Како функционишу УАРТ, СПИ и И2Ц серијске комуникације и зашто их још увек користимо

Било да се ради о рачунарским периферијама, паметним уређајима, уређајима за интернет ствари (ИоТ) или електронским мерни алати, сви они користе серијске комуникационе протоколе за повезивање различитих електронских компоненти заједно.

Ове компоненте се обично састоје од микроконтролера и подређених модула као што су сензор отиска прста, ЕСП8266 (Ви-Фи модул), серво уређаји и серијски дисплеји.

Ови уређаји користе различите врсте комуникационих протокола. У наставку ћете сазнати о неким од најпопуларнијих протокола за серијску комуникацију, како функционишу, њиховим предностима и зашто остају у употреби.

Шта је серијска комуникација?

Серијски комуникациони протоколи постоје још од проналаска Морзеовог кода 1838. године. Данас савремени серијски комуникациони протоколи користе исте принципе. Сигнали се генеришу и преносе на једној жици узастопним кратким спојем два проводника. Овај кратки се понаша као прекидач; укључује се (високо) и искључује (ниско), пружајући бинарне сигнале. Начин на који се овај сигнал преноси и прима зависи од типа коришћеног протокола серијске комуникације.

Са проналаском транзистора и иновацијама које су уследиле, инжењери и мајстори су подједнако учинили процесорске јединице и меморију мањим, бржим и енергетски ефикаснијим. Ове промене су захтевале да комуникациони протоколи магистрале буду технолошки напредни као и компоненте које се повезују. Тако је проналазак серијских протокола као што су УАРТ, И2Ц и СПИ. Иако су ови серијски протоколи стари неколико деценија, они су и даље пожељни за микроконтролере и голо-метално програмирање.

УАРТ (универзални асинхрони пријемник-предајник)

УАРТ протокол је један од најстаријих, али најпоузданијих серијских комуникационих протокола који и данас користимо. Овај протокол користи две жице познате као Тк (пренос) и Рк (пријем) за обе компоненте за комуникацију.

Да би пренели податке, и предајник и пријемник морају да се слажу са пет уобичајених конфигурација, а то су:

• Брзина преноса: Брзина преноса која показује колико брзо се подаци преносе.
• Дужина података: Договорени број битова које ће пријемник сачувати у својим регистрима.
• Почетни бит: Низак сигнал који пријемнику даје до знања када ће подаци бити пребачени.
• Стоп бит: Висок сигнал који пријемнику даје до знања када је последњи бит (најзначајнији бит) послан.
• Бит парности: Висок или низак сигнал који се користи за проверу да ли су послати подаци тачни или оштећени.

Пошто је УАРТ асинхрони протокол, он нема сопствени сат који регулише брзину преноса података. Као алтернатива, користи брзину преноса за време када се бит преноси. Уобичајена брзина преноса која се користи за УАРТ је 9600 баудова, што значи брзину преноса од 9600 бита у секунди.

Ако извршимо математику и поделимо један бит са 9600 бауда, можемо израчунати колико брзо се један бит података преноси до пријемника.

1/9600 =104 микросекунде

То значи да ће наши УАРТ уређаји почети да броје 104 микросекунде да би знали када ће следећи бит пренети.

Када су УАРТ уређаји повезани, подразумевани сигнал је увек подигнут на висок ниво. Када детектује нискофреквентни сигнал, пријемник ће почети да броји 104 микросекунде плус још 52 микросекунде пре него што почне да чува битове у својим регистрима (меморији).

Пошто је већ договорено да ће осам битова бити дужине података, када се сачува осам битова података, почеће да проверава паритет да би проверио да ли су подаци непарни или парни. Након провере парности, стоп бит ће подићи високи сигнал да обавести уређаје да је читавих осам битова података успешно пренето на пријемник.

Будући да је најминималистичкији серијски протокол који користи само две жице, УАРТ се данас обично користи у паметним картицама, СИМ картицама и аутомобилима.

Повезан: Шта је СИМ картица? Ствари које треба да знате

СПИ (серијски периферни интерфејс)

СПИ је још један популаран серијски протокол који се користи за брже брзине преноса података од око 20 Мбпс. Користи укупно четири жице, а то су СЦК (Линија серијског такта), МИСО (Мастер Оут Славе Ин), МОСИ (Мастер Ин Славе Оут) и СС/ЦС (Цхип Селецт). За разлику од УАРТ-а, СПИ користи формат мастер-то-славе за контролу више славе уређаја са само једним главним.

