汇总5种常用的嵌入式板上通信接口

随着通信与计算机整合时代的到来，数字化、宽带化和智能化已成为未来通信发展的方向，人类社会对电信业务从质量到业务种类都提出越来越高的要求，而接入网作为电信网的重要组成部分，连接本地交换机与用户，是整个电信网的毛细血管和瓶颈，实现数字化、宽带化和业务综合化的关键。 嵌入式系统是以应用为中心的硬件设计和面向应用的软件产品开发为基础的专用计算机系统，广泛应用于制造工业、过程控制、通信、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费产品等领域。

在嵌入式系统中，板上通信接口是指用于将各种集成电路与其他外围设备交互连接的通信通路或总线。下面将逐一说明常用的板上通信接口。

随着通信与计算机整合时代的到来，数字化、宽带化和智能化已成为未来通信发展的方向，人类社会对电信业务从质量到业务种类都提出越来越高的要求，而接入网作为电信网的重要组成部分，连接本地交换机与用户，是整个电信网的毛细血管和瓶颈，实现数字化、宽带化和业务综合化的关键。 嵌入式系统是以应用为中心的硬件设计和面向应用的软件产品开发为基础的专用计算机系统，广泛应用于制造工业、过程控制、通信、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费产品等领域。

在嵌入式系统中，板上通信接口是指用于将各种集成电路与其他外围设备交互连接的通信通路或总线。下面将逐一说明常用的板上通信接口。

1.I2C总线

I2C (Inter-Integrated Circuit)：由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。

I2C总线用两条线(SDA和SCL)在总线和装置之间传递信息，在微控制器和外部设备之间进行串行通讯或在主设备和从设备之间的双向数据传送。I2C是OD输出的，大部分I2C都是2线的(时钟和数据)，一般用来传输控制信号。

I2C是多主控总线，所以任何一个设备都能像主控器一样工作，并控制总线。总线上每一个设备都有一个独一无二的地址，根据设备它们自己的能力，它们可以作为发射器或接收器工作。多路微控制器能在同一个I2C总线上共存。

I2C总线支持三种不同的数据速率：标准模式(数据速率为100kb/秒，即100kbps)、快速模式(数据速率为400kb/秒，即400kbps)、高速模式(数据速率为3.4Mb/秒，即3.4Mbps)。第一代I2C设备设计所支持的数据速率只有100kbps，新一代I2C设备则能够以高达3.4Mbps的数据速率工作。

2. SPI总线

SPI (Serial Peripheral Interface)：MOTOROLA公司提出的同步串行总线方式。高速同步串行口。3～4线接口，收发独立、可同步进行。

因其硬件功能强大而被广泛应用。在单片机组成的智能仪器和测控系统中。如果对速度要求不高，采用SPI总线模式是个不错的选择。它可以节省I/O端口,提高外设的数目和系统的性能。标准SPI总线由四根线组成：串行时钟线(SCK)、主机输入/从机输出线(MISO)。主机输出/从机输入线(MOSI)和片选信号(CS)。有的SPI接口芯片带有中断信号线或没有MOSI。

SPI总线由三条信号线组成：串行时钟(SCLK)、串行数据输出(SDO)、串行数据输入(SDI)。SPI总线可以实现多个SPI设备互相连接。提供SPI串行时钟的SPI设备为SPI主机或主设备(Master)，其他设备为SPI从机或从设备(Slave)。主从设备间可以实现全双工通信，当有多个从设备时，还可以增加一条从设备选择线。如果用通用IO口模拟SPI总线，必须要有一个输出口(SDO)，一个输入口(SDI)，另一个口则视实现的设备类型而定，如果要实现主从设备，则需输入输出口，若只实现主设备，则需输出口即可，若只实现从设备，则只需输入口即可。

与I2C总线相比，SPI总线更适于数据流传输。SPI的不足之处在于，SPI不支持数据确认机制。

3. UART

UART：通用异步串行口，按照标准波特率完成双向通讯，速度慢。

UART总线是异步串口，因此一般比前两种同步串口的结构要复杂很多，一般由波特率产生器(产生的波特率等于传输波特率的16倍)、UART接收器、UART发送器组成，硬件上由两根线，一根用于发送，一根用于接收。

UART是用于控制计算机与串行设备的芯片。有一点要注意的是，它提供了RS-232C数据终端设备接口，这样计算机就可以和调制解调器或其它使用RS-232C接口的串行设备通信了。作为接口的一部分，UART还提供以下功能：

