No sistema embarcado, a interface refere-se ao caminho de comunicação ou barramento usado para conectar vários circuitos integrados com outros dispositivos periféricos. É a parte de conexão e estação de transferência para troca de informações entre o microcontrolador e o mundo exterior.

Por que precisamos de interfaces entre o MCU e os periféricos?

Há quatro razões principais listadas a seguir.

1. Os sinais do MCU e os dos periféricos são incompatíveis em termos de definição de função, definição de lógica, relação de temporização, etc.
2. A velocidade de processamento do MCU e do periférico não coincidem. Por exemplo, a velocidade do MCU é rápida enquanto a velocidade do periférico é lenta.
3. Se o MCU controlar diretamente a operação de periféricos sem a interface, isso tornará o MCU em uma situação difícil de lidar com periféricos e reduzirá bastante sua eficiência.
4. Se o periférico for controlado diretamente pelo MCU, isso fará com que a arquitetura de hardware do periférico dependa totalmente do MCU, dificultando assim o desenvolvimento do próprio periférico.

Introdução às Interfaces Universais

UART

O receptor-transmissor assíncrono universal, comumente conhecido como UART, é um transceptor assíncrono full-duplex, que faz parte do hardware do computador e transfere dados entre comunicação serial e comunicação paralela. Como um chip converte a entrada paralela em saída serial, o UART geralmente é integrado para conexão com outras interfaces de comunicação.

Uma vantagem exclusiva do UART é que ele pode transferir dados entre dispositivos usando apenas dois fios. Na comunicação UART, dois transceptores UART se comunicam diretamente entre si. O transmissor UART converte os dados paralelos da CPU em dados seriais e os transmite para o transceptor UART receptor. O transceptor UART receptor, portanto, converte os dados seriais de volta em dados paralelos para o dispositivo receptor. O fluxo de dados do pino TX do UART de envio para o pino RX do UART de recebimento é mostrado na Figura 1:

Figura 1. Diagrama de Conexão de Comunicação UART

O quadro de dados do protocolo de comunicação UART é descrito da seguinte forma:

1. Start bit : primeiro envia um sinal lógico "0", indicando o início da transmissão de caracteres.
2. Bit de dados : imediatamente após o bit de início. O número de bits de dados pode ser 4, 5, 6, 7, 8, etc., o que forma um caractere. O código ASCII é geralmente usado.
3. Bit de paridade : após adicionar este bit ao bit de dados, o número de bits de "1" deve ser par (para verificação par) ou ímpar (para verificação ímpar) para verificar a exatidão da transmissão de dados.
4. Bit de parada : É a marca final dos dados do caractere. Pode ser denominado com nível de alta tensão de 1 bit, 1,5 bit ou 2 bits. Quanto mais bits de parada estiverem envolvidos, mais estável e mais lenta será a transmissão de dados.
5. Bit ocioso : Está no estado lógico "1", significando que não há transmissão de dados no circuito atual.
6. Baud rate : a velocidade de transmissão de dados. Existem as seguintes velocidades: 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 43000, 56000, 57600, 115200. A taxa de transmissão deve ser definida com antecedência para garantir a transmissão de dados correta. O processo de transmissão de dados é mostrado na Figura 2

Figura 2. Quadro de dados UART

Princípio de Comunicação UART

Processo de transmissão de dados: Em um estado inativo, o circuito está em um nível alto. Ao receber o comando de transmissão de dados, reduza o nível do circuito para um bit de dados para o tempo T e, em seguida, envie os dados dos dígitos mais baixos para os dígitos mais altos. Após a conclusão da transmissão de dados, o bit de paridade e o bit de parada (o bit de parada está em um nível alto) são enviados para encerrar a transmissão de um quadro de dados.

Processo de recepção de dados: No estado inativo, o circuito está em um nível alto. Quando uma borda de queda de tensão é detectada no circuito, isso sugere que a transmissão de dados foi iniciada. E os dados são recebidos de dígitos menores para dígitos maiores de acordo com a taxa de transmissão acordada. Depois disso, um bit de paridade é recebido e comparado para verificar se a transmissão está correta. Se estiver correto, o dispositivo subsequente é notificado para se preparar para receber os dados ou armazená-los no cache.

No design embarcado, o UART é usado para comunicação entre o MCU e o equipamento auxiliar, como a comunicação entre o áudio do carro e APs externos. Ou a comunicação entre o MCU e o PC, incluindo o depurador de monitoramento e outros dispositivos, como EEPROM.

Nos módulos BLE, a transmissão transparente UART quase se tornou um recurso padrão. O módulo de transmissão serial transparente é extremamente conveniente de usar. Os desenvolvedores não precisam entender como a pilha de protocolo Bluetooth é implementada. Eles podem desenvolver facilmente produtos sem fio com os módulos BLE com transmissão transparente UART.

