Trong hệ thống nhúng, giao diện đề cập đến đường truyền thông hoặc bus được sử dụng để kết nối các mạch tích hợp khác nhau với các thiết bị ngoại vi khác. Nó là phần kết nối và trạm trung chuyển để trao đổi thông tin giữa vi điều khiển và thế giới bên ngoài.

Tại sao chúng ta cần giao diện giữa MCU và thiết bị ngoại vi?

Có bốn lý do chính được liệt kê như sau.

1. Các tín hiệu của MCU và của các thiết bị ngoại vi không tương thích về định nghĩa chức năng, định nghĩa logic và mối quan hệ thời gian, v.v.
2. Tốc độ xử lý của MCU và của thiết bị ngoại vi không khớp nhau. Ví dụ, tốc độ của MCU nhanh trong khi tốc độ của thiết bị ngoại vi chậm.
3. Nếu MCU trực tiếp điều khiển hoạt động của các thiết bị ngoại vi mà không có giao diện, điều đó sẽ khiến MCU gặp khó khăn trong việc xử lý các thiết bị ngoại vi và giảm đáng kể hiệu quả của nó.
4. Nếu thiết bị ngoại vi được điều khiển trực tiếp bởi MCU, nó sẽ khiến kiến ​​trúc phần cứng của thiết bị ngoại vi hoàn toàn dựa vào MCU, do đó cản trở sự phát triển của chính thiết bị ngoại vi.

Giới thiệu về Giao diện phổ quát

UART

Bộ thu-phát không đồng bộ đa năng, thường được gọi là UART, là bộ thu phát không đồng bộ song công hoàn toàn, là một phần của phần cứng máy tính và truyền dữ liệu giữa giao tiếp nối tiếp và giao tiếp song song. Khi một con chip chuyển đổi đầu vào song song thành đầu ra nối tiếp, UART thường được tích hợp để kết nối với các giao diện truyền thông khác.

Một lợi thế độc đáo của UART là nó có thể truyền dữ liệu giữa các thiết bị chỉ bằng hai dây. Trong giao tiếp UART, hai bộ chuyển đổi UART giao tiếp trực tiếp với nhau. Bộ phát UART chuyển đổi dữ liệu song song từ CPU thành dữ liệu nối tiếp và sau đó truyền chúng đến bộ thu phát UART nhận. Do đó, bộ thu phát UART nhận chuyển đổi dữ liệu nối tiếp trở lại dữ liệu song song cho thiết bị nhận. Luồng dữ liệu từ chân TX của gửi UART đến chân RX của UART nhận được hiển thị như trong Hình 1:

Hình 1. Sơ đồ kết nối giao tiếp UART

Khung dữ liệu giao thức truyền thông UART được mô tả như sau:

1. Bit bắt đầu : đầu tiên gửi tín hiệu logic "0", cho biết bắt đầu truyền ký tự.
2. Bit dữ liệu : ngay sau bit bắt đầu. Số bit dữ liệu có thể là 4, 5, 6, 7, 8, v.v., tạo thành một ký tự. Mã ASCII thường được sử dụng.
3. Bit chẵn lẻ : sau khi thêm bit này vào bit dữ liệu, số bit của "1" phải là số chẵn (đối với kiểm tra chẵn) hoặc lẻ (đối với kiểm tra lẻ) để xác minh tính chính xác của việc truyền dữ liệu.
4. Stop bit : Là dấu kết thúc của dữ liệu ký tự. Nó có thể được định danh bằng mức điện áp cao 1 bit, 1,5 bit hoặc 2 bit. Càng có nhiều bit dừng thì càng ổn định trong khi truyền dữ liệu càng chậm.
5. Bit nhàn rỗi : Nó ở trạng thái logic "1", nghĩa là không có truyền dữ liệu trong mạch hiện tại.
6. Baud rate : tốc độ truyền dữ liệu. Có các tốc độ sau: 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 43000, 56000, 57600, 115200. Tốc độ truyền bắt buộc phải đặt trước để đảm bảo truyền dữ liệu chính xác. Quá trình truyền dữ liệu được thể hiện trong Hình 2

