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I2C與SPI與UART：如何布局這些通用總線
I2C與SPI與UART：如何布局這些通用總線
如果您要為項目構建開發板或使用通用MCU，則會發現許多用于通信其他活動組件的協議。USB和以太網之類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等協議與下游MCU或可編程IC進行接口。I2C總線，SPI總線和UART總線之間的區別很簡單，任何使用MCU的設計人員都應該知道如何為這些協議設置路由和布局。
這些協議是速度較慢的信令標準，因此，如果您使用這些協議，幾乎不必擔心諸如阻抗控制或傳輸線行為之類的問題。但是，在確保在接收器上正確讀取總線信號時，必須考慮一些重要的設計要點。解決問題也很重要，但是特定的產品和您的代碼可以解決這一點。現在，讓我們看一下如何在您的PCB布局中使用這三種通用協議，以及一些保持信號完整性的要點。
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議中的一種以及GPIO，以實現可編程性并將信號發送到簡單的外設。這三個串行協議是總線協議。I2C和UART使用尋址方案，而SPI是無地址的。盡管SPI是無地址的，但它是一種總線協議，仍可用于選擇下游設備以接收數據。
I2C協議
I2C（發音為I平方的C，有時也稱為集成電路間的IIC）使用兩條線（標準，快速和快速加法模式）來控制其他設備；一條線是時鐘線（SCL），另一條線是數據線（SDA）。它具有三種模式，下表總結了這些模式。請注意，上升/下降時間值假定在I / O上安裝了典型的串聯電阻。
|
模式 |
數據速率/時鐘速度 |
最大限度。上升/下降時間 |
最小 上升/下降時間 |
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） 1.7 MHz（400 pF總線） |
120 ns ** |
15 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，則按線性比例縮小
**將時鐘線的這些值除以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需要匹配總線阻抗，而實際上這幾乎是絕不可以匹配的。如果我們對臨界線長度采取非常保守的10％限制，我們會發現這些線的臨界長度為0.32 m，這比使用I2C的大多數電路板的尺寸要長得多。如果我們將拐點頻率用于最短的上升/下降時間，并且將臨界長度限制為10％，則得出的值會更長，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線都不會充當傳輸線，我們只需要擔心端接方案。
端接的重點是選擇合適的上拉電阻和串聯電阻。上拉電阻器和VDD / VCC線路總線的電容形成放電和充電RC電路，當驅動器切換時，該電路為接收器提供信號。信號線和時鐘線的上拉電阻值（Rp）必須遵守以下不等式：
總線電容是使用VCC總線阻抗的標準公式確定的，該公式使用與傳輸線（微帶或帶狀線）相同的公式計算得出。然后，您可以使用線路的阻抗和傳播延遲來解決總線電容。在I2C標準下，串聯電阻是可選的，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/下降時間。確定與您的上拉電阻值配對的正確串聯電阻值。
SPI協議
SPI協議類似于I2C。該總線上總共使用了4條線，并且可以兩種可能的方式排列組件。如果使用單個控制器設備來觸發單個下游設備，則拓撲就是點對點的。觸發多個設備取決于驅動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，其中單個設備選擇輸出連續觸發菊花鏈中的每個設備。
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常快，否則您可以將互連線上的信號電平近似為DC，因為它將低于傳輸線行為的臨界長度。然后，您可以使用一個串聯電阻器來終止驅動器的低阻抗輸出，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/下降時間。
UART協議
通用異步收發器（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，因為設備之間沒有時鐘發送。一切都是異步的。注意，每個UART設備的內部（系統）時鐘必須以波特率的幾倍運行（即，每個位被采樣N次）。單個控制器設備和單個下游設備之間僅使用兩條電線進行通信。
注意，UART器件的數據格式，信號電平和波特率可通過外部驅動器電路進行配置。不幸的是，這也意味著對于UART器件的布線和布局幾乎沒有硬性規定。遵循標準的高速設計指南，通過查看傳輸線行為的轉變來確定何時需要終止。減少過沖的典型端接方法是串聯端接。請注意，UART可能在高電平或低電平下處于空閑狀態，并且可能需要上拉電阻來設置所需的空閑水平；在添加上拉電阻之前，請務必檢查您的組件規格。