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通信的目的#xff1a;将一个设备的数据传送到另一个设备#xff0c;扩展硬件系统通信协议#xff1a;制定通信的规则#xff0c;通信双方按照协议规则进行数据收发 全双工#xff1a;通信…0.前言
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通信的目的将一个设备的数据传送到另一个设备扩展硬件系统通信协议制定通信的规则通信双方按照协议规则进行数据收发 全双工通信双方能够同时进行双向通信一般有两根数据线。比如TX和RXMOSI和MISO发送和接收互不影响。半双工只有一条数据线(IIC、CAN和USB)时钟信号高速接收方什么时候需要采集数据分为同步和异步。IIC和SPI有单独的时钟线所以他们是同步的接收方可以在时钟信号的指引下进行采样。剩下的串口CAN和USB没有时钟线所以需要双方约定一个采样频率为异步通信。
CAN协议使用两条差分信号线进行通信其中一条线是CAN高线另一条线是CAN低线。这两条线通过电压的差异来表示数据的0和1。CAN协议的物理层只有这两条差分线因此在一个时刻只能表示一个信号所以CAN通信是半双工的即在同一时刻只能有一个节点发送信号其他节点只能接收信号。
USB协议数据传输方向D只能接另外一个设备的DD-接D-一根数据线为半双工。
USART中的“S”表示同步只支持时钟输出不支持时钟输入是为了兼容别的协议或特殊用途而设计的并不支持两个USART之间进行同步通信所以这个功能几乎不会用到一般更常使用的是UART异步收发器。
一、UART协议
1.1 UART协议简介
UART是通用异步收发传输器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)的缩写它是一种常见的串口通信接口。使用差分信号可以抑制共模噪声可以极大的提高信号的抗干扰特性所以一般差分信号的传输速度和传输距离都非常高。 TX与RX要交叉连接当只需单向的数据传输时可以只接一根通信线当电平标准不一致时需要加电平转换芯片
电平标准
TTL电平3.3V或5V表示10V表示0RS232电平-3~-15V表示13~15V表示0RS485电平两线压差2~6V表示1-2~-6V表示0差分信号
串口参数及时序
波特率串口通信的速率(bit/s)起始位标志一个数据帧的开始固定为低电平数据位数据帧的有效载荷1为高电平0为低电平低位先行校验位(选填)用于数据验证根据数据位计算得来停止位用于数据帧间隔固定为高电平
无校验位 有校验位 1.2 串口通信时序图
串口时序低位先行先发送B0(先转换为二进制然后先画低位波形)
发送一个字节的数据0x550101 01018位数据1位停止位无校验位
起始位低电平停止位高电平 偶校验位(低电平0) 二、IIC协议
2.1 IIC协议简介
I2CInter IC Bus是由Philips公司开发的一种通用数据总线两根通信线SCLSerial Clock、SDASerial Data同步半双工带数据应答支持总线挂载多设备一主多从、多主多从
硬件电路
所有I2C设备的SCL连在一起SDA连在一起设备的SCL和SDA均要配置成开漏输出模式SCL和SDA各添加一个上拉电阻阻值一般为4.7KΩ左右 从机的权利比较小对于SCL线在任何时刻都只能被动的读取从机不允许控制SCL线。对于SDA数据线从机不允许主动发起对SDA的控制。只有在主机发送读取从机的命令后或者从机应答的时候从机才能短暂地获取SDA的控制权。
主机的SDA引脚在发送的时候是输出模式在接收的时候是输入模式。为了避免总线没协调好导致电源短路的问题。IIC的设计是禁止所有设备输出强上拉的高电平。
设计为弱上拉电阻(4.7K)加开漏输出的模式。
这个模式具有“线与”的功能只要总线上有一个输出低电平总线就处于低电平。只有所有设备都输出高电平总线才输出高电平。
2.2 IIC时序基本单元
起始和终止信号均由主机产生从机不允许产生起始和终止信号所以在总线空闲状态时从机必须始终放手。
起始条件SCL高电平期间SDA从高电平切换到低电平。下降沿触发起始条件。终止条件SCL高电平期间SDA从低电平切换到高电平。上升沿触发终止条件回到最初的空闲状态(SDA和SCL均为高电平)除了起始和终止条件每个时序单元的SCL都是以低电平开始低电平结束。 发送一个字节SCL低电平期间主机将数据位依次放到SDA线上高位先行先发送B7然后释放SCL从机将在SCL高电平期间读取数据位所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化依次循环上述过程8次即可发送一个字节。 SCL低电平期间允许SDA的电平发生变化如果发送1就为高电平发送0为低电平。SCL高电平期间不允许SDA的电平发生变化。一般在SCL上升沿的时刻从机就已经读取完成了。从机在上升沿时立刻把数据读走。主机在放手SCL一段时间后(高电平)就可以继续拉低SCL传输下一位了。主机也需要在SCL下降沿之后尽快把数据放在SDA上。接收一个字节SCL低电平期间从机将数据位依次放到SDA线上高位先行然后释放SCL主机将在SCL高电平期间读取数据位所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化依次循环上述过程8次即可接收一个字节主机在接收之前需要释放SDA即高电平 发送应答主机在接收完一个字节之后在下一个时钟发送一位数据数据0表示应答数据1表示非应答接收应答主机在发送完一个字节之后在下一个时钟接收一位数据判断从机是否应答数据0表示应答数据1表示非应答主机在接收之前需要释放SDA 接收应答主机发送完毕后需要立刻调用接收应答的时序(在SCL低电平期间SDA切换为高电平) 2.3 IIC通信时序参考图
