임베디드 시스템에서 인터페이스는 다양한 집적 회로를 다른 주변 장치와 연결하는 데 사용되는 통신 경로 또는 버스를 의미합니다. 마이크로 컨트롤러와 외부 세계 간의 정보 교환을 위한 연결 부품이자 전송 스테이션입니다.

MCU와 주변 장치 사이에 인터페이스가 필요한 이유는 무엇입니까?

다음과 같은 네 가지 주요 이유가 있습니다.

1. MCU의 신호와 주변기기의 신호는 기능 정의, 논리 정의, 타이밍 관계 등에서 호환되지 않습니다.
2. MCU의 처리 속도와 주변 장치의 처리 속도가 일치하지 않습니다. 예를 들어 MCU의 속도는 빠른 반면 주변 장치의 속도는 느립니다.
3. MCU가 인터페이스 없이 주변장치의 동작을 직접 제어하면 MCU가 주변장치를 다루기 어려운 상황이 되어 효율성이 크게 떨어집니다.
4. 주변 장치가 MCU에 의해 직접 제어되는 경우 주변 장치의 하드웨어 아키텍처가 MCU에 완전히 의존하게 되어 주변 장치 자체의 개발을 방해하게 됩니다.

범용 인터페이스 소개

UART

일반적으로 UART로 알려진 범용 비동기 수신기-송신기는 컴퓨터 하드웨어의 일부이며 직렬 통신과 병렬 통신 간에 데이터를 전송하는 전이중 비동기 송수신기입니다. 칩이 병렬 입력을 직렬 출력으로 변환하므로 UART는 일반적으로 다른 통신 인터페이스와의 연결을 위해 통합됩니다.

UART의 고유한 장점은 두 개의 와이어만 사용하여 장치 간에 데이터를 전송할 수 있다는 것입니다. UART 통신에서는 두 개의 UART 트랜시버가 서로 직접 통신합니다. UART 송신기는 CPU의 병렬 데이터를 직렬 데이터로 변환한 다음 수신 UART 송수신기로 전송합니다. 따라서 수신 UART 트랜시버는 직렬 데이터를 수신 장치용 병렬 데이터로 다시 변환합니다. 송신 UART의 TX 핀에서 수신 UART의 RX 핀으로의 데이터 흐름은 그림 1과 같습니다.

그림 1. UART 통신 연결 다이어그램

UART 통신 프로토콜 데이터 프레임은 다음과 같이 설명됩니다.

1. 시작 비트 : 먼저 문자 전송의 시작을 나타내는 논리 "0" 신호를 보냅니다.
2. 데이터 비트 : 시작 비트 직후. 데이터 비트의 수는 문자를 형성하는 4, 5, 6, 7, 8 등이 될 수 있습니다. 일반적으로 ASCII 코드가 사용됩니다.
3. 패리티 비트 : 데이터 비트에 이 비트를 더한 후 "1"의 비트 수가 짝수(짝수 검사) 또는 홀수(홀수 검사)여야 데이터 전송의 정확성을 확인할 수 있습니다.
4. 정지 비트 : 문자 데이터의 끝 표시입니다. 1비트, 1.5비트 또는 2비트 고전압 레벨로 표시할 수 있습니다. 정지 비트가 많을수록 데이터 전송 속도는 느려지지만 더 안정적입니다.
5. Idle 비트 : 현재 회로에서 데이터 전송이 없음을 의미하는 논리 "1" 상태입니다.
6. 전송 속도 : 데이터 전송 속도. 다음과 같은 속도가 있습니다: 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 43000, 56000, 57600, 115200. 전송 속도는 올바른 데이터 전송을 보장하기 위해 미리 설정해야 합니다. 데이터 전송 프로세스는 그림 2에 나와 있습니다.

그림 2. UART 데이터 프레임

UART 통신 원리

데이터 전송 프로세스: 유휴 상태에서 회로는 높은 수준입니다. 데이터 전송 명령을 받으면 T 시간 동안 한 데이터 비트에 대한 회로의 레벨을 낮추고 낮은 자리에서 높은 자리로 데이터를 보냅니다. 데이터 전송이 완료되면 패리티 비트와 정지 비트(정지 비트가 높은 수준임)가 전송되어 데이터 프레임의 전송을 마무리합니다.

데이터 수신 프로세스: 유휴 상태에서 회로는 높은 수준입니다. 회로에서 전압 강하의 에지가 감지되면 데이터 전송이 시작되었음을 나타냅니다. 그리고 합의된 전송 속도에 따라 낮은 자리에서 높은 자리로 데이터를 수신합니다. 그런 다음 패리티 비트를 수신하고 비교하여 전송이 올바른지 확인합니다. 올바르면 후속 장치에 데이터 수신을 준비하거나 캐시에 저장할 준비를 하라고 알립니다.

내장형 설계에서 UART는 자동차 오디오와 외부 AP 간의 통신과 같은 MCU와 보조 장비 간의 통신에 사용됩니다. 또는 모니터링 디버거와 EEPROM과 같은 기타 장치를 포함하여 MCU와 PC 간의 통신입니다.

BLE 모듈에서 UART 투명 전송은 거의 표준 기능이 되었습니다. 직렬 투명 전송 모듈은 사용이 매우 편리합니다. 개발자는 Bluetooth 프로토콜 스택이 구현되는 방식을 이해할 필요가 없습니다. UART 투명 전송 기능을 갖춘 BLE 모듈로 무선 제품을 쉽게 개발할 수 있습니다.

