UART以及其他接口协议

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1、UART以及其其他接口协议议2007-066-26 116:42由于在消费类电电子产品、计计算机外设、汽汽车和工业应应用中增加了了嵌入式功能能，对低成本本、高速和高高可靠通信介介质的要求也也不断增长以以满足这些应应用，其结果果是越来越多多的处理器和和控制器用不不同类型的总总线集成在一一起，实现与与PC软件、开发发系统(如仿真器)或网络中的的其它设备进进行通信。目目前流行的通通信一般采用用串行或并行行模式，而串串行模式应用用更广泛。 微处理器中常用用的集成串行行总线是通用用异步接收器器传输总线、串串行通信接口口、同步外设设接口(SPI)、内部集成成电路(I2C)和通用串行行总线，以及及车用串行总

2、总线，包括控控制器区域网网(CAN)和本地互连连网(LIN)。这些总线线在速度、物物理接口要求求和通信方法法学上都有所所不同。本文文将对嵌入式式系统设计的的串行总线、驱驱动器和物理理接口这些要要求提供一个个总体介绍，为为选择最优总总线提供指导导并给出一个个比较图表(表1)。为了说明明方便起见，本本文的阐述是是基于微处理理器的设计。 串行与并行相比比 串行相比于并行行的主要优点点是要求的线线数较少。例例如，用在汽汽车工业中的LIN串行总线只需需要一根线来来与从属器件件进行通信，Dallaas公司的1-Wirre总线只使用用一根线来输输送信号和电电源。较少的的线意味着所所需要的控制制器引脚较少少。

3、集成在一一个微控制器器中的并行总总线一般需要要8条或更多的的线，线数的的多少取决于于设计中地址址和数据的宽宽度，所以集集成一个并行行总线的芯片片至少需要8个引脚来与与外部器件接接口，这增加加了芯片的总总体尺寸。相相反地，使用用串行总线可可以将同样的的芯片集成在在一个较小的的封装中。 另外，在PCBB板设计中并并行总线需要要更多的线来来与其它外设设接口，使PCB板面积更大大、更复杂，从从而增加了硬硬件成本。此此外，工程师师还可以很容易地将将一个新器件件加到一个串串行网络中去去，而且不会会影响网络中中的其它器件件。例如，可可以很容易地地去掉总线上上旧器件并用用新的来替代代。 串行总线的故障障自诊断

4、和调调试也非常简简单，可以很很容易地跟踪踪网络中一个个有故障的器器件并用新器器件替换而不不会干扰网络络。但另一方方面，并行总总线比串行速速度快。例如如，Rambuus公司的“Redwoood”总线速度可可高达6.4GHHz，而最高的的串行速度不不会超过几个个兆赫。 在工业和汽车应应用中常用的的串行协议 1. UARTT UART是一种种通用串行数数据总线，用用于异步通信信。该总线双双向通信，可可以实现全双双工传输和接接收。在嵌入入式设计中，UART用来与PC进行通信，包包括与监控调调试器和其它它器件，如EEPROOM通信。 a. UARTT通信 UART首先将将接收到的并并行数据转换换成串行数

5、据据来传输。消消息帧从一个个低位起始位位开始，后面面是7个或8个数据位，一一个可用的奇奇偶位和一个个或几个高位位停止位。接接收器发现开开始位时它就就知道数据准准备发送，并并尝试与发送送器时钟频率率同步。如果果选择了奇偶偶，UART就在数据位位后面加上奇奇偶位。奇偶偶位可用来帮帮助错误校验验。 在接收过程中，UART从消息帧中中去掉起始位位和结束位，对对进来的字节节进行奇偶校校验，并将数数据字节从串串行转换成并并行。UART也产生额外外的信号来指指示发送和接接收的状态。例例如，如果产产生一个奇偶偶错误，UART就置位奇偶偶标志。 b. 数据方向向和通信速度度 数据传输可以首首先从最低有有效位(L