指定地址写对于指定设备Slave Address在指定地址Reg Address下写入指定数据Data 空闲状态SDA、SCL均为高电平。
然后主机需要给从机写入数据时SCL高电平期间拉低SDA产生起始条件。
发送一个字节的数据(字节的内容从机地址7位1位读写位)
读写位0表示之后的时序主机要进行写入操作1表示之后的时序主机要进行读出操作。
应答位RA(Receive ACK, RA)根据IIC协议的规定在这个时刻主机要释放SDA
SCL低电平期间SDA可以变换数据
SCL高电平期间SDA保持不变从机读取数据
当前地址读对于指定设备Slave Address在当前地址指针指示的地址下读取从机数据Data 指定地址读对于指定设备Slave Address在指定地址Reg Address下读取从机数据Data 三、SPI协议
3.1 SPI协议简介
SPISerial Peripheral Interface是由Motorola公司开发的一种通用数据总线四根通信线SCKSerial Clock、MOSIMaster Output Slave Input、MISOMaster Input Slave Output、SSSlave Select从机选择线有几个从机需要几根从机线一人一根同步全双工(两根数据线一根发送一根接收设备双方可以同时进行数据通信)支持总线挂载多设备一主多从
SPI通信的基础是交换一个字节有了交换一个字节就可以实现发送一个字节、接收一个字节和发送同时接收一个字节这三种功能。
硬件电路
所有SPI设备的SCK、MOSI、MISO分别连在一起主机另外引出多条SS控制线分别接到各从机的SS引脚输出引脚配置为推挽输出输入引脚配置为浮空或上拉输入 从机SS引脚输入低电平代表被选中进行数据通信如果只有一个从机设备SS引脚可以直接接地。
从机设备的DI相当于MOSI引脚从机设备的DO相当于MISO引脚CS片选其实就是SS
移位示意图高位先行每来一个时钟移位寄存器都会向左进行移动一位。 原理在波特率发生器时钟的上升沿所有移位寄存器向左移动一位移出的位放到引脚上。波特率发生器的下降沿引脚上的位采样输入到移位寄存器的最低位。
在波特率发生器的上升沿移出一位放到引脚上 在波特率发生器的下降沿主机和从机都会进行数据采样输入 8个时钟后完成一个字节的交换一般在接收的时候主机会统一发送0x00或0xFF去跟从机换数据。 3.2 SPI时序基本单元
起始条件SS从高电平切换到低电平终止条件SS从低电平切换到高电平在通信期间SS始终保持在低电平在从机SS未被选中时从机的MISO引脚必须关断输出也就是设置为高阻态。 CPOL:Clock Polarity时钟极性
CPHAClock Phase时钟相位
每一位可以配置为1或0总共组合起来共有4种模式。在实际使用中只需要其中的一种即可。
注意CHPA表示的是时钟相位决定第一个时钟采样移入还是第二个时钟采样移入。并不能单独决定上升沿采样还是下降沿采样。
3.3 交换一个字节的时序图
交换一个字节模式0CPOL0空闲状态时SCK为低电平CPHA0SCK第一个边沿移入数据第二个边沿移出数据 交换一个字节模式1常用CPOL0空闲状态时SCK为低电平CPHA1SCK第一个边沿移出数据第二个边沿移入数据 通讯原理
SS高电平时从机未被选中MISO用一条中间的线表示高阻态。SS下降沿之后从机的MISO被允许开启输出SS上升沿之后从机的MISO必须置回高阻态。移位传输的操作因为CPHA 1所以SCK第一个边沿移出数据(所以在SCK第一个上升沿主机和从机同时移出数据)。主机通过MOSI移出最高位B7从机通过MISO移出最高位B7。时钟运行产生下降沿此时主机和从机同时移入数据也就是进行数据采样。主机移出的B7进入从机移位寄存器的最低位B0。从机移出的B7进入主机移位寄存器的最低位。这样一个时钟脉冲产生完毕一个数据位传输完毕。
通过上述步骤可以完成一个字节的交换。在SS的上升沿MOSI还可以再变化一次将MOSI置到一个默认的高电平或低电平当然也可以不管他。MISO从机必须得置回高阻态此时如果主机的MISO为上拉输入那MISO引脚的电平为高电平。如果主机MISO为浮空输入此时MISO引脚的电平不确定。
交换一个字节模式2CPOL1空闲状态时SCK为高电平CPHA0SCK第一个边沿移入数据第二个边沿移出数据 交换一个字节模式3CPOL1空闲状态时SCK为高电平CPHA1SCK第一个边沿移出数据第二个边沿移入数据 3.4 模式1完整时序图
向SS指定从机设备发送指令0x06 四、CAN协议