将由计算机内部传送过来的并行数据转换为输出的串行数据流。将计算机外部来的串行数据转换为字节，供计算机内部使用并行数据的器件使用。在输出的串行数据流中加入奇偶校验位，并对从外部接收的数据流进行奇偶校验。在输出数据流中加入启停标记，并从接收数据流中删除启停标记。处理由键盘或鼠标发出的中断信号(键盘和鼠标也是串行设备)。可以处理计算机与外部串行设备的同步管理问题。有一些比较高档的UART还提供输入输出数据的缓冲区，现在比较新的UART是16550，它可以在计算机需要处理数据前在其缓冲区内存储16字节数据，而通常的UART是8250。现在如果您购买一个内置的调制解调器，此调制解调器内部通常就会有16550 UART。

除了串行数据传输功能以外，UART还可以为控制串行数据流提供硬件握手信号支持。很多半导体厂商都提供了相应的UART芯片。如今，大多数微处理器/控制器都集成有UART功能，并为串行数据传输与接收提供内置式的指令支持。

4. 1-Wire接口

1-Wire接口是由Maxim Dallas半导体公司(首页为http://www.maxim-ic.com)开发的异步半双工通信协议，也称为Dallas 1-Wire®协议。其中，按照主-从通信模型，只使用单条信号线DQ实现通信。1-Wire总线的一个重要特征在于，该总线允许在信号线上传输能量。I2C从设备在信号线上使用内部电容器(其典型取值为800 pF)来驱动设备。1-Wire接口支持在总线上连接单个主设备以及一个或多个从设备。

每台1-Wire设备都具有全球唯一可识别的64位识别码信息，存储在设备内部。对于多台从设备连接到1-Wire总线上的情况，通过解读唯一的识别码，可以寻址总线上存在的各台独立设备。识别码由以下三个部分组成：8位的类别码、48位的序列号以及前56比特数据的8位CRC校验结果。与1-Wire从设备通信的具体流程如下：

(1) 主设备将复位脉冲发送到1-Wire总线上。

(2) 总线上的从设备通过确认脉冲予以回应。

(3) 主设备发送ROM命令(网络寻址命令，参数是设备的64位地址)，从而寻址到需要发起通信的从设备。

(4) 主设备发送读/写命令，对从设备的内部存储器或寄存器进行读/写操作。

(5) 主设备将数据由从设备读出，或者是将数据写入从设备。

1-Wire总线上的所有通信都是由主设备发起的。其中，通信的最小间隔是时长为60微秒的时隙。复位脉冲占用8个时隙。在通信的开始阶段，主设备将1-Wire总线拉低到低电平，并持续8个时隙(即480 μs)，从而发出复位脉冲。如果总线上存在从设备，而且已经准备好进行通信，那么从设备将通过确认脉冲来回应主设备;也就是说，从设备将1-Wire总线拉低到低电平，并持续1个时隙(即60 μs)。为了在1-Wire总线上写入位值1，需要总线主设备将总线拉低，其持续时间为1~15 μs，然后在该时隙的其余时间段释放总线。为了在总线上写入位值0，主设备需要将总线拉低，其持续时间至少为1个时隙(60 μs)，最多为2个时隙(120 μs)。为了由从设备读出位值，主设备需要将总线拉低，并持续1~15 μs。为了响应主设备的读数据请求，如果从设备想要发送位值1，那么从设备只需要在该时隙的其余时间段释放总线;如果从设备想要发送位值0，那么从设备需要在该时隙的其余时间段将总线拉低。

5. 并行接口

板上并行接口(parallel interface)通常用于系统与外围设备之间的通信，其中，外围设备通过存储器映射到系统的主控端。只要嵌入式系统的主控处理器/控制器含有并行总线，支持并行总线的设备就可以直接连接到该总线系统上。外围设备与主控端之间具有控制信号接口，可以控制并行总线上的数据通信。这里，通信的控制信号包括读/写信号和设备选择信号。一般说来，外围设备具有设备选择线;只有当主控处理器选通该线的时候，该设备才是有效的。数据传输的方向可以是从主控端到外围设备，也可以是从外围设备到主控端;这是通过读和写控制信号线进行控制的。只有主控处理器能够控制读控制信号和写控制信号。一般说来，外围设备通过存储器映射到主控处理器，从而可以访问分配的地址范围。此时，设备需要使用地址译码电路来产生芯片选择信号。当处理器选择的地址位于设备指定范围内的时候，译码电路对芯片选择线进行触发，从而激活设备。然后，处理器可以使能相应的控制线(分别是RD\与WD\)，从而由设备读出数据，或者是向设备写入数据。为了实现并行通信，系统需要严格遵循时序规范。前面已经提到过，并行通信是由主控处理器启动的。如果某外围设备想要对通信进行初始化，那么可以向处理器发出中断，告知相关信息。为了实现上述功能，设备的中断线需要连接到处理器的中断线上，并且主控处理器需要触发相应的中断。需要说明的是，主控处理器的数据总线宽度决定了并行接口的宽度，可以是4位、8位、16位、32位、64位等。设备支持的总线宽度应该与主控处理器完全相同。并行数据通信为系统提供了高速数据传输能力。