INTERFEE DE COMUNICAIE SERIAL LA

MICROCONTROLLERE

2

INTERFEE DE COMUNICAIE

Se folosete comunicaia serial ntre microcontroller i alte subsisteme, pentru economie de pini la capsul

Multe MC au incluse att interfee de comunicare sincrone ct i asincrone Interfaa serial asincron este numit de obicei serial communication

interface (SCI sau UART) Interfaa serial sincron e numit de obicei serial peripheral interface

(SPI) De obicei (dar nu obligatoriu) o magistral serial sincron include o

linie separat de clock se simplific astfel interfaa ntre emitor i receptor linia de ceas e susceptibil la zgomot n cazul distanelor mari

La magistrala serial asincron ceasurile emitorului i receptorului sunt independente i se face o re-sincronizare pentru fiecare bit sup bitul de start

3

INTERFEE SERIALE

Utilizate, n general, pentru a conecta circuite periferice la microcontroller, n cadrul unui EmS

Aceste interfee permit conectarea de dispozitive diverse, cum ar fi: ceas de timp real (RTC - real-time clock) memorii nevolatile pentru stocarea unor parametrii interfee cu senzori i multe altele

Sunt interfee de pre redus i uor de implementat

4

SPI - Serial Peripheral Interface SPI a fost dezvoltat de Motorola pentru a furniza o interfa simpl

i de cost redus ntre microcontrollere i dispozitive periferice SPI e numit uneori interfa cu patru fire Poate fi utilizat pentru interfaarea diverselor dispozitive, cum ar fi:

memorie (stocare date) convertoare analog-digitale convertoare digital-analoge RTC i calendare RTC LCD drivers sensori chip-uri audio alte microcontrollere .... domeniul componentelor cu interfa SPI crete continuu

5

Serial Peripheral Interface

SPI este o interfa serial sincron toate transmisiile sunt sincronizate cu un semnal de ceas comun

furnizat de master (microcontroller) Perifericul receptor (sclav) utilizeaz semnalul de ceas

la achiziia fluxului de bii seriali Exist posibilitatea de a conecta mai multe dispozitive la

aceeai interfa SPI a master-ului Un master selecteaz un sclav prin activarea intrrii sale de chip

select Un periferic ne-selectat nu va lua parte la transferul SPI

6

Serial Peripheral Interface SPI utilizeaz patru semnale:

1. Master Out Slave In (MOSI)2. Master In Slave Out (MISO)3. Serial CLock (SCLK sau SCK)4. Chip Select (/CS) for the peripheral

Unele procesoare au un semnal de chip select dedicat pentru SPI, numit Slave Select (/SS)

MOSI este generat de master i recepionat de scalv La unele chip-uri MOSI este numit Serial In (SI) sau Serial Data In

(SDI) MISO este produs de sclav, dar generarea sa este controlat de

master MISO este uneori numit Serial Out (SO) sau Serial Data Out (SDO)

Semnalul de chip select ctre periferice este de obicei generat cu ajutorul unui pin de I/O digital a masterului

7

INTERFAA SPI

8

TRANSMISIA SPI Master-ul i scalvii conin cte un registru cu deplasare serial a datelor

(serial shift register) Master-ul ncepe transferul unui octet prin scrierea acestuia n registrul su

SPI de serializare. Pe msur ce se face transmisia serial ctre sclav (prin linia MOSI),

sclavul transfer coninutul registrului su de serializare (prin linia MISO) ctre master

n acest fel se face schimb al informaiilor stocate n cele dou registre de serializare

Dac se dorete doar o scriere, master-ul va neglija octetul recepionat n acest fel se face schimb al informaiilor stocate n cele dou registre de

serializare

9

SPI

Unele periferice cu interfa SPI permit transfer de mai muli octei se transfer un flux continuu de date de la master multe memorii cu interfa serial SPI lucreaz n acest fel la acest tip de transfer semnalul /CS rmne activ pe toat durata

transferului de exemplu: o memorie ateapt ca o comand de write s fie urmat

de patru octei de adres (adresa de start) i apoi octeii de date ce vor fi stocai

Alte periferice sclav ateapt doar un singur octet de control, cum ar fi de exemplu un convertor A/D

