I2C與SPI與UART：如何布局這些通用總線(xiàn)

2021-04-16

I2C與SPI與UART：如何布局這些通用總線(xiàn)

如果您要為項目構建開(kāi)發(fā)板或使用通用MCU，則會(huì )發(fā)現許多用于通信其他活動(dòng)組件的協(xié)議。USB和以太網(wǎng)之類(lèi)的標準已內置在大多數控制器中，用于與計算機外圍設備一起使用。盡管如此，仍使用I2C，SPI，UART等協(xié)議與下游MCU或可編程IC進(jìn)行接口。I2C總線(xiàn)，SPI總線(xiàn)和UART總線(xiàn)之間的區別很簡(jiǎn)單，任何使用MCU的設計人員都應該知道如何為這些協(xié)議設置路由和布局。

這些協(xié)議是速度較慢的信令標準，因此，如果您使用這些協(xié)議，幾乎不必擔心諸如阻抗控制或傳輸線(xiàn)行為之類(lèi)的問(wèn)題。但是，在確保在接收器上正確讀取總線(xiàn)信號時(shí)，必須考慮一些重要的設計要點(diǎn)。解決問(wèn)題也很重要，但是特定的產(chǎn)品和您的代碼可以解決這一點(diǎn)?，F在，讓我們看一下如何在您的PCB布局中使用這三種通用協(xié)議，以及一些保持信號完整性的要點(diǎn)。

I2C與SPI與UART之間的差異

從8位到32位的所有MCU都將至少使用這些協(xié)議中的一種以及GPIO，以實(shí)現可編程性并將信號發(fā)送到簡(jiǎn)單的外設。這三個(gè)串行協(xié)議是總線(xiàn)協(xié)議。I2C和UART使用尋址方案，而SPI是無(wú)地址的。盡管SPI是無(wú)地址的，但它是一種總線(xiàn)協(xié)議，仍可用于選擇下游設備以接收數據。

I2C協(xié)議

I2C（發(fā)音為I平方的C，有時(shí)也稱(chēng)為集成電路間的IIC）使用兩條線(xiàn)（標準，快速和快速加法模式）來(lái)控制其他設備；一條線(xiàn)是時(shí)鐘線(xiàn)（SCL），另一條線(xiàn)是數據線(xiàn)（SDA）。它具有三種模式，下表總結了這些模式。請注意，上升/下降時(shí)間值假定在I / O上安裝了典型的串聯(lián)電阻。

模式	數據速率/時(shí)鐘速度	最大限度。上升/下降時(shí)間	最小 上升/下降時(shí)間	方向性
標準	100 kHz的	1000納秒	--	雙向的
快速地	400 kHz的	300納秒	20 ns *	雙向的
快加	1兆赫	300納秒	20 ns *	雙向的
高速	3.4 MHz（100 pF總線(xiàn)） 1.7 MHz（400 pF總線(xiàn)）	120 ns ** 240 ns **	15 ns ** 30 ns **	雙向的
超快	5兆赫	50納秒	25納秒	單向

*假設VDD / VCC = 5.5V。如果VDD / VCC較低，則按線(xiàn)性比例縮小
**將時(shí)鐘線(xiàn)的這些值除以2

請注意，超快速模式是唯一將通信僅用于下游寫(xiě)入操作的模式。此模式也很重要，因為它可以幫助我們了解何時(shí)需要匹配總線(xiàn)阻抗，而實(shí)際上這幾乎是絕不可以匹配的。如果我們對臨界線(xiàn)長(cháng)度采取非常保守的10％限制，我們會(huì )發(fā)現這些線(xiàn)的臨界長(cháng)度為0.32 m，這比使用I2C的大多數電路板的尺寸要長(cháng)得多。如果我們將拐點(diǎn)頻率用于最短的上升/下降時(shí)間，并且將臨界長(cháng)度限制為10％，則得出的值會(huì )更長(cháng)，為0.92 m。對于超快模式，我們應該將保守的數字設置為0.32 m。任何小于此值的I2C線(xiàn)都不會(huì )充當傳輸線(xiàn)，我們只需要擔心端接方案。

端接的重點(diǎn)是選擇合適的上拉電阻和串聯(lián)電阻。上拉電阻器和VDD / VCC線(xiàn)路總線(xiàn)的電容形成放電和充電RC電路，當驅動(dòng)器切換時(shí)，該電路為接收器提供信號。信號線(xiàn)和時(shí)鐘線(xiàn)的上拉電阻值（Rp）必須遵守以下不等式：

 

總線(xiàn)電容是使用VCC總線(xiàn)阻抗的標準公式確定的，該公式使用與傳輸線(xiàn)（微帶或帶狀線(xiàn)）相同的公式計算得出。然后，您可以使用線(xiàn)路的阻抗和傳播延遲來(lái)解決總線(xiàn)電容。在I2C標準下，串聯(lián)電阻是可選的，但可以包括在內以保護器件免受電壓尖峰的影響并減慢上升/下降時(shí)間。確定與您的上拉電阻值配對的正確串聯(lián)電阻值。

SPI協(xié)議

SPI協(xié)議類(lèi)似于I2C。該總線(xiàn)上總共使用了4條線(xiàn)，并且可以?xún)煞N可能的方式排列組件。如果使用單個(gè)控制器設備來(lái)觸發(fā)單個(gè)下游設備，則拓撲就是點(diǎn)對點(diǎn)的。觸發(fā)多個(gè)設備取決于驅動(dòng)器提供的芯片選擇輸出的數量（標準模式）。第二種模式使用菊花鏈，其中單個(gè)設備選擇輸出連續觸發(fā)菊花鏈中的每個(gè)設備。

與I2C不同，SPI中的各種信令參數都是高度可配置的。除非您運行的接口非?？?，否則您可以將互連線(xiàn)上的信號電平近似為DC，因為它將低于傳輸線(xiàn)行為的臨界長(cháng)度。然后，您可以使用一個(gè)串聯(lián)電阻器來(lái)終止驅動(dòng)器的低阻抗輸出，并確保最大的功率傳輸。上面顯示的具有跟蹤電容的RC放電方法可以控制接口的輸出電流和上升/下降時(shí)間。

UART協(xié)議

通用異步收發(fā)器（UART）與I2C相似。這些接口的最大數據速率約為5 Mbps。UART設備也很容易使用，因為設備之間沒(méi)有時(shí)鐘發(fā)送。一切都是異步的。注意，每個(gè)UART設備的內部（系統）時(shí)鐘必須以波特率的幾倍運行（即，每個(gè)位被采樣N次）。單個(gè)控制器設備和單個(gè)下游設備之間僅使用兩條電線(xiàn)進(jìn)行通信。

注意，UART器件的數據格式，信號電平和波特率可通過(guò)外部驅動(dòng)器電路進(jìn)行配置。不幸的是，這也意味著(zhù)對于UART器件的布線(xiàn)和布局幾乎沒(méi)有硬性規定。遵循標準的高速設計指南，通過(guò)查看傳輸線(xiàn)行為的轉變來(lái)確定何時(shí)需要終止。減少過(guò)沖的典型端接方法是串聯(lián)端接。請注意，UART可能在高電平或低電平下處于空閑狀態(tài)，并且可能需要上拉電阻來(lái)設置所需的空閑水平；在添加上拉電阻之前，請務(wù)必檢查您的組件規格。