6、SB)开始。然而而，有些UART允许灵活选选择先发送最最低有效位或或最高有效位位(MSB)。 微控制器中的UUART传送数据的的速度范围为为每秒几百位位到1.5Mb。例如，嵌嵌入在ElanSSC520微控制器中中的高速UART通信的速度度可以高达1.11552Mbpss。UART波特率还受受发送和接收收线对距离(线长度)的影响。 目前，市场上有有只支持异步步通信和同时时支持异步与与同步通信的的两种硬件可可用于UART。前者就是UART名字本身的的含义，在摩摩托罗拉微控控制器中被称称为串行通信信接口(SCI)；Microochip微控制器中中的通用同步步异步收发器器(USARRT)和在富士通通微

7、控制器中中的UART是后者的两两个典型例子子。 c. 计算机中中的UART UART是计算算机中串行通通信端口的关关键部分。在在计算机中，UART相连于产生生兼容RS232规范信号的的电路。RS232标准定义逻逻辑“0”信号相对于于地为3到25伏，而逻辑“1”相对于地为-3到-25伏。所以，当当一个微控制制器中的UART相连连于PC时，它需要一一个RS232驱动器来转转换电平。 2. 同步外设设接口 同步外设接口(SPI)是由摩托罗罗拉公司开发发的全双工同同步串行总线线，该总线大大量用在与EEPROOM、ADC、FRAM和显示驱动动器之类的慢慢速外设器件件通信。 a. SPI通通信 该总线通信

8、基于于主-从配置。它它有以下4个信号： MOSI:主出出/从入 MISO:主入入/从出 SCK:串行时时钟 SS:从属选择择 芯片上“从属选选择”(slavve-sellect)的引脚数决决定了可连到到总线上的器器件数量。 在SPI传输中中，数据是同同步进行发送送和接收的。数数据传输的时时钟基于来自自主处理器的的时钟脉冲，摩摩托罗拉没有有定义任何通通用SPI的时钟规范范。然而，最最常用的时钟钟设置基于时时钟极性(CPOL)和时钟相位(CPHAA)两个参数，CPOL定义SPI串行时钟的的活动状态，而CPHA定义相对于SO-数据位的时钟相位。CPOL和CPHA的设置决定了数据取样的时钟沿。 b.

9、数据方向向和通信速度度 SPI传输串行行数据时首先先传输最高位位。波特率可可以高达5Mbps，具体速度度大小取决于于SPI硬件。例如如，Xicor公司的SPI串行器件传传输速度能达达到5MHz。 c. SPI与与UART比较 SPI通信快于于UART通信，两者者都可以用在在中等速度外外设的通信中中，例如非易易失性EEPROOM存储器。然然而，SPI更常用于EEPROOM或数模变换换器的通信中中。 有些UART能能支持SPI通信，在这这种情况下，会会用一个通用用IO作为从属选选择引脚。 3. I2C总总线 I2C是由飞利利浦公司开发发的双线同步步总线。像SPI一样，该总总线可用来与与EEPROO

10、M、ADC、DAC和LCD这类慢速器器件进行通信信。 a. I2C通通信 I2C是一个半半双工、多主主总线，该总总线网络有一一个或几个主主控器件和很很多个从器件件。信息由两两条串行线传传输：串行数数据线(SDA)和串行时钟钟线(SCL)。图1显示了使用两两个主控和三三个从器件相相连接的例子子。 网络中的每一个个器件都预指指定一个7位或10位的地址。飞飞利浦会给器器件制造商分分配地址，也也有一个特定定的地址用于于高速通信，以以及一个通用用呼叫地址用用于与网络中中所有器件的的通信。10位寻址的优优点是允许更更多的器件(高达1024个)布置在网络络中。然而，总总线中器件的的数目取决于于总线的电容容量

11、，必须限限制在400pF以内。 主控器件发起数数据传送，并并提供用于通通信的时钟信信号。通信开开始于SCL为高电平时SDA由高到低的的转换，紧接接着是一个7位或10位的从地址址，一个数据据方向位(R/W)，一个应答答位和停止状状态。停止状状态定义为在在时钟信号为为高时数据线线电平由低到到高的转换。每每一个数据字字节长度为8位，单次传传送的字节数数并没有限制制。 由于I2C是一一个多主总线线，因此可能能有两个或更更多的主控器器件同时试图图访问总线，在在时钟信号为为高电平时在在总线上置“1”的主控器件件赢得总线仲仲裁。 I2C有三种不不同的运行模模式：标准、快快速和高速模模式。在使用用快速和高速速