Unele dispozitive sclav permit conectarea n lan de prioriti (daisy-chained)

10

DAISY-CHAINED TRANSFER

n acest exemplu procesorul (master) transmite trei octei prin interfaa SPI Primul octet e transferat n sclavul A La transferul celui de-al doilea octet n A, primul e transferat ctre B Al treilea octet n A, al doilea n B i primul n C

Dac masterul dorete s citeasc un rezultat din A, el va transfera o secven fictiv de 3 octei prin MOSI

Conectarea n lan nu funcioneaz cu orice dispozitiv SPI (niciodat cu dispozitivele de memorie care cer un transfer multi-octet)

11

SCI SCI (UART) este o interfa de comunicaie asincron (Universal

Asynchronous Receiver Transmitter, UART) UART utilizeaz dou fire transmit (TXD) i receive (RXD), pentru

comunicaie full- sau half-duplex. Standardul RS-422 e proiectat de asemenea pentru comunicaie

punct la punct dar utilizeaz dou linii difereniale pentru transmisie (att RXD ct i TXD constau din perechi de fire torsadate)

RS-422 se folosete la distane mai mari i este o alegere bun pentru medii cu zgomot.

UART :

UART frame format

12

INTERFEE SERIALE SINCRONE

USART (Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter) are o a treia linie pentru ceas.

IIC (I2C) (The Inter-IC bus) este o magistral sincron multi-master ce funcioneaz pe principiul master slave. Folosete dou linii, pentru comunicaie half-duplex : SCL (Serial Clock Line) SDL (Serial Data Line), numit uneori SDA (Serial DAta)

SCL

SDL data line

clock line

master 1 master 2

slave 1 slave 2 slave 3

13

Generaliti I2C

I2C (Inter-Integrated Circuit numit i IIC) este o magistral ieftin i eficient

I2C este o magistral sincon, bidirectional, de vitez mic Conectarea / deconectarea unor dispozitive la I2C nu afecteaz alte

dispozitive I2C este o magistral multi-master Viteza datelor n mod standard este de 100 kbps, iar n mod extins

de 400 kbps Fiecare dispozitiv conectat la I2C are o adres unic i poate lucra

ca transmitor sau receptor I2C mai este numit TWI (Two-Wire serial Interface)

14

Generaliti I2C

Ambele linii (SDA i SCL) sunt activate de circuite open-drain Liniile sunt conectate la tensiunea pozitiv prin

rezistoare de pull-up, astfel c n repaus sunt la nivel HIGH

15

Transfer de date pe I2C

Cnd linia este liber att SDA ct i SCL sunt la nivel SUS O tranzacie pe I2C ncepe cu SDA tras JOS, urmat de semnal

pe SCL Dac SCL este JOS, iar pe SDA se face o tranziie SUS-JOS

urmeaz o transmisie ("START condition) Pentru fiecare bit de date transmis (SDA) valoarea logic

trebuie s se pstreze neschimbat pe durata SCL n stare SUS Valoarea binar de date e eantionat pe frontul cresctor al

SCL. Tranzacia se ncheie cu SCL SUS i o tranziie jos-sus pe

SDA ("STOP condition) Doar un master poate genera semnal de ceas pe SCL

16

Transfer de date pe I2C

17

Aspecte funcionale Sclavul poate prelungii perioada JOS a ceasului (nu i pe cea

SUS) att ct este necesar. Oricare receptor poate trage, dac este nevoie, SCL jos (bit/eveniment de WAIT) pentru a ntrzia un octet de date care urmeaz unui octet ce a sosit la aceeai adres.

