各总线及接口介绍

常见接口电路介绍

一、I2C总线简介

1. 什么是I2C（ INTER IC BUS）

NXP 半导体（原Philips 半导体）于20 多年前发明了一种简单的双向二线制串行通信总线，这个总线被称为Inter-IC 或者I2C 总线。目前I2C 总线已经成为业界嵌入式应用的标准解决方案，被广泛地应用在各式各样基于微控器的专业、消费与电信产品中，作为控制、诊断与电源管理总线。多个符合I2C 总线标准的器件都可以通过同一条I2C 总线进行通信，而不需要额外的地址译码器。由于I2C 是一种两线式半双工串行总线，因此简单的操作特性成为它快速崛起成为业界标准的关键因素。

2. I2C总线的基本概念

1）发送器（Transmitter）：发送数据到总线的器件；

2）接收器（Receiver）：从总线接收数据的器件；

3）主机（Master）：初始化发送、产生时钟信号和终止发送的器件；4）从机（Slave）：被主机寻址的器件；

其线路结构图如下：

如上图示，I2C 总线具有如下特点：

1）I2C 总线是双向传输的总线，因此主机和从机都可能成为发送器和接收器。不论主机是发送器还是接收器，时钟信号SCL 都要由主机来产生；

2）只需要由两根信号线组成，一根是串行数据线SDA，另一根是串行时钟线SCL；

3）SDA 和SCL 信号线都必须要加上拉电阻Rp（Pull-Up Resistor）。上拉电阻一般取值3～10KΩ；

4）SDA 和SCL 管脚都是漏极开路（或集电极开路）输出结构；

3. I2C总线的信号传输

1）3种速率可选择

标准模式100kbps、快速模式400kbps、最高速率3.4Mbps；

2）具有特定的传输起始、停止条件

a）起始条件：当SCL 处于高电平期间时，SDA 从高电平向低电平跳变时产生起始条件。

起始条件常常简记为S；

b）停止条件：当SCL 处于高电平期间时，SDA 从低电平向高电平跳

变时产生停止条件。

停止条件简记为P；

3）数据传输从确定从机地址开始

a）多个从机可连接到同一条I2C 总线上，它们之间通过各自唯一的器件地址来区分；

b）一般从机地址由7 位地址位和一位读写标志R/W 组成，7 位地址占据高7 位，读写位在最后。读写位是0，表示主机将要向从机写入数据；读写位是1，则表示主机将要从从机读取数据；

4）以字节为单位的数据传输方式

a）I2C 总线以字节（Byte）为单位收发数据，主机总是先发地址再发数据；

b）在I2C 总线传输数据过程中，每传输一个字节，都要跟一个应答状态位。遵循“谁接收谁产生”的原则，即总是由接收器产生应答位，应答位为0 表示接收器应答（ACK）；为1 则表示非应答（NACK）；c）如果接收器在接收完最后一个字节的数据，或者不能再接收更多

的数据时，应当产生非应答来通知发送器；

4. I2C总线数据传输时序图示

1）传输格式图示

（灰色为主机的工作时隙，白色为从机的工作时隙）S：起始位（START）；

SA：从机地址（Slave Address），7 位从机地址；W：写标志位（Write），1 位写标志；

R：读标志位（Read），1 位读标志；

A：应答位（Acknowledge），1 位应答；

A：非应答位（Not Acknowledge），1 位非应答M；D：数据（Data），每个数据都必须是8 位；

P：停止位（STOP）；

2）传输时序示例

5. I2C总线的常见应用

所应用范围包括：摄像头、调频收音机芯片、音频编解码芯片、模拟电视、光电鼠标等，一般用于同一板卡上芯片之间的通信，较少用于远距离通信。

二、SPI总线简介

1.什么是SPI

串行外围设备接口SPI（serial peripheral interface_串行外设接口）总线技术是Motorola 公司推出的一种同步串行接口，Motorola 公司生产的绝大多数MCU（微控制器）都配有SPI 硬件接口。

SPI 用于CPU 与各种外围器件进行全双工、同步串行通讯，通信波特率可以高达几Mbps，但具体速度大小取决于SPI硬件。SPI接口具有全双工操作，操作简单，数据传输速率较高的优点，但也存在没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到数据的缺点。

单工、半双工、全双工

单工数据传输只支持数据在一个方向上传输；

半双工数据传输允许数据在两个方向上传输，但是，在某一时刻，只允许数据

在一个方向上传输，它实际上是一种切换方向的单工通信；

全双工数据通信允许数据同时在两个方向上传输，因此，全双工通信是两个单工通信方式的结合，它要求发送设备和接收设备都有独立的接收和发送能力。

同步通信原理：

同步通信是一种连续串行传送数据的通信方式，一次通信只传送一帧信息。这里的信息帧与异步通信中的字符帧不同，通常含有若干个数据字符。

采用同步通信时，将许多字符组成一个信息组，这样，字符可以一个接一个地传输，但是，在每组信息（通常称为帧）的开始要加上同步字符，在没有信息要传输时，要填上空字符，因为同步传输不允许有间隙。在同步传输过程中，一个字符可以对应5～8位。当然，对同一个传输过程，所有字符对应同样的数位，比如说n位。这样，传输时，按每n位划分为一个时间片，发送端在一个时间片中发送一个字符，接收端则在一个时间片中接收一个字符。

同步传输时，一个信息帧中包含许多字符，每个信息帧用同步字符作为开始，一般将同步字符和空字符用同一个代码。在整个系统中，由一个统一的时钟控制发送端的发送和空字符用同一个代码。接收端当然是应该能识别同步字符的，当检测到有一串数位和同步字符相匹配时，就认为开始一个信息帧，于是，把此后的数位作为实际传输信息来处理。

异步通信原理：

异步通信是一种很常用的通信方式。异步通信在发送字符时，所发送的字符之间的时间间隔可以是任意的。当然，接收端必须时刻做好接收的准备。发送端可以在任意时刻开始发送字符，因此必须在每一个字符的开始和结束的地方加上标志，即加上开始位和停止位，以便使接收端能够正确地将每一个字符接收下来。异步通信的好处是通信设备简单、便宜，但传输效率较低（因为开始位和停止位的开销所占比例较大）。