Discutimos os dois tipos de Interfaces Periféricas Universais em sistemas embarcados UART e I2S no Capítulo Ⅰ . Agora vamos aprender sobre I2C, ADC e barramento CAN no Capítulo Ⅱ .

O que é I2C?

I2C (Inter-Integrated Circuit) é um barramento serial half duplex de dois fios desenvolvido pela Philips, usado principalmente para comunicação entre chips em curto alcance e baixa velocidade. É um padrão de barramento amplamente utilizado no campo de controle de comunicação microeletrônica. É uma forma especial de comunicação síncrona, com vantagens como menos linhas de interface, métodos de controle simples e pequeno encapsulamento do dispositivo.

I2C pode transmitir informações entre nós multi-mestre e multi-salve usando apenas dois fios: SDA (dados seriais) e SCL (relógio serial). A taxa de transmissão de dados bidirecional serial de 8 bits pode atingir 100 Kbit/s no modo padrão, 400 Kbit/s no modo rápido e 3,4 Mbit/s no modo de alta velocidade. A conexão do dispositivo é mostrada na Figura 1.

Figura 1 Conexões mestre para escravo do barramento I2C

Como funciona o I2C?

Os dados na linha SDA devem ser estáveis ​​durante o período alto da linha SCL. O estado HIGH ou LOW da linha SDA só pode mudar quando o sinal de clock na linha SCL estiver baixo.

Figura 2 O sinal de dados síncronos

Condição inicial : quando SCL é ALTO e SDA salta de ALTO para BAIXO, a transmissão de dados começa.

Condição de Parada : Quando SCL é ALTO e SDA salta de BAIXO para ALTO, a transmissão de dados para.

Tanto a condição inicial quanto a condição de parada são emitidas pelos dispositivos mestres. Depois que a condição de partida é gerada, o barramento está em um estado ocupado. E depois que a condição de parada é gerada, o barramento é liberado e fica em estado inativo.

Em um estado inativo, SCL e SDA estão em níveis altos. O processo é mostrado na Figura 3 abaixo.

Figura 3 Condição de início e condição de parada

Sinal de reconhecimento: após a conclusão da transmissão de 1 byte, ou seja, dentro do 9º ciclo de clock SCL, o mestre precisa liberar o barramento SDA e passar o controle do barramento para o escravo. Devido à função do resistor pull-up, o barramento está em um nível alto neste momento. Se o escravo receber corretamente os dados enviados pelo mestre, ele puxará o SDA para baixo, indicando um sinal de reconhecimento.

Sinal de não reconhecimento : Quando o 9º ciclo de clock do SCL é atingido, o SDA permanece alto, indicando um sinal de não reconhecimento.

Cada byte deve ser garantido como 8 bits. Ao transmitir dados, o bit mais alto (MSB) é transmitido primeiro e cada byte transmitido deve ser seguido por um bit de confirmação (ou seja, um quadro tem um total de 9 bits). Se houver um sinal de não reconhecimento do escravo dentro de um determinado tempo, automaticamente é considerado que o escravo recebeu os dados corretamente, e o mestre envia uma condição de parada para encerrar a comunicação. O formato de transmissão de dados é mostrado na Figura 4.

Figura 4 Formato de transmissão de dados

I2C é geralmente usado para comunicação entre periféricos MCU ou vários MCUs. A interface I2C possui características de hardware simples e programação de software fácil.

O que é um conversor analógico para digital ( ADC )?

Em sistemas de instrumentos, muitas vezes é necessário converter os sinais analógicos em constante mudança detectados, como temperatura, pressão, taxa de fluxo, velocidade e intensidade da luz em sinais digitais discretos antes que possam ser inseridos em um computador para processamento. Esses sinais analógicos são convertidos em sinais elétricos (geralmente sinais de tensão) por meio de sensores e, após serem amplificados por amplificadores, precisam realizar certo processamento para se tornarem sinais digitais. O dispositivo que converte sinais analógicos em digitais é comumente chamado de conversor analógico-digital (ADC), abreviado como A/D.

O processo de conversão A/D é um processo de amostragem, retenção, quantificação e codificação. A ideia básica do ADC é comparar a tensão analógica de entrada com a tensão de referência (direta ou indiretamente) e convertê-la em uma saída digital. Existem três tipos de ADC: tipo de comparação paralela, tipo de aproximação sucessiva e tipo de integração dupla.

Ao usar o ADC, as preocupações mais importantes são a precisão da conversão e o tempo de conversão. A precisão da conversão é influenciada principalmente por fatores externos, como a estabilidade da tensão da fonte de alimentação e da tensão de referência, a estabilidade do amplificador operacional e a temperatura ambiente. Os fatores afetados pelo próprio chip incluem resolução, erro de quantização, erro relativo, erro linear e assim por diante.

O que é barramento CAN (rede de área do controlador)?

O nome completo do barramento CAN é Controller Area Network. É um barramento serial, síncrono e half duplex. Desenvolvido pela empresa BOSCH na Alemanha, esta interface periférica é um dos barramentos de campo mais utilizados internacionalmente.

As características do barramento CAN são as seguintes:

• Duas linhas de sinal, sinal diferencial.
• A taxa máxima pode chegar a 1 Mbps.
• O controlador CAN possui um poderoso mecanismo integrado de detecção e processamento de erros, com forte tolerância a falhas.
• Um quadro de uma mensagem CAN pode transmitir até 8 bytes de dados do usuário.
• Equipado com um mecanismo de arbitragem de barramento, pode formar um sistema multimestre.

O protocolo de comunicação CAN é o seguinte:

CAN especifica um total de 5 tipos de quadros, também conhecidos como pacotes. Os quadros de dados são os mais importantes e complexos na comunicação CAN. O quadro de dados começa com um bit explícito (lógica 0) e termina com sete bits implícitos consecutivos (lógica 1).

Acesso múltiplo por detecção de operadora (CSMA): Cada nó deve ouvir o barramento antes de tentar enviar uma mensagem. Somente quando o barramento está ocioso, ele pode ser enviado.

Collision Detection+Arbitration on Message Priority (CD+AMP): Resolve colisões por meio de prioridade de mensagem pré-programada por arbitragem de bit, com prioridade de mensagem localizada no domínio de identificação de cada mensagem. Mensagens com identificadores de prioridade mais alta sempre podem obter acesso ao barramento, o que significa que a última mensagem no identificador que permanecer logicamente alta continuará sendo transmitida porque tem prioridade mais alta.

Figura 5 Quadro de dados do barramento CAN

CAN padrão : Apenas um identificador de 11 bits é usado para determinar a prioridade de uma mensagem. Quanto menor o valor neste campo, maior a prioridade. Conforme mostrado na Figura 6.

Figura 6 Identificador CAN padrão de 11 bits

 

CAN Estendido : Um identificador de 29 bits. Conforme mostrado na Figura 7.

Figura 7 Identificador CAN estendido de 29 bits

O barramento CAN usa principalmente CAN de baixa velocidade (isto é, padrão ISO11898-3) no campo de controle industrial e usa CAN de alta velocidade de 125 Kbps no campo automotivo. O protocolo CAN é amplamente utilizado em todos os tipos de aplicações da indústria automotiva, incluindo carros de passeio, caminhões pesados ​​e veículos polivalentes, bem como veículos agrícolas.

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