Dac dou dispozitive ncearc s controleze aceeai linie (SDL sau SCL) circuitele cu colector n gol previn erorile fizice, iar fiecare din cei doi masteri trebuie s asculte magistrala n timpul transmisiei pentru a fi sigur c nu interfereaz cu alt mesaj

Dup fiecare 8 bii transmii pe SDL urmeaz un semnal (eveniment) de ACKNOWLEDGE (confirmare). Pentru a confirma recepia corect, prin ACK, receptorul trage SDL jos pe timpul celui de-al noulea impuls de ceas

18

Semnalizare de acknowledgement(bit ACK)

Generat ntotdeauna de receptor (master sau sclav)

ACK

dup recepia corect a adreseidup recepia corect a unui octet de date

SclavMaster transmitor

Master receptor SclavACK

dup recepia corect a unui octet de date

19

Nivelul legturii de date

Fiecrui dispozitiv I2C i se aloc o adres. Adresele unice ale dispozitivelor sunt determinate de proiectantul sistemului, de obicei ca parte a programului driver pentru I2C.

O adres de dispozitiv are 7 bii conform standardului I2C (la I2C extins adresele pot fi de 10 bii)

Adresa 0000000 este utilizat pentru a semnala un apel general ("general call") sau emisie pentru magistral ("bus broadcast"), care poate fi folosit pentru a semnala / transmite simultan ctre toate dispozitivele.

Adresele 11110XX sunt rezervate pentru schema extins cu adres pe 10 bii; exist de asemenea i alte adrese rezervate.

20

Nivelul legturii de date

O tranzacie de magistral const dintr-o serie de octei transmii: o adres i apoi unul sau mai muli octei de date.

Format pentru transmisia adresei la I2C:

Adres dispozitiv R/W

7bii 1bit

21

ARBITRARE I2C

I2C este o magistral multi-masterMai multe dispozitive master pot porni transmisia n acelai timp !!

Master transmite: un bit 0 dac trage SDA jos un bit 1 dac las linia SDA n stare sus

Dac doi masteri ncep transmisia simultan, cel ce transmite 1 i citete 0 pe magistral va renuna pentru c a detectat o transmisie cu prioritate mai mare

Protocolul de arbitrare e numit protocol cu bit dominant, sau Binary Countdown

22

Un pachet I2C

23

Adrese speciale Adresa 0000000 cu bit de direcie 0, este un apel general (general call

sau "bus broadcast) care pornete transmisia ctre toate dispozitivele I2C Prin acest apel general dispozitivul master determin ce sclavi sunt

disponibili Al doilea octet al transmisiei indic scopul apelului general Dup acest al doilea octet sclavii afl dac comanda le este adresat i rspund

cu ACK Sclavii pentru care comanda nu e aplicabil neglijeaz apelul general

Dac al doilea octet este 0x06 (00000110), se indic c sclavii vor face un reset i apoi vor rspunde cu adresa lor.

Dac al doilea octet este 0x04 (00000100), sclavii vor rspunde cu adresa lor, dar nu vor face i reset

Dac cel mai puin semnificativ bit la octetului doi este un 1, atunci, prin apelul general, masterul se identific ctre ali masteri din sistem prin transmiterea adresei sale

Ceilali bii ai celui de-al doilea octet reprezint adresa masterului

24

Adrese speciale

Adresa 0x01 (00000001) este o adres special cunoscut ca i octet de START

Acest octet e utilizat pentru a indica c urmeaz un transfer lung de date

Aceast adres special este important pentru dispozitivele master ce nu au interfa specializat I2C i care prin software trebuie s testeze continuu magistrala

Atunci cnd un asemenea master detecteaz un octet de START generat de alt master, el poate reduce rata de interogare, alocnd mai mult timp pentru alte sarcini software

25

Adrese speciale

Adresa 11110XX este adresa special care indic c se va genera o adres de dispozitiv pe 10 bii

Se folosete n modul extins al I2C Teoretic se pot controla pn la 1,024 periferice n acelai sistem pot exista dispozitive cu adrese pe 7 i 10 bii La adrese pe 10 bii, adresarea se face prin doi octei succesivi

(ultimii 2 bii ai adresei speciale + 8 bii din al doilea octet) n acest caz perifericele cu adrese pe 7 bii vor ignora tranzacia

26

Transmitor / receptor asincornuniversal (UART)

Transferul serial de I/O se face pe un singur fir pentru fiecare direcie Toate interfeele transmitor seriale convertesc datele paralele ntr-un flux

binar serial, iar receptoarele fac conversia invers O asemenea comunicaie serial se poate face de exemplu ntre:

calculator i printer calculator i un control la distan calculator i terminal pentru reea Ethernet .......................