Hình 2. Khung dữ liệu UART

Nguyên tắc giao tiếp UART

Quá trình truyền dữ liệu: Ở trạng thái rỗi, mạch ở mức cao. Khi nhận lệnh truyền dữ liệu, kéo mức của mạch xuống một bit dữ liệu trong thời gian T, sau đó gửi dữ liệu từ các chữ số thấp hơn đến các chữ số cao hơn. Sau khi quá trình truyền dữ liệu hoàn tất, bit chẵn lẻ và bit dừng (bit dừng ở mức cao) được gửi để kết thúc quá trình truyền khung dữ liệu.

Quá trình nhận dữ liệu: Ở trạng thái rỗi, mạch ở mức cao. Khi phát hiện thấy một cạnh sụt áp trong mạch, điều đó cho thấy quá trình truyền dữ liệu đã bắt đầu. Và dữ liệu được nhận từ các chữ số thấp hơn đến các chữ số cao hơn theo tốc độ truyền đã thỏa thuận. Sau đó, một bit chẵn lẻ được nhận và so sánh để xem việc truyền có đúng không. Nếu đúng, thiết bị tiếp theo sẽ được thông báo để chuẩn bị nhận dữ liệu hoặc lưu trữ vào bộ đệm.

Trong thiết kế nhúng, UART được sử dụng để liên lạc giữa MCU và thiết bị phụ trợ, chẳng hạn như liên lạc giữa âm thanh xe hơi và các AP bên ngoài. Hoặc giao tiếp giữa MCU và PC bao gồm trình gỡ lỗi giám sát và các thiết bị khác, chẳng hạn như EEPROM.

Trong các mô-đun BLE, truyền trong suốt UART gần như đã trở thành một tính năng tiêu chuẩn. Mô-đun truyền trong suốt nối tiếp cực kỳ thuận tiện để sử dụng. Các nhà phát triển không cần phải hiểu cách triển khai ngăn xếp giao thức Bluetooth. Họ có thể dễ dàng phát triển các sản phẩm không dây với Mô-đun BLE có đường truyền trong suốt UART.

Công nghệ ngôi sao RF của Thâm Quyến, với tư cách là nhà sản xuất mô-đun IoT không dây , cung cấp các mô-đun BLE nối tiếp UART dựa trên SoC của TI CC2640 CC2642 CC264X, CC26X2, Silicon Labs EFR32BG22, Nordic nRF52832 nRF52810 và các giải pháp trong nước khác. Hỗ trợ Bluetooth 4.2/5.0 trong việc truyền và nhận dữ liệu, chúng thuộc loại công nghiệp, kích thước nhỏ gọn và tự hào về mức tiêu thụ điện năng cực thấp. Chúng tạo điều kiện cho người dùng phát triển nhanh các ứng dụng Bluetooth với chi phí cực thấp.

SPI

SPI là viết tắt của Giao diện ngoại vi nối tiếp. Giao diện SPI chủ yếu được sử dụng giữa EEPROM, FLASH, đồng hồ thời gian thực, bộ điều khiển mạng, trình điều khiển màn hình LCD, bộ chuyển đổi AD, bộ xử lý & giải mã tín hiệu số và các thiết bị khác.

Là một bus giao tiếp đồng bộ song công hoàn toàn tốc độ cao, SPI chỉ cần bốn chân từ chip, do đó tiết kiệm được các chân của IC và không gian trong bố cục PCB.

Bốn chân chính của nó như sau:

• MOSl - đầu ra chính & đầu vào phụ, được sử dụng để truyền dữ liệu từ thiết bị chính sang phụ.
• MISO - đầu vào chính & đầu ra phụ, được sử dụng để truyền dữ liệu từ thiết bị phụ sang thiết bị chính.
• SCK - đồng hồ nối tiếp, là đầu ra đồng hồ của thiết bị chính để đồng bộ hóa.
• SS/CS - lựa chọn thiết bị phụ, được chỉ định cho thiết bị chính để chọn một thiết bị phụ từ nhiều phụ. Nó chèn tín hiệu hiệu quả ở mức độ thấp để chọn một thiết bị nô lệ cụ thể.
• Kết nối Master-Slave được hiển thị trong Hình 3.