МИСО и МОСИ се понашају као Тк и Рк УАРТ-а који се користе за пренос и пријем података. Цхип Селецт се користи за избор са којим славе-ом мастер жели да комуницира.

Пошто је СПИ синхрони протокол, он користи уграђени сат од главног уређаја како би се осигурало да и главни и славе уређаји раде на истој фреквенцији. То значи да два уређаја више не морају да преговарају о брзини преноса.

Протокол почиње тако што мастер бира славе уређај спуштањем његовог сигнала на одређени СС/ЦК повезан на славе уређај. Када славе прими слаб сигнал, почиње да слуша и СЦК и МОСИ. Мастер затим шаље почетни бит пре слања битова који садрже податке.

И МОСИ и МИСО су фулл-дуплек, што значи да могу да преносе и примају податке у исто време.

Са својом способношћу повезивања на више славе, фулл-дуплек комуникацијом и мањом потрошњом енергије од осталих синхрони протоколи попут И2Ц, СПИ се користе у меморијским уређајима, дигиталним меморијским картицама, АДЦ у ДАЦ претварачима и кристалима меморијски дисплеји.

И2Ц (међу-интегрисано коло)

И2Ц је још један синхрони серијски протокол попут СПИ, али са неколико предности у односу на њега. Ово укључује могућност да имате више мастер и славе, једноставно адресирање (нема потребе за чипом Изаберите), који раде са различитим напонима и користе само две жице повезане на два пулл-уп отпорници.

И2Ц се често користи у многим ИоТ уређајима, индустријској опреми и потрошачкој електроници.

Два пина у И2Ц протоколу су СДА (Сериал Дата Лине) који преноси и прима податке и СЦЛ (Сериал Цлоцк Лине) пин, који функционише као сат.

1. Протокол почиње тако што мастер шаље почетни бит (ниски) са свог СДА пина, након чега следи седмобитна адреса која бира славе, и један бит за бирање читања или писања.
2. Након што прими почетни бит и адресу, славе шаље бит потврде мастеру и почиње да слуша СЦЛ и СДА за долазне преносе.
3. Када мастер прими ово, зна да је веза са исправним славе-ом успостављена. Мастер ће сада изабрати који одређени регистар (меморију) из славе-а којем жели да приступи. То ради тако што шаље још осам битова који одређују који регистар ће се користити.
4. По пријему адресе, славе сада припрема регистар избора пре него што пошаље још једну потврду мастеру.
5. Након што је одабрао који одређени славе и који од његових регистара ће користити, мастер коначно шаље бит података славе-у.
6. Након слања података, последњи бит потврде се шаље мастеру пре него што мастер заврши са стоп битом (високим).

Повезан: Најбољи Ардуино ИоТ пројекти

Зашто су серијске комуникације ту да остану

Са порастом паралелних и многих бежичних протокола, серијске комуникације никада нису пале из популарности. Генерално користећи само две до четири жице за пренос и пријем података, серијски протоколи су суштински начин комуникације за електронику која има само неколико портова.

Други разлог је његова једноставност што значи поузданост. Са само неколико жица које шаљу податке једном у исто време, серијски је доказао своју поузданост за слање комплетних пакета података без икаквог губитка или оштећења приликом преноса. Чак и на високим фреквенцијама и комуникацији на дужем домету, серијски протоколи и даље надмашују многе модерне паралелне комуникационе протоколе доступне данас.

Иако би многи могли помислити да серијске комуникације као што су УАРТ, СПИ и И2Ц имају недостатак да су стари и застарели, остаје чињеница да су своју поузданост доказали у неколико случајева деценија. Будући да су протоколи овако стари без икакве стварне замене, само сугерише да су они, у ствари, неопходни и да ће се и даље користити у електроници у догледној будућности.

Распберри Пи, Пицо, Ардуино и други рачунари и микроконтролери са једном плочом

Збуњени између СБЦ-а као што је Распберри Пи и микроконтролера као што су Ардуино и Распберри Пи Пицо? Ево шта треба да знате.

Реад Нект

О аутору