La EmS interfaa serial este metoda cea mai simpl i ieftin pentru conectarea unui calculatorul gazd, fie ca parte a aplicaiei, fie pentru scop de depanare

Cea mai simpl interfa serial asincrpon este UART (the Universal Asynchronous Receiver Transmitter)

UART este numit de asemenea ACIA (Asynchronous Communication Interface Adapter)

27

UART

UART este asincon pentru c nu se transmite semnal de ceas prin linia de date serial

Receptorul recunoate valorile binare individuale fr o linie comun de ceas

Interfaa UART const din dou pri: un receptor (receiver - Rx) care convertete un flux serial de bii n date

paralele (cuvinte) pentru microprocesor un transmitor (transmitter - Tx) care convertete date paralel de la

microprocesor ntr-un flux serial de bii, pentru transmisie UART furnizezaz i informaie de stare, cum ar fi receptorul

este plin (datele au ajuns) sau transmitorul este gol (o transmisie n curs s-a terminat)

28

Diagram funcional UART

29

Transmisie serial

O problem important asociat cu transmisia serial este reconstrucia datelor la captul de recepie

Apar dificulti n determinarea granielor dintre biii individuali De exemplu, dac linia serial este jos pentru un anumit timp,

receptorul trebuie s fie capabil s identifice dac informaia reprezint "00" sau "000

Trebuie s se tie unde se oprete un bit i unde ncepe cellalt Fiecare dispozitiv implicat n comunicaia serial are propriul

semnal de ceas local Dispozitivele emitor i receptor trebuie s lucreze la aceeai

frecven, iar n plus trebuie s existe logic pentru detectarea fazei datelor transmise i pentru sincronizarea ceasului receptorului la aceast faz

Transmisia asincron este utilizat n special la transmisa caracterelor i la sisteme unde intervalul dintre transmisa octeilor se poate modifica n timp

30

Transmisie serial

Formatul datelor transmise utilizeaz la nceputul transmisiei pentru fiecare caracter un bit de start i la sfrit unul sau doi bii de stop

Receptorul i sincronizeaz ceasul dup recepionarea bitului de start i apoi eantioneaz biii de date (7 sau 8 n funcie de configuraia sistemului)

Dac receptorul nu primete secvena de stop, presupune c ceasul su este defazat fa de al emitorului i se declar o eroare de cadru

Rezolvarea erorii cade n seama aplicaiei software

31

Asynchronous serial data

32

Detecia erorilor de paritate Pentru a detecta erorilor, multe sisteme folosesc bitul de

paritate, pentru verificarea datelor recepionate Bitul de paritate e calculat de transmitor i e inclus n cadrul

de date Receptorul calculeaz paritatea pentru fiecare octet recepionat

Dac bitul de paritate calculat este identic cu cel recepionat, receptorul presupune c nu sunt erori

Pentru o transmisie corect, emitorul i receptorul trebuie s utilizeze acelai tip de paritate (even parity sau odd parity)

Erorile de paritate trebuie tratate de programatorul sistemului UART nu ia nici o msur la detectarea erorii de paritate

33

RS-232C

RS-232C este un standard de interfa de comunicaie serial aprut nc din anii 60 ai secolului trecut

RS-232C este utilizat pentru interfaarea dispozitivelor seriale printr-un cablu cu lungime maxim de 25 m i o rat maxim de 38.4 kbps

Se poate folosi pentru conectare la: Alte calculatoare Modem Imprimante seriale Plottere seriale ......