12、模式时，可可能某个从属属器件不能像像主控器件那那么快地处理理数据。此时时，从属器件件会将SCL线拉至低电电平来保持总总线，这迫使使主控器件进进入等待状态态，直至从属属器件准备就就绪。 b. 数据方向向和通信速度度 数据传输首先从从最高位开始始。I2C总线设计用用于三种数据据传输速度，每每个都向下兼兼容性： 低速，数据传输输率为0到100kbbps； 快速，数据传输输率可以高达达400kbbps； 高速，数据传输输率可以高达达3.4Mbbps。 c. I2C与与SPI比较 I2C和SPII都能用于低低速器件的通通信,而SPI的数据传输输速率高于I2C。此外，SPI具有一个内内在地址功能能，不需要

13、设设计一个额外外的寄存器来来测试地址，从从而减少软件件和硬件的设设计开销。 4. 控制器区区域网络 控制器区域网络络(CAN)是一个多主主异步串行总总线。由于它它具有优良的的错误处理机机制及可靠的的数据传送性性能，该总线线在汽车工业业中非常普遍遍，在高安全全系数要求的的医疗行业中中也正在得到到普及。 CAN最初由德德国的Roberrt Bossch公司开发，提提供给汽车电电子系统所用用的低成本通通信总线，现现在已经成为为国际标准，被被采用为高速速应用的ISO111898标准和用于于低速应用的的ISO111519标准。 a. CAN通通信 当总线空闲时，任任何CAN节点都可以以开始数据发发送。如

14、果两两个或更多的的节点同时开开始发送，就就使用标识符符来进行按位位仲裁以解决决访问冲突。CAN是一个广播播类型的总线线，所有节点点都接收总线线上的数据，硬硬件上的过滤滤机制决定消消息是否提供供给该接点用用。 b. 四种消息息帧的类型 数据帧：该帧从从一个发送器器承载数据到到一个接收器器。根据CAN规范有两种种数据帧格式式，它们的唯唯一本质区别别在于标识符符的长度：CAN标准帧，也也称为CAN2.0A，支持11位长度的标标识符；另一一个是CAN扩展帧，也也称为CAN2.0B，支持29位长度的标标识符。图2显示了两种种规范的CAN数据帧。 远程帧：此帧由由一个接收CAN节点发送，用用来请求带有有远

15、程帧中规规定的标识符符的数据帧。 错误帧：此帧将将任何总线错误通知其其它单元，在在接收到这个个帧时发送器器会自动进行行消息重发。 超载帧：超载帧帧由一个忙的的CAN节点送出，以以请求在前后后数据帧之间间增加一个额额外的延迟。 c. CAN硬硬件术语 基本CAN(BBasic CAN)控制器：这这是一种廉价价的CAN控制器，具具有有限的发发送/接收消息缓缓冲器，以及及有限的CAN消息过滤机机制。 完全CAN(FFull CCAN)控制器：完完全CAN是一个高成成本、高性能能的CAN控制器，具具有能缓冲8个或更多消消息的缓冲器器用于接收和和发送。例如如，富士通的的集成CAN微控制器能能提供16个消

16、息缓冲冲器用于接收收和发送。此此外，富士通通的MB904443微控制器能灵灵活地将两个个CAN控制器的消消息缓冲器组组合在一个中中，以形成能能缓冲32个消息的缓缓冲器。 标准CAN控制制器：该CAN控制器能够够处理仅有11位标识符的的消息。 扩展CAN控制制器：该控制制器能够处理理含有11位和29位标识符的的消息。 时间触发CANN(TTCAAN)控制器：该CAN控制器根据据时间和事件件的触发来安安排CAN消息，增强强了CAN网络的总体体性能和行为为的确定性。 d. 数据方向向和通信速度度 数据字节的传输输首先从最高高位开始。一一个8位的数据字字节能在一次次发送中进行行传输，最大大的CAN总线

