各总线及接口介绍

常见接口电路介绍

一、I2C总线简介

1. 什么是I2C（ INTER IC BUS）

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 是一种两线式半双工串行总线，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（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：

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SCL；

3）SDA 和SCL 信号线都必须要加上拉电阻Rp（Pull-Up Resistor）。上拉电阻一般取值3～10KΩ；

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3.4Mbps；

2）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。

起始条件常常简记为S；

b）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P；

3）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，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；

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M；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

5. I2C总线的常见应用

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，一般用于同一板卡上芯片之间的通信，较少用于远距离通信。

二、SPI总线简介

1.什么是SPI

串行外围设备接口SPI（serial peripheral interface_串行外设接口）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。

SPI 用于CPU 与各种外围器件进行全双工、同步串行通讯，通信波特率可以高达几Mbps，但具体速度大小取决于SPI硬件。SPI接口具有全双工操作，操作简单，数据传输速率较高的优点，但也存在没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到数据的缺点。

单工、半双工、全双工

单工数据传输只支持数据在一个方向上传输；

半双工数据传输允许数据在两个方向上传输，但是，在某一时刻，只允许数据

同步通信是一种连续串行传送数据的通信方式，一次通信只传送一帧信息。这里的信息帧与异步通信中的字符帧不同，通常含有若干个数据字符。

采用同步通信时，将许多字符组成一个信息组，这样，字符可以一个接一个地传输，但是，在每组信息（通常称为帧）的开始要加上同步字符，在没有信息要传输时，要填上空字符，因为同步传输不允许有间隙。在同步传输过程中，一个字符可以对应5～8位。当然，对同一个传输过程，所有字符对应同样的数位，比如说n位。这样，传输时，按每n位划分为一个时间片，发送端在一个时间片中发送一个字符，接收端则在一个时间片中接收一个字符。

同步传输时，一个信息帧中包含许多字符，每个信息帧用同步字符作为开始，一般将同步字符和空字符用同一个代码。在整个系统中，由一个统一的时钟控制发送端的发送和空字符用同一个代码。接收端当然是应该能识别同步字符的，当检测到有一串数位和同步字符相匹配时，就认为开始一个信息帧，于是，把此后的数位作为实际传输信息来处理。

异步通信原理：

异步通信是一种很常用的通信方式。异步通信在发送字符时，所发送的字符之间的时间间隔可以是任意的。当然，接收端必须时刻做好接收的准备。发送端可以在任意时刻开始发送字符，因此必须在每一个字符的开始和结束的地方加上标志，即加上开始位和停止位，以便使接收端能够正确地将每一个字符接收下来。异步通信的好处是通信设备简单、便宜，但传输效率较低（因为开始位和停止位的开销所占比例较大）。

1.同步通信要求接收端时钟频率和发送端时钟频率一致，发送端发送连续的比特流；异步通信时不要求接收端时钟和发送端时钟同步，发送端发送完一个字节后，可经过任意长的时间间隔再发送下一个字节。

2.同步通信效率高；异步通信效率较低。

3.同步通信较复杂，双方时钟的允许误差较小；异步通信简单，双方时钟可允许一定误差。

4.同步通信可用于点对多点；异步通信只适用于点对点。

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）

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）

SPI总线只需四条线（如图1所示）就可以完成MCU与各种外围器件的通讯:

1）MOSI – Master数据输出,Slave数据输入；

2）MISO – Master数据输入,Slave数据输出；

3）SCK –时钟信号,由Master产生；

4）/CS – Slave使能信号,由Master控制。

3.SPI总线波特率和时钟模式

1）SPI总线有四种工作方式(SP0, SP1, SP2, SP3)，其中使用的最为广泛的是SPI0和SPI3方式。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CLOCK POLARITY(极性) 和CLOCK PHASE （相位）位控制。CLOCK POLARITY 位选择时钟的有效沿是上升沿还是下降沿，CLOCK PHASE位选择是否有半个时钟周期的延时，通过设置时钟空闲时为高或者低的状态，以及数据是在时钟的上升沿或下降沿锁存可将SPI配置成相应的工作模式。SPI模块为了和外设进行数据交换，根据外设工作要求，其输出串行同步时钟极性和相位可以进行配置，时钟极性(CPOL)对传输协议没有重大的影响。如果CPOL=0，串行同步时钟的空闲状态为低电平；如果CPOL=1，串行同步时钟的空闲状态为高电平。时钟相位(CPHA)能够配置用于选择两种不同的传输协议之一进行数据传输。如果CPHA=0，在串行同步时钟的第一个跳变沿(上升或下降)数据被采样；如果CPHA=1，在串行同步时钟的第二个跳变沿(上升或下降)数据被采样。SPI主模块和与之通信的外设音时钟相位和极性应该一致。

