nello stato logico "1", il che significa che non c'è trasmissione di dati nel circuito corrente.
6. Baud rate : la velocità di trasmissione dei dati. Sono disponibili le seguenti velocità: 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 43000, 56000, 57600, 115200. È necessario impostare preventivamente il baud rate per garantire una corretta trasmissione dei dati. Il processo di trasmissione dei dati è mostrato in Figura 2

Figura 2. Frame dati UART

Principio di comunicazione UART

Processo di trasmissione dei dati: in uno stato di inattività, il circuito è ad alto livello. Quando si riceve il comando di trasmissione dei dati, abbassare il livello del circuito per un bit di dati per l'istante T, quindi inviare i dati dalle cifre inferiori alle cifre superiori. Al termine della trasmissione dei dati, vengono inviati il ​​bit di parità e il bit di stop (il bit di stop è a livello alto) per concludere la trasmissione di un frame di dati.

Processo di ricezione dei dati: in uno stato di inattività, il circuito è ad alto livello. Quando viene rilevato un limite di caduta di tensione nel circuito, suggerisce che la trasmissione dei dati è iniziata. E i dati vengono ricevuti da cifre inferiori a cifre superiori in base alla velocità di trasmissione concordata. Successivamente viene ricevuto un bit di parità e confrontato per vedere se la trasmissione è corretta. Se è corretto, il dispositivo successivo viene avvisato di prepararsi a ricevere i dati o memorizzarli nella cache.

Nella progettazione integrata, UART viene utilizzato per la comunicazione tra l'MCU e le apparecchiature ausiliarie, come la comunicazione tra l'autoradio e gli AP esterni. Oppure la comunicazione tra l'MCU e il PC, incluso il debugger di monitoraggio e altri dispositivi, come la EEPROM.

Nei moduli BLE, la trasmissione trasparente UART è diventata quasi una caratteristica standard. Il modulo di trasmissione trasparente seriale è estremamente comodo da usare. Gli sviluppatori non hanno bisogno di capire come viene implementato lo stack del protocollo Bluetooth. Possono facilmente sviluppare prodotti wireless con i moduli BLE dotati di trasmissione trasparente UART.

Shenzhen RF-star Technology, in qualità di produttore di moduli IoT wireless , fornisce i moduli BLE seriali UART basati su SoC di TI CC2640 CC2642 CC264X, CC26X2, Silicon Labs EFR32BG22, Nordic nRF52832 nRF52810 e altre soluzioni domestiche. Supportando Bluetooth 4.2/5.0 nella trasmissione e ricezione dei dati, sono di livello industriale, di dimensioni compatte e vantano un consumo energetico estremamente basso. Facilitano agli utenti lo sviluppo rapido di applicazioni Bluetooth a costi estremamente contenuti.

SPI

SPI è l'abbreviazione di Serial Peripheral Interface. L'interfaccia SPI viene utilizzata principalmente tra EEPROM, FLASH, orologio in tempo reale, controller di rete, driver display LCD, convertitore AD, processore e decodificatore di segnali digitali e altri dispositivi.

Come bus di comunicazione sincrono full-duplex ad alta velocità, SPI richiede solo quattro pin da un chip, risparmiando così i pin dell'IC e anche lo spazio nel layout del PCB.

I suoi quattro pin principali sono i seguenti:

• MOSl - uscita master e ingresso slave, utilizzato per trasferire i dati da un dispositivo master a uno slave.
• MISO - ingresso master e uscita slave, utilizzato per trasferire dati da un dispositivo slave a un master.
• SCK - clock seriale, che è l'uscita di clock del dispositivo master per la sincronizzazione.
• SS/CS - selezione del dispositivo slave, assegnata al dispositivo master per selezionare un dispositivo slave da più slave. Inserisce un segnale effettivo di basso livello per selezionare uno specifico dispositivo slave.
• La connessione Master-Slave è mostrata in Figura 3.

Figura 3. Connessione master-slave SPI

In un ciclo di clock SPI, la trasmissione dei dati deve eseguire le seguenti operazioni:

1. Il master invia dati a 1 bit attraverso il MOSI e lo slave legge i dati a 1 bit attraverso il circuito.
2. Lo slave invia dati a 1 bit attraverso il MISO e il master legge i dati a 1 bit attraverso il circuito.

Ciò si ottiene attraverso i registri a scorrimento. Il master e lo slave hanno ciascuno un registro a scorrimento ed entrambi sono collegati in un anello. Al ritmo dell'impulso di clock, i dati escono dal registro master e dal registro slave, nella sequenza della cifra più alta prima e della cifra più bassa per ultima, quindi si spostano nel registro slave e nel registro master. Quando il trasloco è completato nei registri, lo scambio di contenuti tra di loro è completato. La trasmissione dei dati è mostrata in Figura 4.

Figura 4. Trasmissione dati SPI

Nel funzionamento SPI, le due impostazioni più importanti sono la polarità del clock (CPOL) e la fase del clock (CPHA). La polarità del clock imposta il livello di tensione quando il clock è inattivo e la fase del clock imposta il fronte del clock per la lettura e l'invio dei dati.

Il master e lo slave inviano i dati contemporaneamente ed entrambi ricevono i dati contemporaneamente. Pertanto, al fine di garantire una corretta comunicazione tra di loro, il loro SPI dovrebbe avere la stessa polarità di clock e la stessa fase di clock.

• Se CPOL=0, lo stato di riposo del clock sincrono seriale è a livello basso.
• Se CPOL=1, lo stato di riposo del clock sincrono seriale è a livello alto.
• Se CPHA=0, i dati vengono raccolti al primo fronte di salto (in salita o in discesa) del clock sincrono seriale.
• Se CPHA=1, i dati vengono raccolti al secondo fronte di salto (in salita o in discesa) del clock sincrono seriale.

Le seguenti figure mostrano il processo di comunicazione in quattro modalità.

Figura 5. CPOL=0, CPHA=0

Figura 6. CPOL=0, CPHA=1

Figura 7. CPOL=1, CPHA=0

Figura 8. CPOL=1, CPHA=1

Nei prossimi capitoli, discuteremo di più su altre interfacce periferiche, ad esempio I2C, USB, ADC e CAN. Rimani sintonizzato!

Chi siamo

Shenzhen RF-star Technology Co., Ltd. (RF-star) è un'azienda high-tech focalizzata sui dispositivi a radiofrequenza ed è stata certificata da Texas Instruments come IDH di terze parti di prodotti RF a bassa potenza da oltre un decennio . RF-star fornisce IoT wireless moduli e una gamma completa di soluzioni, tra cui BLE, Wi-Fi, Matter, Wi-SUN, Sub-1G, ZigBee, Thread, ecc. Per ulteriori informazioni, visitare il sito Web dell'azienda https://www.rfstariot.com / o contattaci a info@szrfstar.com.