17、速度是1Mbps。 e. CAN在在汽车中的应应用 图3的例子显示示了CAN网络是如何何通过富士通通的16位CAN微控制器在在汽车中应用用。 f. 物理接口口 大多数CAN微微控制器需要要一个外部收收发器来连接接物理总线。目目前市场上提提供以下一些些收发器： 高速CAN收发发器有飞利浦浦的82C2551，TI的SN65/75LBCC031，Bosch的CF1500,C2500，Unitrrode的UC53550； 低速CAN收发发器有飞利浦浦82C2552、TJA10053，西门子TLE 66252G； 单线CAN收发发器有飞利浦浦AU57990，英飞凌TLE 66255，Delphhi DK

18、11661533。 5.本地互连网网络 本地互连网络(LIN)是一个低成成本、单线串串行总线，能能执行全双工工串行通信。LIN用在汽车的的分布式电子子系统中，例例如与智能传传感器和传动动器的通信。LIN协议能采用用低成本的UART/SCI接口来实现现，几乎所有有的微控制器器都提供这些些接口。 a. LIN通通信 LIN网络由一一个主控和多多个从器件组组成，主控器器件发起所有有的通信。 所有节点执行包包括发送和接接收任务在内内的从属通信信任务。此外外，主节点执执行主控发送送任务，主控控任务能决定定什么时候、哪哪一个帧将在在总线上传输输。在该方式式中，没有总总线仲裁，并并且在最坏情情况下每个消消息

19、的时间很很容易计算。当当一个消息帧帧发送时，在在接收和过滤滤标识符后，仅仅有一个从器器件得到激活活。 总线上的所有消消息以帧的形形式发送，帧帧由一个帧头头和响应字段段(respponse fieldd)组成。主控控器件始终在在总线上发送送帧头，帧头头至少由一个个13位字段、一一个同步字节节和一个6位标识符组组成，该标识识符的范围为为0到63。响应字段段由两个、四四个和八个数数据字节和具具有倒置8位和的校验验和字段，以以及所有的数数据字节和标标识符组成。 图4显示了在一一个消息帧上上所有字段的的排列顺序。 b. 数据方向向和通信速度度 数据字节的传送送首先从LSB开始，LIN总线的最大大速度是2

20、0kbpps。 c. 物理接口口 只有很少微控制制器集成有专专用的LIN硬件，大多数数供应商用SCI或UART来提供支持持。因为LIN物理层是一一个从汽车自自诊断用ISO91141标准引出的的单线12V总线，所以以需要一个外外部LIN收发器来转转换电平。例例如当前市场场上已有供货货的摩托罗拉拉IMC333689 LLIN和英飞凌公公司的TLE62259-2GG收发器。 d. CAN与与LIN的比较 CAN和LINN两者都使用用在汽车工业业中。CAN用于汽车中中的高速和低低速网络，而LIN仅用于低速速网络，如门门控制单元。在在很多方面，CAN比LIN更贵也更可可靠，必需在在可靠性和为为设计硬件与

21、与软件支付额额外成本之间间进行权衡。由由于LIN的成本较低且且容易在UART中实现，故故在低速网络络应用方面LIN有望替代CAN。 6. 其它通用用串行总线 用在微控制器工工业中的其它它总线有RS422、RS485、USB和Microowire. RS422和RRS485通信可以用用一个UART来执行。因因此，在用于于这些总线时时微控制器中中不需要增加加另外的硬件件。 USB总线的普普及性极大地地鼓舞了微控控制器制造商商把USB控制器集成成到他们的微微控制器中。将将外围器件加加到USB总线中是很很容易的，并并不需要重自自举系统。Cypreess半导体公司司和其它业界界主导厂商都都提供各种系系列

22、USB芯片来满足足市场的需要要。 国家半导体公司司(NSC)开发的单线线总线Microowire用在许多微微控制器和像像EEPROOM这类非易失失性存储器，以以及ADC中。该总线线能像SPI一样提供同同步通信，可可用在使用SPI的地方。有有些微控制器器供应商通过过使用UART来支持Microowire总线。 FlexRayy是一种在汽汽车工业中即即将推出的新新型总线，可可用在使用CAN总线的地方方，该总线的的速度是CAN总线的10倍，可以达达到10Mbpps。目前微微控制器制造造商正在努力力开发具有FlexRRay总线的器件件。 总线选择准则 不同的应用在选选择总线的标标准方面并不不同，下面是

