推荐一部书,在这本书里面介绍了I2C、SPI、UART和CAN等通信协议,写的蛮不错的。
串行通信:设备与设备之间,传输数据按顺序依次1bit位接1bit位进行传输。
并行通信:设备与设备之间,通过多条传输线,可以同时传输多个bit位的信号。
I2C(Inter-Integrated Circuit)
1.简单的双向两线制总线协议标准、半双工通信
2.双向串行数据线(SDA)用来表示数据,串行时钟线(SCL)用于数据收发同步
3.总线通过上拉电阻接到电源。当I2C 设备空闲时,会输出高阻态,而当所有设备都空闲,都输出高阻态时,由上拉电阻把总线拉成高电平。
写数据
数据传输方向没有发生改变(写寄存器地址,写数据)
开始数据传输后,先发送一个起始位(S),主设备发送一个地址数据(由7bit的从设备地址,和最低位的写标志位
组成的8bit字节数据,该读写标志位决定数据的传输方向),然后,主设备释放SDA线,并等待从设备的应答信号(ACK)。从设备应答主设备后(表示有这个从设备存在),主设备再发送要读取的寄存器地址,从设备应答主设备(ACK),表示设备内有这个地址。当写数据的时候,Master每发送完8个数据位,Slave设备如果还有空间接受下一个字节应该回答“ACK”,Slave设备如果没有空间接受更多的字节应该回答“NACK”,Master当收到“NACK”或者一定时间之后没收到任何数据将视为超时,此时Master放弃数据传送,发送“Stop”。
读数据
数据传输方向发生改变(先是写寄存器地址R/W=0,再读数据R/W=1),需要再次发生start信号
开始通讯时,主设备先发送一个起始信号(S),主设备发送一个地址数据(由7bit的从设备地址,和最低位的写标志位
组成的8bit字节数据),然后,主设备释放SDA线,并等待从设备的应答信号(ACK)。从设备应答主设备后(表示有这个从设备存在),主设备再发送要读取的寄存器地址,从设备应答主设备(ACK),表示设备内有这个地址。主设备再次发送起始信号(S),主设备发送设备地址(包含读标志
),从设备应答主设备,并将该寄存器的值发送给主设备。Slave设备每发送完8个数据位,如果Master希望继续读下一个字节,Master应该回答“ACK”以提示Slave准备下一个数据,如果Master不希望读取更多字节,Master应该回答“NACK”以提示Slave设备准备接收Stop信号。
对于那种没有寄存器地址的设备,数据方向没有发生改变:
在第一个字节后,主机立即读从机,而不需要写寄存器地址,因此R/W=1。主机每接收到一个字节的数据都需要回复一个ACK,但对于最后一个字节也就是发送停止信号前要回复一个NACK。
起始信号和停止信号
SCL处于高电平时,SDA由高到低变化,这种信号是起始信号
SCL处于高电平,SDA由低到高变化,这种信号是停止信号
数据的有效性
在数据传输期间(不包括起始信号和停止信号),I2C协议对数据的采样发生在SCL高电平期间。SCL为高电平时,SDA必须保持稳定,不允许改变,在SCL低电平时才可以进行变化。
应答信号
I2C数据以字节(即8bits)为单位传输,每个字节传输完后都会有一个ACK应答信号。应答信号的时钟是由主设备产生的。主机需要释放SDA总线,把总线控制权交给从机,由于上拉电阻的作用,此时为高电平。
应答(ACK):拉低SDA线,并在SCL为高电平期间保持SDA线为低电平
非应答(NOACK):不要拉低SDA线(此时SDA线为高电平),并在SCL为高电平期间保持SDA线为高电平
速率
标准模式(Standard):100kbps快速模式(Fast):400kbps快速模式+(Fast-Plus):1Mbps高速模式(High-speed):3.4Mbps超快模式(Ultra-Fast):5Mbps(单向传输)实现
I2C总线协议的软件模拟实现方法–单片机Linux内核中I2C模块的实现方法官方标准文档下载
/lit/an/slva704/slva704.pdfhttp://sumcu./_upload/article/files/74/e5/d4eb93de45808d71ad8aad542ede/a3cb5873-aaf4-4af0-9e5f-521793fbba46.pdf/pdfDocs/UM10204.pdfSPI(Serial Peripheral interface)
MISO(Master input slave output): 主设备输入/从设备输出引脚。该引脚在从模式下发送数据,在主模式下接收数据。MOSI(Master output slave input): 主设备输出/从设备输入引脚。该引脚在主模式下发送数据,在从模式下接收数据。SCLK(Serial Clock):串行时钟信号,由主设备产生。CS/SS(Chip Select / Slave Select):从设备片选信号,由主设备控制。它的功能是用来作为“片选引脚”,也就是选择指定的从设备,让主设备可以单独地与特定从设备通讯,避免数据线上的冲突。全双工数据传输、没有规定最大传输速率、没有地址方案、也没规定通信应答机制