Hình 3. Kết nối SPI Master-Slave

Trong một chu kỳ xung nhịp SPI, việc truyền dữ liệu sẽ trải qua các hoạt động sau:

1. Master gửi dữ liệu 1 bit qua MOSI và Slave đọc dữ liệu 1 bit thông qua mạch.
2. Slave gửi dữ liệu 1 bit qua MISO và master đọc dữ liệu 1 bit qua mạch.

Điều này đạt được thông qua các thanh ghi thay đổi. Master và Slave đều có một thanh ghi thay đổi và cả hai đều được kết nối thành một vòng. Theo tốc độ của xung đồng hồ, dữ liệu di chuyển ra khỏi thanh ghi chính và thanh ghi phụ, theo thứ tự chữ số cao nhất đầu tiên và chữ số thấp nhất cuối cùng, sau đó di chuyển trong thanh ghi phụ và thanh ghi chính. Khi hoàn thành việc di chuyển ra khỏi sổ đăng ký, quá trình trao đổi nội dung giữa chúng đã hoàn tất. Việc truyền dữ liệu được thể hiện trong Hình 4.

Hình 4. Truyền dữ liệu SPI

Trong hoạt động của SPI, hai cài đặt quan trọng nhất là cực của đồng hồ (CPOL) và pha đồng hồ (CPHA). Cực của đồng hồ đặt mức điện áp khi đồng hồ không hoạt động và pha đồng hồ đặt cạnh đồng hồ để đọc dữ liệu và gửi dữ liệu.

Master và Slave gửi dữ liệu cùng một lúc và cả hai đều nhận dữ liệu cùng một lúc. Do đó, để đảm bảo giao tiếp chính xác giữa chúng, SPI của chúng phải có cùng cực và pha đồng hồ.

• Nếu CPOL=0, trạng thái nhàn rỗi của đồng hồ đồng bộ nối tiếp ở mức thấp.
• Nếu CPOL=1, trạng thái nhàn rỗi của đồng hồ đồng bộ nối tiếp ở mức cao.
• Nếu CPHA=0, dữ liệu được thu thập tại cạnh nhảy đầu tiên (tăng hoặc giảm) của đồng hồ đồng bộ nối tiếp.
• Nếu CPHA=1, dữ liệu được thu thập tại cạnh nhảy thứ hai (tăng hoặc giảm) của đồng hồ đồng bộ nối tiếp.

Các hình sau đây cho thấy quá trình giao tiếp ở bốn chế độ.

Hình 5. CPOL=0, CPHA=0

Hình 6. CPOL=0, CPHA=1

Hình 7. CPOL=1, CPHA=0

Hình 8. CPOL=1, CPHA=1

Trong các chương tiếp theo, chúng ta sẽ thảo luận thêm về các giao diện ngoại vi khác, ví dụ như I2C, USB, ADC và CAN. Giữ nguyên!

Về chúng tôi

Công ty TNHH Công nghệ ngôi sao RF Thâm Quyến (RF-star) là một công ty công nghệ cao tập trung vào các thiết bị tần số vô tuyến và đã được Texas Instruments chứng nhận là IDH bên thứ ba về các sản phẩm RF công suất thấp trong hơn một thập kỷ . RF-star cung cấp dây IoTess và đầy đủ các giải pháp, bao gồm BLE, Wi-Fi, Matter, Wi-SUN, Sub-1G, ZigBee, Thread, v.v. Để biết thêm thông tin, vui lòng truy cập trang web của công ty https://www.rfstariot.com / hoặc liên hệ với chúng tôi tại info@szrfstar.com.