34

RS-232C

RS-232C folosete tensiuni referite fa de mas (transmisie unipolar) : Un logic high este un semnal cu tensiunea n domeniul -5 la -15 V (tipic

-12 V) Un logic low este un semnal cu tensiunea n domeniul +5 la +15 V

(tipic+12 V) Terminologia utilizat pentru RS-232C dateaz de asemenea

din anii 60. Un semnal high /tensiune negativ (1 logic) era numit "space" iar low (0)

era numit "mark Unele sisteme RS-232C nc utilizeaz cadre de date pe 7 bii,

iar altele 8 bii

35

RS-232C

O legtur RS-232C const dintr-un driver i un comparator:

36

RS-232C

RS-232C definete de asemenea conectorii i alocarea pinilor RS-232C a fost conceput iniial pentru interconectarea a dou

tipuri de echipamente: Data Terminal Equipment (DTE) Data Communication Equipment (DCE)

nainte de apariia PC-urilor un DTE era un terminal sau un teletype, iar un DCE era un modem

37

RS-232Cconectare a unui terminal sau a unui modem la

intzerfaa serial a calculatorului Cum conectm un terminal sau un modem la interfaa serial a unui

calculator ? Calculatorul este DTE sau DCE?

Standardul RS-232C spune c dac un terminal este la un capt al legturii, la cellalt capt este un DCE

Dac se conecteaz un modem la un calculator, calculatorul va fi DTE

Dac se conecteaz un terminal la o staie Unix workstation, standardul RS-232C spune c staia de lucru este un DCE

38

Conectri RS-232C

Pentru a conecta un PC la un modem e nevoie de un cablu DTE-DCE

Pentru a conecta un PC la un terminal e nevoie de un cablu DTE-DTE

Pentru a conecta o staie Sun la un PC e nevoie de un cablu DCE-DTE null modem (unde Rx i Tx sunt inversate)

Pentru a conecta dou PC-uri e nevoie de un cablu DTE-DTE null modem

.. Pentru doar dou tipuri de dispozitive (DTE i DCE) e nevoie

de o sumedenie de cabluri cu permutri ale terminalelor

39

Conexiuni RS-232C Conexiuni standard pentru conectori cu 25 pini i 9 pini. Numele

semnalelor sun referite la DTE. De exemplu, Tx se refer la datele transmise de la DTE i recepionate la DCE

Signal Function 25-pin 9-pin Direction

Tx Transmitted Data 2 3 From DTE to DCE

Rx Received Data 3 2 To DTE from DCE

RTS Request To Send 4 7 From DTE to DCE

CTS Clear To Send 5 8 To DTE from DCE

DTR Data Terminal Ready 20 4 From DTE to DCE

DSR Data Set Ready 6 6 To DTE from DCE

DCD Data Carrier Detect 8 1 To DTE from DCE

RI Ring Indicator 22 9 To DTE from DCE

FG Frame Ground (chassis) 1 - Common

SG Signal Ground 7 5 Common

40

Shake Hands Atunci cnd se face transmisie serial, trebuie s existe o cale de a

mpiedica transmitorul s transmit noi date nainte ca receptorul s fi avut ansa s termine prelucrarea datelor anterioare

Protocolul este numit comunicare cu confirmare (handshaking), sau controlul fluxului de date (flow control)

Conform acestui protocol dup transmiterea unui octet (sau pachet de date), transmitorul nu va mai trimite nimic pn la confirmarea c receptorul este gata pentru o nou transmisie

Exist trei forme de handshaking: Hardware Software Fr confirmare

41

NO-HANDSHAKING

Se utilizeaz atunci cnd transmisia este mult mai lent dect procesul de recepie De exemplu, dac se folosete un sistem embedded simplu ce lucreaz la 1