SPI数据发送接收
对主设备的SPI模式进行配置,通过配置时钟极性和相位设置主设备的通信模式,决定读取数据的方式,比如信号上升沿读取数据还是信号下降沿读取数据;
时钟极性 CKP/Clock Polarity/CPOL
CPOL=0:时钟空闲SCLK=0;CPOL=1:时钟空闲SCLK=1;
时钟相位 CKE /Clock Phase (Edge)/CPHA
CPHA=0
:在时钟的第1个跳变沿(上升沿或下降沿)进行数据采样
,在第2个跳变沿(上升沿或下降沿)数据发送
CPHA=1
:在时钟的第1个跳变沿(上升沿或下降沿)进行数据发送
,在第2个跳变沿(上升沿或下降沿)数据采样
4种模式
CPOL=0,CPHA=0
:此时空闲态时,SCLK处于低电平,数据采样是在第1个边沿,也就是SCLK由低电平到高电平的跳变,即数据采样在上升沿,数据发送是在下降沿
。
CPOL=0,CPHA=1
:此时空闲态时,SCLK处于低电平,数据发送是在第1个边沿,也就是SCLK由低电平到高电平的跳变,即数据发送是在上升沿,数据采样是在下降沿
。
CPOL=1,CPHA=0
:此时空闲态时,SCLK处于高电平,数据采样是在第1个边沿,也就是SCLK由高电平到低电平的跳变,即数据采样在下降沿,数据发送在上升沿
。
CPOL=1,CPHA=1
:此时空闲态时,SCLK处于高电平,数据发送是在第1个边沿,也就是SCLK由高电平到低电平的跳变,即数据发送是在下降沿,数据采样在上升沿
。
通信过程
拉低对应SS信号线,表示与该设备进行通信主机(Master)将要发送的数据写到发送数据缓存区,缓存区经过移位寄存器(0~7),串行移位寄存器通过MOSI信号线将字节一位一位的移出去传送给从机,从机的MISO接口接收到的数据经过移位寄存器一位一位的移到接收缓存区。从机(Slave)也将自己的串行移位寄存器(0~7)中的内容通过MISO信号线返回给主机。
参考
UART
通用异步收发器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter),通常称作UART,是一种串行、异步、全双工的通信协议。
通信协议
数据包由起始位、数据帧、奇偶校验位和停止位组成。
起始位
当不传输数据时,UART数据传输线通常保持高电压电平。
若要开始数据传输,发送UART会将传输线从高电平拉到低电平并保持1个时钟周期。当接收UART检测到高到低电压跃迁时,便开始以波特率对应的频率读取数据帧中的位。
数据帧
数据帧包含所传输的实际数据。
如果使用奇偶校验位,数据帧长度可以是5位到8位。
如果不使用奇偶校验位,数据帧长度可以是9位。
在大多数情况下,数据以最低有效位优先方式发送。
奇偶校验
奇校验(odd parity):如果数据位中’1’的数目是偶数,则校验位为’1’,如果’1’的数目是奇数,校验位为’0’。偶校验(even parity):如果数据为中’1’的数目是偶数,则校验位为’0’,如果为奇数,校验位为’1’。
停止位
为了表示数据包结束,发送UART将数据传输线从低电压驱动到高电压并保持1到2位时间。
参考
波特率
数据传输速率使用波特率来表示,单位bps(bits per second)。
9600bps:传输一个比特需要的时间是1/9600≈104.2us。
SCCB
Serial Camera Control Bus,串行摄像头控制总线,有两种工作模式,一主多从,一主一从模式。一主多从,即3线操作;一主一从,即2线操作。
通信协议
CAN
控制器局域网总线
(CAN,Controller Area Network)是一种用于实时应用的串行通讯协议总线,它可以使用双绞线
来传输信号,是世界上应用最广泛的现场总线之一。详细了解CAN协议可以查看国际标准(ISO11519
以及ISO11898
)。CAN 总线协议已经成为
汽车计算机控制系统
和嵌入式工业控制局域网
的标准总线,同时CAN作为底层协议为大型货车和重工机械车辆设计了SAE J1939
等协议。
闭环总线网络
ISO11898 标准的高速、短距离“闭环网络”
开环总线网络
ISO11519-2 标准的低速、远距离“开环网络”
差分信号
使用差分信号传输时,需要两根信号线(CAN_High和CAN_Low),通过两根信号线的电压差值
来表示逻辑 0
和逻辑 1
。
抗干扰能力强双绞线,抑制它对外部的电磁干扰
假设这两个信号线的振幅相等