무선 IoT 모듈 제조업체 인 Shenzhen RF-star Technology는 TI CC2640 CC2642 CC264X, CC26X2, Silicon Labs EFR32BG22, Nordic nRF52832 nRF52810 및 기타 국내 솔루션 의 SoC를 기반으로 하는 UART 직렬 BLE 모듈을 제공합니다. 데이터 전송 및 수신에 블루투스 4.2/5.0을 지원하며 산업용 등급이고 크기가 컴팩트하며 초저전력 소모를 자랑한다. 매우 저렴한 비용으로 사용자가 Bluetooth 응용 프로그램을 빠르게 개발할 수 있습니다.

SPI

SPI는 Serial Peripheral Interface의 약자입니다. SPI 인터페이스는 주로 EEPROM, FLASH, 실시간 클럭, 네트워크 컨트롤러, LCD 디스플레이 드라이버, AD 변환기, 디지털 신호 프로세서 및 디코더 및 기타 장치 간에 사용됩니다.

고속 전이중 동기식 통신 버스인 SPI는 칩에서 4개의 핀만 필요하므로 IC의 핀과 PCB 레이아웃의 공간도 절약됩니다.

4개의 주요 핀은 다음과 같습니다.

• MOS1 - 마스터 장치에서 슬레이브로 데이터를 전송하는 데 사용되는 마스터 출력 및 슬레이브 입력.
• MISO - 슬레이브 장치에서 마스터로 데이터를 전송하는 데 사용되는 마스터 입력 및 슬레이브 출력.
• SCK - 동기화를 위한 마스터 장치의 클록 출력인 직렬 클록.
• SS/CS - 여러 슬레이브에서 슬레이브 장치를 선택하기 위해 마스터 장치에 할당되는 슬레이브 장치 선택. 특정 슬레이브 장치를 선택하기 위해 낮은 수준의 유효 신호를 삽입합니다.
• 마스터-슬레이브 연결은 그림 3에 나와 있습니다.

그림 3. SPI 마스터-슬레이브 연결

하나의 SPI 클록 주기에서 데이터 전송은 다음 작업을 거칩니다.

1. 마스터는 MOSI를 통해 1비트 데이터를 보내고 슬레이브는 회로를 통해 1비트 데이터를 읽습니다.
2. 슬레이브는 MISO를 통해 1비트 데이터를 보내고 마스터는 회로를 통해 1비트 데이터를 읽습니다.

이것은 시프트 레지스터를 통해 달성됩니다. 마스터와 슬레이브에는 각각 시프트 레지스터가 있으며 둘 다 링으로 연결됩니다. 클록 펄스의 속도에 따라 데이터는 마스터 레지스터와 슬레이브 레지스터에서 가장 높은 숫자가 먼저, 가장 낮은 숫자가 마지막으로 이동한 다음 슬레이브 레지스터와 마스터 레지스터로 이동합니다. 레지스터에서 이사가 완료되면 레지스터 간의 콘텐츠 교환이 완료됩니다. 데이터 전송은 그림 4에 나와 있습니다.

그림 4. SPI 데이터 전송

SPI 작동에서 가장 중요한 두 가지 설정은 클록 극성(CPOL)과 클록 위상(CPHA)입니다. 클록 극성은 클록이 유휴 상태일 때 전압 레벨을 설정하고 클록 위상은 데이터를 읽고 데이터를 전송하기 위한 클록 에지를 설정합니다.

마스터와 슬레이브는 동시에 데이터를 보내고 둘 다 동시에 데이터를 받습니다. 따라서 그들 사이의 올바른 통신을 보장하기 위해 SPI는 동일한 클록 극성과 클록 위상을 가져야 합니다.

• CPOL=0이면 직렬 동기 클록의 유휴 상태는 로우 레벨입니다.
• CPOL=1이면 직렬 동기 클록의 유휴 상태는 높은 수준입니다.
• CPHA=0이면 직렬 동기 클록의 첫 번째 점프 에지(상승 또는 하강)에서 데이터가 수집됩니다.
• CPHA=1이면 직렬 동기 클록의 두 번째 점프 에지(상승 또는 하강)에서 데이터가 수집됩니다.

다음 그림은 네 가지 모드에서의 통신 프로세스를 보여줍니다.

그림 5. CPOL=0, CPHA=0

그림 6. CPOL=0, CPHA=1

그림 7. CPOL=1, CPHA=0

그림 8. CPOL=1, CPHA=1

다음 장에서는 I2C, USB, ADC 및 CAN과 같은 다른 주변 장치 인터페이스에 대해 자세히 설명합니다. 계속 지켜봐!

회사 소개

Shenzhen RF-star Technology Co., Ltd. (RF-star)는 무선 주파수 장치에 중점을 둔 첨단 기술 회사로 Texas Instruments에서 저전력 RF 제품의 제3자 IDH로 10년 이상 인증을 받았습니다. . RF-star는 IoT 와이어를 제공합니다.ESS 모듈 및 BLE, Wi-Fi, Matter, Wi-SUN, Sub-1G, ZigBee, Thread 등을 포함한 전체 솔루션. 자세한 내용은 회사 웹 사이트 https://www.rfstariot.com 을 방문하십시오. / 또는 info@szrfstar.com으로 문의하십시오.