23、是一些进行总总线选择的通通用参考准则则： 1. 评估使用用不同串行总总线在网络上上连接各种器器件的系统成成本。例如，在在汽车应用中中，一个只需需要控制功能能的系统可以以用像LIN这类低成本本的串行总线线来管理。 2. 在效率、速速度和可靠性性方面确定对对你最重要的的性能。例如如，对于一个个安全关键系系统来讲，可可靠性是极为为重要的，故故而CAN是较好的选选择。 3. 确定在网网络上将连接接多少器件，以及总线将可能具有的电容量。有些串行总线对连在网络上的器件数目有限制。 4. 注意器件件间的距离，有有些串行总线线只支持短距距离通信。 5. 如果用在在汽车中，CAN或LIN是较好的选选择。由于它它

24、们具有很强强的鲁棒性，因因此具有较强强的容故障能能力和传输可可靠性。 作者：Neellima CChauraasia 高级应用工程师师 Email: nchauuras Fujitsuu Micrroelecctroniics Ammericaa公司遥控接收部分的的定制分如下下几种情况:一，无独立接收收器的情况如果客户不希望望设计单独的的遥控接收器器而是有主设设备直接对遥遥控信号进行行解码，那么么我公司可以以提供如下解解决办法：一一是客户端原原有的遥控解解码程序不必必更改，客户户提供需要的的编码格式我我公司严格按按此格式设计计相应编码的的遥控器即可可达到目的；另一种方法法是我方提供供遥控器编码

25、码的详细规格格，客户按此此设计新的解解码程序。二，UART接接口的定制UART是适合合芯片与芯片片之间短距离离通信的选择择，我公司一一般提供TTL电平兼容空空闲态输出高高电平的“9600,8,n,11”的格式，也也就是通信速速率为9600bbps，8数据位，1停止位，不不带校验位。基基本上所有档档次的微处理理机从简单的的1位机、4位机、8位机到复杂杂的32位嵌入式处处理器，都可可以直接提供供UART接口或直接接对UART格式的信号号进行简单的的分析和解码码，这比直接接处理红外遥遥控的编码信信号要简单得得多。UARRT是最为简单单的通信方式式，此外还可可以根据客户户的要求提供供其他方式的的通信协

26、议。三，COM（RRS232）接口的定定制：符合RS2322标准的接口口也常称之为为COM口即串行接接口，从信号号的格式上讲讲RS232与UART基本上是一一会事，最重重要的区别是是RS232必须符合RS232电平规格，标标准的RS232电平范围是-12V到+12V，常态即空闲闲时没有数据据输出的情况况下为-12V，正因为如如此，采用RS232规格可以将将数据输出到到更远的地方方。我公司提提供的COM接口是兼容RS232电平的“9600,88,n,1”的格式，也也就是通信速速率为9600bbps，8数据位，1停止位，不不带校验位。说说是兼容RS232电平的含义义是，PC机的COM是不带电源源端

27、子的，接接收器本身从从数据线上取取电，对功耗耗有严格的限限制，输出的的电平也在0到5V之间而不是RS232要求的-12V到+12V电平范围，所所以COM接口的传输输距离也就达达不到真正的的RS232规格，一般般延长线最多多可以接3-5米。如果客户需需要接收器与与主设备例如如PC机之间相隔隔更要远的距距离，唯一的的办法是对接接收器单独供供电，因为从从主设备就是是直接取+5V或12V的直流电也也不会可靠传传输10米以上的距距离，更不用用说从COM口的数据线线上取电了。接接收器单独供供电后可以将将接收器做成成真正的完全全符合RS232设备的接口口，可以将遥遥控信号可靠靠地传输数十十米的距离。更更远的