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，两个双向移位寄存器进行数据交换，在一个SPI时钟周期内，会完成如下操作：

1) Master通过MOSI线发送1位数据，同时Slave通过MOSI线读取这1位数据；

2) Slave通过MISO线发送1位数据，同时Master通过MISO线读取这1位数据；

SPI接口在Master控制下产生的从器件使能信号和时钟信号，两个双向移位寄存器按位传输进行数据交换，传输数据高位在前，低位在后（MSB first）；Master和Slave各有一个移位寄存器，如下图所

示，而且这两个移位寄存器连接成环状。依照SCK的变化，数据以MSB first的方式依次移出Master寄存器和Slave寄存器，并且依次移入Slave寄存器和Master寄存器。当寄存器中的内容全部移出时，相当于完成了两个寄存器内容的交换。

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)。

(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) CPOL是用来决定SCK时钟信号空闲时的电平，CPOL＝0，空闲电平为低电平，CPOL＝1时，空闲电平为高电平。CPHA是用来决定采样时刻的，CPHA=0，在每个周期的第一个时钟沿采样，CPHA＝1，在每个周期的第二个时钟沿采样。由于我使用的器件工作在模式0这种时序（CPOL＝0，CPHA＝0），所以只关注模式0的时序。

我们来关注SCK的第一个时钟周期，在时钟的前沿采样数据（上升沿，第一个时钟沿），

在时钟的后沿输出数据（下降沿，第二个时钟沿）。首先来看主器件，主器件的输出口（MOSI）输出的数据bit1，在时钟的前沿被从器件采样，那主器件是在何时刻输出bit1的呢？bit1的输出时刻实际上在SCK信号有效以前，比 SCK 的上升沿还要早半个时钟周期。bit1的输出时刻与SSEL信号没有关系。再来看从器件，主器件的输入口MISO同样是在时钟的前沿采样从器件输出的bit1的，那从器件又是在何时刻输出bit1的呢。

从器件是在SSEL信号有效后，立即输出bit1，尽管此时SCK信号还没有起效。关于上面的主器件和从器件输出bit1位的时刻，可以从下图中得到验证。

注意图3中，CS信号有效后（低电平有效，注意CS下降沿后发生的情况），故意用延时程序延时了一段时间，之后再向数据寄存器写入了要发送的数据，来观察主器件输出bit1的情况（MOSI）。

可以看出，bit1（值为1）是在SCK信号有效之前的半个时钟周期的时刻开始输出的（与CS信号无关），到了SCK的第一个时钟周期的上升沿正好被从器件采样。

图中，注意看CS和MISO信号。我们可以看出，CS信号有效后，从器件立刻输

出了bit1（值为1）。

通常我们进行的SPI操作都是16位的。图5记录了第一个字节和第二个字

节间的相互衔接的过程。

第一个字节的最后一位在SCK的上升沿被采样，随后的SCK下降沿，从器件

就输出了第二个字节的第一位。

5.SPI总线的常见应用

所应用范围包括：应用在EEPROM,FLASH,实时时钟,AD转换器,还有数字信号处理器和数字信号解码器等。

6.SPI总线注意点

1) Master配置SPI接口时钟的时候一定要考虑从设备的操作时序要求，因为Master这边的时钟极性和相位都是以Slave为基准的。因此在时钟极性的配置上一定要确定Slave是在SCK的下降沿还是上升沿输出数据，是在SCK的上升沿还是下降沿接收数据。

2) 当Slave时钟频率小于Master时钟频率时，如果Master的SCK 的速率太快，会出现Slave接收到的数据不正确，而SPI接口又没有应答机制确认Slave是否接收到数据从而导致通信传输数据错误。

三、UART串口/RS232/RS422/RS485接口简介

1. 什么是UART串口

串口UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter_通用异步收发器,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。

2. 串口应用线路图示

典型的串口通信使用3 根线完成：

（1）地线，（2）发送，（3）接收

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 1

0100，0000 0

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 1

0100，0001 0

4.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、RS-232接口简介

RS-232 是个人计算机上的通讯接口之一，是由电子工业协会(Electronic Industries 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-232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：

a）DSR (DCE)数据发送准备好，Data Set Ready。

b）DTR 数据终端（DTE）准备好，Data Terminal Ready。

c）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DTE。

f）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TXD

b）接收RXD

3）1 个信号地线：

GND

实际应用图示

6. TTL和RS232的主要区别

RS232和TTL在软件协议层面是一样的:

RS232的标准中，和微控制器中的串行信号一样的，都是：