積木式數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中串行通信接口協(xié)議的選擇

孫群中　李學(xué)海

摘 要： 本文介紹MCU應(yīng)用開發(fā)中常用的串行通信接口協(xié)議，并結(jié)合各接口協(xié)議在本項(xiàng)目中的應(yīng)用進(jìn)行比較分析和選擇，確定通用積木塊的串行通信接口協(xié)議，以及其他接口協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞： 積木式數(shù)據(jù)傳輸 實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 串行通信 接口協(xié)議

在我們承擔(dān)的《基于MCU的積木式數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研究》項(xiàng)目中，要實(shí)現(xiàn)一些以MCU為核心的具有不同功能的模塊電路——積木塊，這些積木塊通過各種不同的接口，可以像搭積木一樣組合實(shí)現(xiàn)各種不同形式的數(shù)據(jù)傳輸。

在積木塊內(nèi)部或積木塊之間進(jìn)行串行通信，就得根據(jù)具體的需要，事先確定好串行通信接口協(xié)議。為方便項(xiàng)目的開發(fā)和應(yīng)用，我們盡量使用標(biāo)準(zhǔn)化的接口協(xié)議，如UART，I2C，SPI等。下面筆者就簡(jiǎn)單介紹MCU應(yīng)用開發(fā)中常用的串行通信接口協(xié)議，并結(jié)合各接口協(xié)議在本項(xiàng)目中的應(yīng)用進(jìn)行比較分析和選擇。

1. 常用的串行通信協(xié)議

（1）UART總線協(xié)議

UART的全稱是“Universal Asynchronous Receiver/Transmitter”，意為“通用異步收發(fā)傳輸器”，是一種異步收發(fā)傳輸器，是電腦硬件的一部分，廣泛應(yīng)用于MCU應(yīng)用開發(fā)中。UART可以將數(shù)據(jù)在串行通信與并行通信間進(jìn)行傳輸轉(zhuǎn)換，即在MCU內(nèi)部以字符為單位進(jìn)行并行處理，而在線路上逐個(gè)比特串行傳輸。UART可用于全雙工點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，一條線接收（RX），另一條線發(fā)送（TX）。

通常MCU的UART接口不能直接和DTE（Data Terminal Equipment，數(shù)據(jù)終端設(shè)備）設(shè)備對(duì)接，需要通過電平轉(zhuǎn)換芯片將UART接口的TTL電平轉(zhuǎn)換成RS232C、RS485或RS422的接口電平，然后才能和具有對(duì)應(yīng)接口的DTE設(shè)備對(duì)接。

由Motorola公司推出的串行通信接口SCI（Serial Communication Interface）是一種UART接口。

（2）I2C總線協(xié)議

I2C的全稱是“Inter-Integrated Circuit”（在中國(guó)一般讀作“I方C”，也可寫作“IIC”），意為“內(nèi)部整合電路”，是由PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接MCU及其外圍設(shè)備。它是同步通信的一種特殊形式，具有接口線少，控制方式簡(jiǎn)單，器件封裝形式小，通信速率較高等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)連接到I2C總線的器件都可以通過唯一的地址和一直存在的簡(jiǎn)單的主機(jī)/從機(jī)關(guān)系軟件設(shè)定地址，主機(jī)可以作為主機(jī)發(fā)送器或主機(jī)接收器。I2C使用多主從架構(gòu)，如果兩個(gè)或更多主機(jī)同時(shí)初始化，數(shù)據(jù)傳輸可以通過沖突檢測(cè)和仲裁防止數(shù)據(jù)被破壞。AVR序列單片機(jī)內(nèi)部集成TWI（Two-wire Serial Interface）總線，是對(duì)I2C總線的繼承和發(fā)展，可以看做一類。

（3）SPI總線協(xié)議

SPI的全稱是“Serial Peripheral Interface”，意為“串行外設(shè)接口”，是Motorola公司首先在其MC68HCXX系列處理器上定義的一種同步串行外設(shè)接口，它可以使MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信以交換信息。SPI接口主要應(yīng)用在EEPROM、FLASH、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、AD轉(zhuǎn)換器上，還有數(shù)字信號(hào)處理器和數(shù)字信號(hào)解碼器之間。

在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信中，SPI接口不需要進(jìn)行尋址操作，且為全雙工通信，顯得簡(jiǎn)單高效。在多個(gè)從器件的系統(tǒng)中，每個(gè)從器件需要獨(dú)立的使能信號(hào)。

（4）USART總線協(xié)議

USART全稱是“Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter”，意為“通用同步/異步收發(fā)傳輸器”，是一個(gè)高度靈活的串行通信設(shè)備。USART相對(duì)UART來說是在異步通信的基礎(chǔ)上還有同步的功能，USART能夠提供主動(dòng)時(shí)鐘。USART可以配置成UART或SPI模式，AVR USART對(duì)AVR UART完全兼容。