、相位相反
,双绞线受到干扰后,电压变化,但电压差值不变:
CAN 协议中的差分信号:
在CAN总线的规范中,将二进制位
0
定义为显性位
或显性信号/电平
,1
定义为隐性位
或隐性信号/电平
。
根据图中的
典型值
来分析,对于ISO11898
(高速)来说,表示逻辑 1
时 (隐性电平) ,CAN_High
和CAN_Low
线上的电压均为2.5v
,即它们的电压差
为0V
;而表示逻辑 0
时 (显性电平) ,CAN_High
的电平为3.5V
,CAN_Low
线的电平为1.5V
,即它们的电压差为2V
。对于
ISO11519-2
(低速)来说,表示逻辑 1
时 (隐性电平) ,CAN_High
线上的电压为1.75v
,CAN_Low
线上的电压为3.25v
,即它们的电压差
为-1.5V
;而表示逻辑 0
时 (显性电平) ,CAN_High
的电平为4.0V
,CAN_Low
线的电平为1.0V
,即它们的电压差为3V
。
CAN总线的
空闲状态
或接收状态
是逻辑1
(隐性电平),电压差为0V
(ISO11898)或者-1.5V
(ISO11519-2),电压差低于逻辑0
(显性电平)的电压差。
当多个设备争抢总线时,传输数据中的
隐性位‘1’被显性位‘0’覆盖
,仲裁会利用这个特性。
由于 CAN 总线协议的物理层只有
1 对差分线
,在一个时刻只能表示一个信号
,所以对通讯节点来说,CAN 通讯是半双工的
,收发
数据需要分时
进行。
通信协议
CAN 协议涵盖了 ISO 规定的 OSI基本参照模型中的数据链路层
及物理层
。
数据链路层分为
MAC
子层和LLC
子层,MAC 子层是 CAN 协议的核心部分。数据链路层的功能是将物理层收到的信号组织成有意义的消息,并提供传送错误控制等传输控制的流程。具体地说,就是消息的帧化、仲裁、应答、错误的检测或报告。
数据链路层
的功能通常在 CAN 控制器的硬件
中执行。多主或无主网络架构的CAN总线节点对总线占用权的竞争和仲裁方案
通常采用CSMA/CA
,即载波侦听多路访问/碰撞避免
,这点在计算机网络学过,忘记了可以复习一下。
CAN总线是一种多主网络架构,
每个CAN节点
的数据信息被系统设计和维护者分配惟一的ID
,CAN总线收发器允许CAN协议控制器监测网络状态
,任何时候任何节点都可以主动地将节点的数据信息和对应的惟一ID封装成数据帧
并启动消息发送, 该发送过程是否成功将取决于总线状态和总线竞争的仲裁
结果,如果发送失败(抢占总线失败或收到发送错误帧)则CAN协议控制器将通过重试机制
再次发送。
CAN总线收发器不仅具有
差分驱动
和差分接收
能力,还具有收发环路,即发送的同时还支持接收。在原理上收发环路允许CAN总线节点的CAN协议控制器
能够侦测
每一个数据位是否发送成功。
CAN协议定义了5种类型的帧,分别为
数据帧遥控帧错误帧过载帧帧间隔
另外,数据帧和遥控帧有标准格式和扩展格式两种格式。标准格式有 11 个位的标识符(Identifier: 以下称 ID),扩展格式有 29 个位的 ID。
帧的用途如下:
数据帧
(1) 帧起始(标准、扩展格式相同)
表示帧开始的段。1 个位的显性位。
显性电平的逻辑值为“0”,隐性电平为“1”。“显性”具有“优先”的意味
(2) 仲裁段
表示数据的优先级的段。标准格式和扩展格式在此的构成有所不同。标准格式的 ID 有 11 个位,扩展格式的 ID 有 29 个位。
(3) 控制段
控制段由 6 个位构成,表示数据段的字节数。标准格式和扩展格式的构成有所不同。
保留位(r0、r1) 保留位必须全部以显性电平发送。但接收方可以接收显性、隐性及其任意组合的电平。 数据长度码(DLC) 数据长度码与数据的字节数的对应关系如表所示。
数据的字节数必须为 0~8 字节。但接收方对 DLC = 9~15 的情况并不视为错误。
(4) 数据段(标准、扩展格式相同)
数据段可包含 0~8 个字节的数据。从 MSB(最高位)开始输出。
(5) CRC 段(标准/扩展格式相同)
CRC 段是检查帧传输错误的帧。由 15 个位的 CRC 和 1 个位的 CRC 界定符(用于分隔的位)构成。
CRC 的计算范围包括帧起始、仲裁段、控制段、数据
段。
(6) ACK 段
ACK 段用来确认是否正常接收。由 ACK 槽(ACK Slot)和 ACK 界定符 2 个位构成。
发送单元的 ACK 段 发送单元在 ACK 段发送 2 个位的隐性位
。 接收单元的 ACK 段 接收到正确消息的单元在 ACK 槽(ACK Slot)发送显性位
,通知发送单元正常接收结束。这称作“发送 ACK”或者“返回 ACK”。
(7) 帧结束
帧结束是表示该该帧的结束的段。由 7 个位的隐性位构成。
参考