MHz i care transmite date ctre un calculator de mare vitez ce lucreaz la 4 GHz

Chiar dac viteza de prelucrare a receptorului este foarte mare, dac maina ruleaz un sistem de operare obinuit, pot exista situaii cnd nu face fa la fluxul de date de intrare

n aceste situaii, o soluie practic bun este s se includ handshaking Dac se folosete un port serial pentru a furniza o interfa a calculatorului

cu un utilizator uman, este sigur c omul nu poate tipri suficient de repede ca s pun calculatorul n dificultate

Ca urmare, dac utilizai porturile seriale doar pentru accesul utilizator, sau pentru depanare, nu este nevoie de handshaking

42

Hardware handshaking

Utilizeaz dou semnale ale interfeei RS-232C: RTS (Request To Send) CTS (Clear To Send)

Cnd transmitorul dorete s transmit, activeaz RTS, anunnd receptorul c sunt date de furnizat

Receptorul activeaz CTS atunci cnd este gata s recepioneze noi date fluxul de date este limitat la viteza cu care acestea pot fi prelucrate.

43

Software handshaking Este cunoscut i sub numele XON/XOFF Se utilizeaz doar la sistemele unde nu se poate implementa

protocolul hardware, aa cum se ntmpl la transmisia prin linie telefonic

Software handshaking folosete dou caractere pentru a indica o cerere de suspendare a transmisiei ("suspend transmission) , respectiv un caracter de gata pentru reluare ("clear to resume)

Acestea sunt caracterele Ctrl-S (0x13) i Ctrl-Q (0x11) Dac se transmite doar text ASCII, totul va fi OK Dac se transmit date binare, datele pot fi interpretate ca i

caractere de control Soluia obinuit const n pre-procesarea datelor nainte de transmisie,

prin conversie n caractere ASCII De exemplu octetul 0x2F se transform n caracterul ASCII "2" (0x32)

plus "F" (0x46) Programele de la receptor vor face conversia invers n date binare

44

Implementarea unei interfee RS-232C

Multe MC incorporeaz cel puin un UARTpe chip, astfel c este necesar doar logic extern pentru conversia la / de la nivelurile de tensiune RS-232C

De exemplu se poate utiliza un transceiver MAX3222

45

RS-422

RS-422 este o interfa ce utilizeaz tensiune diferenial (ntre dou linii) pentru a transmite datele binare

Permite lucrul n mediu cu interferen, pentru c diferena de tensiune ntre firele torsadate rmne aceeai

RS-422 poate face transmisii de date pe cablu cu lungime de pn la 1.200 m

46

RS-422

Legtura RS-422 conine un driver (D) i un receptor (R) legate printr-o pereche de fire torsadate

Rt rezisten terminare, anti-reflexie, de obicei de 100-120 .

47

RS-422

Diferenele de tensiune dintre cele dou fire se ncadreaz n intervalul4 V i 12 V

48

Interfa RS-422 bidirecional

49

RS-485 RS-485 este o variant a RS-422 utilizat pentru legarea dispozitivelor ntr-

o reea de cost sczut n aplicaii industriale Permite mai multor noduri s schimbe informaii prin dou fire RS-485 este o arhitectur a master-slave

Toate tranzaciile sunt iniiate de master, iar sclavul transmite doar atunci cnd i se cere acest lucru

Reeaua RS-485 folosete circuite transceiver, cum este Maxim MAX3483

50

Conectarea unui MAX3483 la un MC

51

PWM Este controllerul folosit de obicei pentru operaii de conversie DA PWM = Pulse Width Modulation

De exemplu pentru un factor de umplere de 50% i o amplitudine a formei de und dreptunghiulare de 5 V, tensiunea medie pe ciclu este 2.5 V

De exemplu pentru un factor de umplere de 10% i o amplitudine a formei de und dreptunghiulare de 5 V, tensiunea medie pe ciclu este 0.5 V

La ieirea PWM se folosete n acest caz un FTJ PWM poate fi folosit pentru a controla viteza unui motor electric PWM poate fi utilizat pentru a comanda intensitatea luminoas (reglabil)

printr-un LED PWM poate fi utilizat pentru generarea de tonuri audio