（5）1-wire總線協(xié)議

1-Wire協(xié)議是美國(guó)Maxim/Dallas公司開發(fā)的一種單線總線協(xié)議，簡(jiǎn)稱“單總線”。系統(tǒng)由一臺(tái)主機(jī)和若干臺(tái)從機(jī)通過一條線連接而成，主機(jī)由此完成對(duì)從機(jī)的尋址、控制、數(shù)據(jù)傳輸甚至供電（當(dāng)然一條功能線之外還有地線，如需由主機(jī)供電，還要有電源線）。1-Wire協(xié)議采用單根信號(hào)線，既傳輸時(shí)鐘，又傳輸數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)傳輸是雙向的。它具有節(jié)省I/O口線資源，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，便于總線擴(kuò)展和維護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)。

1-Wire協(xié)議適用于單個(gè)主機(jī)系統(tǒng)，控制一個(gè)或多個(gè)從機(jī)設(shè)備。當(dāng)只有一個(gè)從機(jī)位于總線上時(shí)，系統(tǒng)可按照單節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)操作，而當(dāng)多個(gè)從機(jī)位于總線上時(shí)，則系統(tǒng)按照多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)操作。

主機(jī)一般由MCU組成，從機(jī)由Maxim/Dallas提供的1-Wire器件構(gòu)成，每個(gè)1-Wire器件內(nèi)嵌唯一的地址碼，以實(shí)現(xiàn)主機(jī)對(duì)不同從機(jī)的尋址。主機(jī)可通過各種方式聯(lián)入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。作為一種單主機(jī)多從機(jī)的總線系統(tǒng)，在一條1-Wire總線上可掛接的從器件數(shù)量幾乎不受限制。

（6）USB總線協(xié)議

USB全稱是“Universal Serial Bus”，意為“通用串行總線”，是1994年底由Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、Northern Telecom等七家世界著名的計(jì)算機(jī)和通信公司共同推出的一種新型接口標(biāo)準(zhǔn)。USB具有傳輸速度快（USB1.1是12Mbps，USB2.0是480Mbps，USB3.0是5 Gbps），使用方便，支持熱插拔，連接靈活，獨(dú)立供電等優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)閁SB已經(jīng)替代并行和串行接口，成為PC的標(biāo)配，所以MCU與PC之間的連接越來越多地采用USB接口，一般是通過USB轉(zhuǎn)UART電路，將MCU的UART與PC的USB連接起來。

（7）SDIO總線協(xié)議

SDIO的全稱是“Secure Digital Input and Output”，意為安全數(shù)字輸入輸出，是SD型的擴(kuò)展接口。SDIO除了可以接SD卡外，還可以接支持SDIO接口的設(shè)備，插口的用途不止是插存儲(chǔ)卡。支持SDIO接口的PDA、筆記本電腦等都可以連接像GPS接收器、WiFi或藍(lán)牙適配器、調(diào)制解調(diào)器、局域網(wǎng)適配器、條形碼讀取器、FM無線電、電視接收器、射頻身份認(rèn)證讀取器或者數(shù)碼相機(jī)等采用SD標(biāo)準(zhǔn)接口的設(shè)備。

SDIO協(xié)議可以支持三種操作模式：SPI、SD一線，SD四線（接口通過寄存器來配置）。SPI速度較低，一線或者四線需要寄存器來選擇，高速模式下需要四線支持。

（8）CAN總線協(xié)議

CAN的全稱為“Controller Area Network”，意為控制器局域網(wǎng)，是由研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國(guó)BOSCH公司開發(fā)的，并最終成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO11898），是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。

CAN總線是德國(guó)BOSCH公司從20世紀(jì)80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。通信速率可達(dá)1MBPS。

（9）GPIO總線協(xié)議

GPIO的全稱為“General-Purpose Input/Output ports”，意為“通用IO口”，即可以根據(jù)使用者的需要將某個(gè)接口引腳設(shè)置成輸入、輸出或其他特殊功能。GPIO的功能類似8051的P0～P3。GPIO是一種非常重要的I/O接口，具有使用靈活、可配置性好、硬件代價(jià)小等優(yōu)點(diǎn)。

（10）RJ45 以太網(wǎng)接口協(xié)議

10/100 Base-T RJ45接口是常用的以太網(wǎng)接口，支持10兆和100兆自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)連接速度，常見的RJ45接口有兩類：用于以太網(wǎng)網(wǎng)卡、路由器以太網(wǎng)接口等的DTE類型，還有用于交換機(jī)等的DCE類型。RJ45接口通常用于數(shù)據(jù)傳輸，最常見的應(yīng)用為網(wǎng)卡接口。

