通讯接口技术总汇(SPI_I2C...).doc

通讯接口总汇（UART，SPI，I2C，ISS,GPIO,CAN,SDIO）一 SPISPI 是一种允许一个主设备启动一个与从设备的同步通讯的协议，从而完成数据的交换。也就是SPI是一种规定好的通讯方式。这种通信方式的优点是占用端口较少，一般4根就够基本通讯了。同时传输速度也很高。一般来说要求主设备要有SPI控制器（但可用模拟方式），就可以与基于SPI的芯片通讯了。 SPI 的通信原理很简单，它需要至少4根线，事实上3根也可以。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI（数据输入），SDO（数据输出），SCK（时钟），CS（片选）。其中CS是控制芯片是否被选中的，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），对此芯片的操作才有效。这就允许在同一总线上连接多个SPI设备成为可能。 接下来就负责通讯的3根线了。通讯是通过数据交换完成的，这里先要知道SPI是串行通讯协议，也就是说数据是一位一位的传输的。这就是SCK时钟线存在的原因，由SCK提供时钟脉冲，SDI，SDO则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过SDO线，数据在时钟上沿或下沿时改变，在紧接着的下沿或上沿被读取。完成一位数据传输，输入也使用同样原理。这样，在至少8次时钟信号的改变（上沿和下沿为一次），就可以完成8位数据的传输。 要注意的是，SCK信号线只由主设备控制，从设备不能控制信号线。同样，在一个基于SPI的设备中，至少有一个主控设备。 这样传输的特点：这样的传输方式有一个优点，与普通的串行通讯不同，普通的串行通讯一次连续传送至少8位数据，而SPI允许数据一位一位的传送，甚至允许暂停，因为SCK时钟线由主控设备控制，当没有时钟跳变时，从设备不采集或传送数据。也就是说，主设备通过对SCK时钟线的控制可以完成对通讯的控制。 SPI还是一个数据交换协议：因为SPI的数据输入和输出线独立，所以允许同时完成数据的输入和输出。 不同的SPI设备的实现方式不尽相同，主要是数据改变和采集的时间不同，在时钟信号上沿或下沿采集有不同定义，具体请参考相关器件的文档。二 I2CIIC(InterIntegrated Circuit)总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。 只要求两条总线线路：一条串行数据线SDA 一条串行时钟线SCL 每个连接到总线的器件都可以通过唯一的地址和一直存在的简单的主机从机关系软件设定地址主机可以作为主机发送器或主机接收器 它是一个真正的多主机总线如果两个或更多主机同时初始化数据传输可以通过冲突检测和仲裁，防止数据被破坏 串行的8 位双向数据传输位速率在标准模式下可达100kbit/s 快速模式下可达400kbit/s 高速模式下可达3.4Mbit/s 片上的滤波器可以滤去总线数据线上的毛刺波保证数据完整 连接到相同总线的IC 数量只受到总线的最大电容400pF 限制三 UARTUART总线是异步串口，因此一般比前两种同步串口的结构要复杂很多，一般由波特率产生器(产生的波特率等于传输波特率的16倍)、UART接收器、UART发送器组成，硬件上由两根线，一根用于发送，一根用于接收。 显然，如果用通用IO口模拟UART总线，则需一个输入口，一个输出口。UART常用于控制计算机与串行设备的芯片。有一点要注意的是，它提供了RS-232C数据终端设备接口，这样计算机就可以和调制解调器或其它使用RS-232C接口的串行设备通信了。明显可以看出，SPI和UART可以实现全双工，但I2C不行；四 IISIIS（Inter-IC Sound Bus）是飞利浦公司为数字音频设备之间的音频 数据传输而制定的一种总线标准。I2S则大部分是3线的（除了时钟和数据外，还有一个左右声道的选择信号），I2S主要用来传输音频信号。五 CAN CAN，全称为“Controller Area Network”，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。最初，CAN被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各电子控制装置ECU之 间交换信息，形成汽车电子控制网络。比如：发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中，均嵌入CAN控制装置。一个由CAN 总线构成的单一网络中，理论上可以挂接无数个节点。实际应用中，节点数目受网络硬件的电气特性所限制。例如，当使用Philips P82C250作为CAN收发器时，同一网络中允许挂接110个节点。CAN 可提供高达1Mbit/s的数据传输速率，这使实时控制变得非常容易。另外，硬件的错误检定特性也增强了CAN的抗电磁干扰能力。CAN 是怎样发展起来的？CAN最初出现在80年代末的汽车工业中，由德国Bosch公司最先提出。当时，由于消费者对于汽车功 能的要求越来越多，而这些功能的实现大多是基于电子操作的，这就使得电子装置之间的通讯越来越复杂，同时意味着需要更多的连接信号线。提出CAN总线的最 初动机就是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通讯，减少不断增加的信号线。于是，他们设计了一个单一的网络总线，所有的外围器件可以被挂接在该 总线上。1993年，CAN 已成为国际标准ISO11898(高速应用)和ISO11519（低速应用）。CAN是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到10Km时，CAN 仍可提供高达50Kbit/s的数据传输速率。由于CAN总线具有很高的实时性能，因此，CAN已经在汽车工业、航空工业、工业控制、安全防护等领域中得到了广泛应用。CAN 是怎样工作的？CAN通讯协议主要描述设备之间的信息传递方式。CAN层的定义与开放系统互连模型（OSI）一致。