A Shenzhen RF-star Technology, como fabricante de módulos IoT sem fio , fornece os módulos BLE seriais UART baseados em SoCs de TI CC2640 CC2642 CC264X, CC26X2, Silicon Labs EFR32BG22, Nordic nRF52832 nRF52810 e outras soluções domésticas. Suportando Bluetooth 4.2/5.0 na transmissão e recepção de dados, eles são de nível industrial, tamanho compacto e possuem consumo de energia ultrabaixo. Eles facilitam aos usuários o rápido desenvolvimento de aplicativos Bluetooth a um custo extremamente baixo.

SPI

SPI é a abreviação de Serial Peripheral Interface. A interface SPI é usada principalmente entre EEPROM, FLASH, relógio em tempo real, controlador de rede, driver de exibição LCD, conversor AD, processador e decodificador de sinal digital e outros dispositivos.

Como um barramento de comunicação síncrono full-duplex de alta velocidade, o SPI precisa de apenas quatro pinos de um chip, economizando assim os pinos do IC e também o espaço no layout do PCB.

Seus quatro pinos principais são os seguintes:

• MOSl - saída mestre e entrada escrava, usada para transferir dados de um dispositivo mestre para um escravo.
• MISO - entrada mestre e saída escrava, usada para transferir dados de um dispositivo escravo para um mestre.
• SCK - relógio serial, que é a saída de relógio do dispositivo mestre para sincronização.
• SS/CS - seleção de dispositivo escravo, que é atribuído ao dispositivo mestre para selecionar um dispositivo escravo de vários escravos. Ele insere um sinal efetivo de baixo nível para selecionar um dispositivo escravo específico.
• A conexão Mestre-Escravo é mostrada na Figura 3.

Figura 3. Conexão SPI Mestre-Escravo

Em um ciclo de clock SPI, a transmissão de dados deve passar pelas seguintes operações:

1. O mestre envia dados de 1 bit por meio do MOSI e o escravo lê os dados de 1 bit por meio do circuito.
2. O escravo envia dados de 1 bit através do MISO e o mestre lê os dados de 1 bit através do circuito.

Isso é obtido por meio de registradores de deslocamento. O mestre e o escravo têm, cada um, um registrador de deslocamento e ambos estão conectados em um anel. No ritmo do pulso do clock, os dados movem-se para fora do registrador mestre e do registrador escravo, na sequência do dígito mais alto primeiro e do dígito mais baixo por último, e então movem-se no registrador escravo e no registrador mestre. Quando a movimentação é concluída nos registros, a troca de conteúdo entre eles é concluída. A transmissão de dados é mostrada na Figura 4.

Figura 4. Transmissão de Dados SPI

Na operação SPI, as duas configurações mais importantes são a polaridade do relógio (CPOL) e a fase do relógio (CPHA). A polaridade do clock define o nível de tensão quando o clock está ocioso e a fase do clock define a borda do clock para leitura e envio de dados.

O mestre e o escravo enviam dados ao mesmo tempo e ambos recebem dados ao mesmo tempo. Portanto, para garantir a comunicação correta entre eles, seus SPIs devem ter a mesma polaridade de clock e fase de clock.

• Se CPOL=0, o estado ocioso do relógio síncrono serial está em um nível baixo.
• Se CPOL=1, o estado ocioso do relógio síncrono serial está em um nível alto.
• Se CPHA=0, os dados são coletados na primeira borda de salto (aumento ou queda) do relógio síncrono serial.
• Se CPHA=1, os dados são coletados na segunda borda de salto (aumento ou queda) do relógio síncrono serial.

As figuras a seguir mostram o processo de comunicação em quatro modos.

Figura 5. CPOL=0, CPHA=0

Figura 6. CPOL=0, CPHA=1

Figura 7. CPOL=1, CPHA=0

Figura 8. CPOL=1, CPHA=1

Nos próximos capítulos, discutiremos mais sobre outras interfaces periféricas, por exemplo, I2C, USB, ADC e CAN. Fique atento!

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Shenzhen RF-star Technology Co., Ltd. (RF-star) é uma empresa de alta tecnologia com foco em dispositivos de radiofrequência e foi certificada pela Texas Instruments como uma IDH terceirizada de produtos de RF de baixa potência por mais de uma década . RF-star fornece fio IoTess e uma gama completa de soluções, incluindo BLE, Wi-Fi, Matter, Wi-SUN, Sub-1G, ZigBee, Thread, etc. Para mais informações, visite o site da empresa https://www.rfstariot.com / ou contate-nos em info@szrfstar.com.