28、距离需需求必须采用用RS485接口标准，RS485采用平衡差差分方式，有有极为出色的的抗干扰能力力，在通信速速率为9600BBPS的情况下，最最大传输距离离为1200米。如果遥遥控适配器采采用RS485接口那么在在主设备这一一端也必需提提供RS485接口，对一一些只有COM接口的设备备例如PC机而言，最最为简单的办办法就是加装装接口转换器器，直接将RS485信号转变为RS232信号。此外，红红外遥控器都都有一个特点点，就是为了了提高可靠性性采取多码连连续发送的方方式，也就是是说按下遥控控器的某一个个键，绝大多多数会发出一一连串相同的的编码直到按按键抬起，这这是因为红外外线在空间中中传播遇到各各

29、种各样的干干扰因素，而而且遥控的方方向距离等不不同造成接收收信号强弱不不一致直接影影响接收的效效果，采用重重复发码的方方式提高可靠靠性是十分必必要的。但在在设置专用的的遥控解码芯芯片之后，将将解码后的数数据输出到主主设备时，通通信的可靠性性就有很好的的保障，可以以不用连续发发码的方式，而而是直接采用用按下一键发发出一个字节节的方式，以以降低通信接接收程序的复复杂性。以PC机键盘为为例，键盘有有两个参数的的设置直接影影响操作者的的使用习惯。一一个参数是重重复响应时间间，一个参数数是重复速率率。一般按一一下键就产生生一个码，但但有时候需要要输入一串同同样的自符或或者连续调节节某一个量例例如播放器的

30、的音量，这时时后键盘重复复发码就十分分的必要的，按按键时间稍长长一点例如500ms不放开，第第二个同样的的码值会出现现，这个500ms的时间就是是重复响应时时间，根据大大量的测试表表明重复响应应时间至少要要设置为250ms。长时间按按下键不松开开，第三个、第四个键会相继出现，每秒中出现多少个重复键就用按键重复速率来表示，一般是每秒20-30个键值。因为考虑到后端端设计的灵活活性，在遥控控发射器这一一级不能考虑虑重复响应时时间，所以只只要一按键就就会发出一串串的码，重复复速率范围在在25ms-300mss之间，100ms左右的居多多。如果不特特别指定，我我公司的串口口产品用于普普通编码的遥遥控器

31、时采取取一键一码的的方式。客户户提出定制要要求时可以指指定部分键可可以连续发码码，例如在视视频会议系统统中，有些键键用来调节摄摄像机的光圈圈、云台的旋旋转，对这些些连续量的调调节使用连续续法码的按键键处理方式操操作起来就比比较流畅、快快捷。如果还还是采取一键键一码的方式式也是可以的的，效果是，按按一下键抬起起来，设备动动作一下，再再一次按下此此键，设备再再动作一下，如如此反复，两两次按键之间间时间要有一一定的间隔，必必须大于遥控控器编码的重重复发码周期期例如100ms。处理重发发发码是一件件比较繁琐的的工作，实时时性要求很高高，不然会直直接影响最终终产品的使用用效果。 部分产品例例如带鼠标的的

32、4型遥控器，采采用面向字节节的编码方式式，除了重复复发码机制外外，还有开始始字节（make码0xa0）和结束字字节（break码0xaa）以实现更更复杂的控制制功能，例如如在实现鼠标标拖动时，左左键按下，鼠鼠标可以任意意移动，只有有这样才能实实现拖动功能能。驱动软件件：以PC机为例，无无论是Windoows还是linux等，操作系系统本身都没没有标准的遥遥控驱动程序序。我公司的的解决办法是是，一方面可可以提供详细细的串口数据据格式，客户户在应用程序序中直接对串串口编程读取取遥控代码作作出相应的处处理即可；另另一方面，可可以针对我公公司的遥控器器产品开发相相应的驱动程程序，包括Windoows98/me/2kk/xp系列、DOS系列、WindoowsCE系列和Linux系列。串口口即可以模拟拟键盘也可以以模拟鼠标，还还可以实现一一些普通键盘盘和普通鼠标标不具备的功功能，例如按按某一遥控键键启动一个特特定的应用程程序，按一定定的规则按一一系列的键可可以作身份人人证等等。串串口还可以做做成多用户遥遥控器，每一一次按键同时时输出该遥控控器的地址码码和该按键的的码值，详见见多用户遥控控器的说明。100