RJ45是各種不同接頭的一種類型（例如：RJ11也是接頭的一種類型，不過它是電話上用的）；RJ45頭根據(jù)線的排序不同分為兩種：一種是橙白、橙、綠白、藍(lán)、藍(lán)白、綠、棕白、棕，另一種是綠白、綠、橙白、藍(lán)、藍(lán)白、橙、棕白、棕。因此使用RJ45接頭的線也有兩種即：直通線、交叉線。

MCU控制板集成或外擴(kuò)網(wǎng)卡模塊后，就能直接接入到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。

2.各接口協(xié)議的比較和選擇

（1）本項(xiàng)目中串口通信應(yīng)用分析

第一，在本項(xiàng)目的應(yīng)用中，串口通信分為以下三種。

①積木塊內(nèi)部即MCU與外圍器件間的串口通信

對(duì)于積木塊內(nèi)部的串口通信，可選用的接口協(xié)議有UART、I2C、SPI、USART、1-wire、SDIO和GPIO等。

②積木塊之間的串口通信

對(duì)于積木塊之間的串口通信，可選用的接口協(xié)議有UART、I2C、SPI、USART、SDIO、CAN、GPIO和RJ45等。

③積木塊和上位機(jī)PC之間串口通信

對(duì)于積木塊和上位機(jī)PC之間串口通信，可選用的接口協(xié)議有UART、USB和GPIO等。

第二，在本項(xiàng)目的應(yīng)用中，串口通信按照拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以分為以下三種。

①點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。可選用的接口協(xié)議有UART、I2C、SPI、USART、1-wire、SDIO、CAN、GPIO和RJ45等。

②一主多從通信。可選用的接口協(xié)議有I2C、SPI、USART、1-wire、SDIO、CAN和GPIO等。

③多主從通信。可選用的接口協(xié)議有I2C、CAN和GPIO等。

（2）本項(xiàng)目中串口通信接口協(xié)議的選擇

在實(shí)現(xiàn)各種功能的積木塊時(shí)，遵循一條最基本的原則：兼顧積木塊實(shí)現(xiàn)的通用性和復(fù)雜性。即有選擇地將某幾個(gè)功能做到一個(gè)積木塊上，既減少積木塊的復(fù)雜性，又增強(qiáng)它的通用性。這樣根據(jù)需要做出幾種通用的積木塊，加上相應(yīng)的外圍器件就能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的某項(xiàng)功能。

具體實(shí)現(xiàn)一個(gè)積木塊還得選擇通用性較好的MCU和選定功能的相關(guān)器件，這二者是相互影響的。比如器件的接口是SPI的，MCU就應(yīng)該有相應(yīng)的SPI接口。反過來，先選定MCU，選擇器件時(shí)就要注意選擇MCU具有的接口類型。

實(shí)踐證明，通用性好的積木塊至少應(yīng)該具有UART、I2C、SPI和一定數(shù)量的GPIO接口。另外，為方便和上位機(jī)PC通信，最好有USB接口。

其余接口的實(shí)現(xiàn)有三種方式：

①在一些專用的積木塊上實(shí)現(xiàn)

②在通用性積木塊上通過GPIO配置實(shí)現(xiàn)

③通過接口轉(zhuǎn)換積木塊來實(shí)現(xiàn)

總之，在選擇串口通信接口協(xié)議時(shí)，以滿足積木塊基本功能為目的，適配MCU或外圍器件的接口類型。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙振德，張建新.單片機(jī)原理及實(shí)驗(yàn)/實(shí)訓(xùn).西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2009.

[2]耿仁義.新編微機(jī)原理及接口技術(shù).天津：天津大學(xué)出版社，2006.

[3]趙宏，王小牛，任學(xué)惠.嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用教程.北京：人民郵電出版社，2010.

[4]李群芳，肖看.單片機(jī)原理、接口及應(yīng)用——嵌入式系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ).北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[5]劉海成.AVR單片機(jī)原理及測(cè)控工程應(yīng)用——基于ATmega48/ATmega16.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

河北省高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目資助/Supported by science and technology research projects of colleges and universities in Hebei province 編號(hào)：Z2010316）

項(xiàng)目名稱：基于MCU的積木式數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研究 項(xiàng)目編號(hào)：Z2010316

項(xiàng)目名稱：多用途廣適配模塊化單片機(jī)綜合開發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 項(xiàng)目編號(hào)：Z2010315

河北省科技計(jì)劃項(xiàng)目 項(xiàng)目名稱：基于ARDUINO的物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式技術(shù)開發(fā)和實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的創(chuàng)建 項(xiàng)目編號(hào)：12210331