每一层 与另一设备上相同的那一层通讯。实际的通讯发生在每一设备上相邻的两层，而设备只通过模型物理层的物理介质互连。CAN的规范定义了模型的最下面两层：数 据链路层和物理层。下表中展示了OSI开放式互连模型的各层。应用层协议可以由CAN用户定义成适合特别工业领域的任何方案。已在工业控制和制造业领域得 到广泛应用的标准是DeviceNet，这是为PLC和智能传感器设计的。在汽车工业，许多制造商都应用他们自己的标准。表1 OSI开放系统互连模型7应用层最高层。用户、软件、网络终端等之间用来进行信息交换。如：DeviceNet6表示层将两个应用不同数据格式的系统信息转化为能共同理解的格式5会话层依靠低层的通信功能来进行数据的有效传递。4传输层两通讯节点之间数据传输控制。操作如：数据重发，数据错误修复3网络层规定了网络连接的建立、维持和拆除的协议。如：路由和寻址2数据链路层规定了在介质上传输的数据位的排列和组织。如：数据校验和帧结构1物理层规定通讯介质的物理特性。如：电气特性和信号交换的解释CAN能够使用多种物理介质，例如双绞线、光纤等。最常用的就是双绞线。信号使用差分电压传送，两条信号线被称为“CAN_H”和“CAN_L”， 静态时均是2.5V左右，此时状态表示为逻辑“1”，也可以叫做“隐性”。用CAN_H比CAN_L高表示逻辑“0”，称为“显形”，此时，通常电压值 为：CAN_H = 3.5V 和CAN_L = 1.5V 。CAN 有哪些特性？CAN具有十分优越的特点，使人们乐于选择。这些特性包括：- 低成本- 极高的总线利用率- 很远的数据传输距离(长达10Km)- 高速的数据传输速率（高达1Mbit/s）- 可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文- 可靠的错误处理和检错机制- 发送的信息遭到破坏后，可自动重发- 节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能- 报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息Philips制造的CAN芯片有哪些？表2 CAN芯片一览表类别 型号 备注P87C591 替代P87C592CAN微控制器 XA C37 16位MCUCAN独立控制器 SJA1000 替代 82C200 PCA82C250高速CAN收发器 PCA82C251高速CAN收发器 PCA82C252容错CAN收发器 TJA1040高速CAN收发器 TJA1041高速CAN收发器 TJA1050高速CAN收发器 TJA1053容错CAN收发器 TJA1054LIN收发器 TJA1020LIN收发器什么是CSMA/CD ?CSMA/CD是“载波侦听多路访问/冲突检测”（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect）的缩写。利 用CSMA访问总线，可对总线上信号进行检测，只有当总线处于空闲状态时，才允许发送。利用这种方法，可以允许多个节点挂接到同一网络上。当检测到一个冲 突位时，所有节点重新回到监听总线状态，直到该冲突时间过后，才开始发送。在总线超载的情况下，这种技术可能会造成发送信号经过许多延迟。为了避免发 送时延，可利用CSMA/CD方式访问总线。当总线上有两个节点同时进行发送时，必须通过“无损的逐位仲裁”方法来使有最高优先权的的报文优先发送。在 CAN总线上发送的每一条报文都具有唯一的一个11位或29位数字的ID。CAN总线状态取决于二进制数0而不是1，所以ID号越小，则该报文拥 有越高的优先权。因此一个为全0标志符的报文具有总线上的最高级优先权。可用另外的方法来解释：在消息冲突的位置，第一个节点发送0而另外的节点发送 1，那么发送0的节点将取得总线的控制权，并且能够成功的发送出它的信息。CAN的高层协议CAN的高层协议（也可理 解为应用层协议）是一种在现有的底层协议（物理层和数据链路层）之上实现的协议。高层协议是在CAN规范的基础上发展起来的应用层。许多系统（像汽车工 业）中，可以特别制定一个合适的应用层，但对于许多的行业来说，这种方法是不经济的。一些组织已经研究并开放了应用层标准，以使系统的综合应用变得十分容 易。一些可使用的CAN高层协议有：制定组织 主要高层协议CiA CAL协议CiA CANOpen协议ODVA DeviceNet 协议Honeywell SDS 协议Kvaser CANKingdom协议什么是标准格式CAN和扩展格式CAN?标准CAN的标志符长度是11位，而扩展格式CAN的标志符长度可达29位。CAN 协议的2.0A版本规定CAN控制器必须有一个11位的标志符。同时，在2.0B版本中规定，CAN控制器的标志符长度可以是11位或29位。遵循 CAN2.0B协议的CAN控制器可以发送和接收11位标识符的标准格式报文或29位标识符的扩展格式报文。如果禁止CAN2.0B,则CAN 控制器只能发送和接收11位标识符的标准格式报文，而忽略扩展格式的报文结构，但不会出现错误。目前，Philips公司主要推广的CAN独立控制器均支持CAN2.0B协议，即支持29位标识符的扩展格式报文结构。六 SDIOSDIO是SD型的扩展接口，除了可以接SD卡外，还可以接支持SDIO接口的设备，插口的用途不止是插存储卡。支持 SDIO接口的PDA，笔记本电脑等都可以连接象GPS接收器，Wi-Fi或蓝牙适配器，调制解调器，局域网适配器，条型码读取器，FM无线电，电视接收 器，射频身份认证读取器，或者数码相机等等采用SD标准接口的设备。七 GPIOGPIO (General Purpose Input Output 通用输入/输出)或总线扩展器利用工业标准IC、SMBus或SPI接口简化了I/O口的扩展。当微控制器或芯片组没有足够的I/O端口，或当系统 需要采用远端串行通信或控制时，GPIO产品能够提供额外的控制和监视功能。每个GPIO端口可通过软件分别配置成输入或输出。Maxim的GPIO产品线包括8端口至28端口的GPIO，提供推挽式输出或漏极开路输出。提供微型3mm x 3mm QFN封装。GPIO的优点(端口扩展器)低