I2C,SPI,USB,UART常见接口的原理简析

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 （

2、Transmitter）： 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：.专业学习资料.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SCL3 ） SDA和 SCL 信号线都必须要加上拉电阻Rp （ Pull

3、-UpResistor ）。 上拉电阻一般取值 3 10K 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 3.4Mbps2 ）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。.专业学习资料.起始条件常常简记为Sb ）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P3 ） 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

4、 ，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/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

5、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.专业学习资料.4. I2C 总线数据传输时序图示1 ）传输格式图示（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.专业学习资料.5. I2

6、C 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（ serial peripheralinterface ）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.专业学习资料.2.SPI 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 ）

7、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有效从机选择线（ SS）3.SPI 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CLOCKPOLARITY和CLOCK PHASE位控制 。 CLOCKPOLARITY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.专业学习资料.个时钟周期的延

8、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 ： 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4.SPI 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.专业学习资料.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

9、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=0xaa ，从机的 sbuff=0x55，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).专业学习资料.(上面的上表示上升沿、下表示下降沿 。 这样就完成了两个寄存器8 位的交换 )5.SPI 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.专业学习资料.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

10、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.专业学习资料.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

11、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 ，1.5 和 2 位（ 1.5位是时间上的宽度，代表一个 bit的 1.5 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 1.5 个停止位就是1.5ms 了）5 ）奇偶校验位 ：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 10100 ， 0000

12、 0.专业学习资料.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 10100 ， 0001 04. 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(ElectronicIndustries Association， EIA) 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-2

13、32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：.专业学习资料.a） DSR (DCE)数据发送准备好， Data Set Readyb ） DTR 数据终端 （ DTE）准备好 ， Data Terminal Readyc） 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 数据载波检测（ Data Carrier Detection），当本地 DCE 设备 （ Modem ）收到

14、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 DTEf ）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 TXDb ）接收 RXD3）1 个信号地线 ：GND实际应用图示.专业学习资料.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四、 USB 简介1. 什么是 USB ？USB 是英文 Universal

15、Serial BUS范电脑与外部设备的连接和通讯（通用串行总线 ）的缩写 ，是一个外部总线标准，用于规，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.专业学习资料.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设备连接标准化、单一化的接口3. USB 的拓

16、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.专业学习资料.2 ） Host端有一个RootHub ，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 Device3 ） 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 鼠标、 USBMODEM 、USB

17、硬盘等等4 ） CompoundDevice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 Function4. 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.专业学习资料.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 GND) ， 2 条用于 USB 数据

18、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3.3V6.USB 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

19、方面提供了灵活性。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.专业学习资料.5 ） USB 提供全速12Mbps的速率和低速1.5Mbps的速率来适应各种不同类型的外设，USB2.0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 USB 端口7.USB 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