In the embedded system, the interface refers to the communication path or bus used to connect various integrated circuits with other peripheral devices. It is the connecting part and transfer station for information exchange between the microcontroller and the outside world.

Why do we need interfaces between the MCU and peripherals?

There are four major reasons listed as follows.

1. The signals of the MCU and those of peripherals are incompatible in term of function definition, logic definition, and timing relationship etc..
2. The processing speed of the MCU and that of the peripheral do not match. For example, the speed of the MCU is fast while the speed of the peripheral is slow.
3. If the MCU directly controls the operation of peripherals without the interface, it will make the MCU in a difficult situation to deal with peripherals and greatly reduce its efficiency.
4. If the peripheral is directly controlled by the MCU, it will make the hardware architecture of the peripheral completely rely on the MCU, thus hinder the development of the peripheral itself.

Introduction to Universal Interfaces

UART

Universal Asynchronous Receiver-Transmitter, commonly known as UART, is a full-duplex asynchronous transceiver, which is a part of computer hardware and transfers data between serial communication and parallel communication. As a chip converts parallel input into serial output, UART is usually integrated for connection with other communication interfaces.

A unique advantage of UART is that it can transfer data between devices using only two wires. In UART communication, two UART tranceivers directly communicate with each other. The UART transmitter converts the parallel data from the CPU into serial data and then transmit them to the receiving UART transceiver. The receiving UART transceiver hence converts the serial data back to parallel data for the receiving device. Data flow from TX pin of sending UART to RX pin of receiving UART is shown as in Figure 1:

Figure 1. Diagram of UART Communication Connection

The UART communication protocol data frame is described as follows:

1. Start bit: first send a logic "0" signal, indicating the start of the character transmission.
2. Data bit: immediately after the start bit. The number of data bits can be 4, 5, 6, 7, 8, etc., which forms a character. ASCII code is usually used.
3. Parity bit: after adding this bit to the data bit, the number of bits of "1" should be even (for even check) or odd (for odd check) to verify the correctness of the data transmission.
4. Stop bit: It is the end mark of character data. It can be denominated with 1-bit, 1.5-bit or 2-bit high voltage level. The more stop bits are involved, the more stable whereas slower is the data transmission.
5. Idle bit: It is in the logic "1" state, meaning that there is no data transmission in the current circuit.
6. Baud rate: the data transmission velocity. There are the following speeds: 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 43000, 56000, 57600, 115200. The baud rate is required to be set in advance to ensure correct data transmission . The data transmission process is shown in Figure 2

Figure 2. UART Data Frame

UART Communication Principle

Data transmission process: In an idle state, the circuit is at a high level. When receiving the data transmission command, pull down the level of the circuit for one data bit for time T, and then send the data from lower digits to higher digits. After the data transmission is completed, the parity bit and stop bit (stop bit is at a high level) are sent to wrap up the transmission of a data frame.

Data reception process: In an idle state, the circuit is at a high level. When an edge of voltage dropping is detected in the circuit, it suggests that data transmission has started. And the data is received from lower digits to higher digits according to the agreed baud rate. After that a parity bit is received and compared to see if the transmission is correct. If it is correct, the subsequent device is notified to prepare to receive the data or store it in the cache.

In embedded design, UART is used for communication between the MCU and auxiliary equipment, such as communication between car audio and external APs. Or the communication between the MCU and the PC including the monitoring debugger and other devices, such as EEPROM.

In BLE modules, UART transparent transmission has almost become a standard feature. The serial transparent transmission module is extremely convenient to use. Developers do not need to understand how the Bluetooth protocol stack is implemented. They can easily develop wireless products with the BLE Modules featuring UART transparent transmission.

Shenzhen RF-star Technology, as a wireless IoT module manufacturer, provides the UART serial BLE modules based on SoCs of TI CC2640 CC2642 CC264X, CC26X2, Silicon Labs EFR32BG22, Nordic nRF52832 nRF52810, and other domestic solutions. Supporting Bluetooth 4.2/5.0 in data transmission and reception, they are of industrial grade, compact in size, and boast of ultra-low power consumption. They facilitate users fast developing Bluetooth applications at extremely low cost.

SPI

SPI is the abbreviation of Serial Peripheral Interface. SPI interface is mainly used between EEPROM, FLASH, real-time clock, network controller, LCD display driver, AD converter, digital signal processor & decoder, and other devices.

高速全二重同期通信バスとして、SPI はチップに 4 つのピンしか必要としないため、IC のピンと PCB レイアウトのスペースも節約できます。

その 4 つの主要なピンは次のとおりです。

• MOSl - マスター出力およびスレーブ入力。マスターデバイスからスレーブへのデータ転送に使用されます。
• MISO - マスター入力とスレーブ出力。スレーブデバイスからマスターにデータを転送するために使用されます。
• SCK - シリアル クロック。同期用のマスター デバイスのクロック出力です。
• SS/CS - スレーブ デバイスの選択。複数のスレーブからスレーブ デバイスを選択するためにマスター デバイスに割り当てられます。特定のスレーブデバイスを選択するためにローレベルの有効な信号を挿入します。
• マスターとスレーブの接続を図 3 に示します。

図 3. SPI マスター/スレーブ接続

1 つの SPI クロック サイクルで、データ送信は次の操作を実行します。

1. マスターは MOSI を介して 1 ビット データを送信し、スレーブは回路を介して 1 ビット データを読み取ります。
2. スレーブは MISO を介して 1 ビット データを送信し、マスターは回路を介して 1 ビット データを読み取ります。

これはシフト レジスタによって実現されます。マスターとスレーブはそれぞれシフト レジスタを持ち、両方がリング状に接続されています。クロック パルスのペースで、データは最初に最高位の桁、最後に最低位の桁の順序でマスター レジスタとスレーブ レジスタから移動し、次にスレーブ レジスタとマスター レジスタに移動します。レジスター間での転出が完了すると、レジスター間でのコンテンツの交換が完了します。データ送信を図 4 に示します。

図 4. SPI データ送信

SPI 動作では、クロック極性 (CPOL) とクロック位相 (CPHA) の 2 つの最も重要な設定です。クロック極性はクロックがアイドル状態のときの電圧レベルを設定し、クロック位相はデータの読み取りとデータ送信のクロック エッジを設定します。

マスターとスレーブは同時にデータを送信し、両方とも同時にデータを受信します。したがって、それらの間の正しい通信を保証するには、SPI のクロック極性とクロック位相が同じである必要があります。

• CPOL=0 の場合、シリアル同期クロックのアイドル状態はローレベルです。
• CPOL=1 の場合、シリアル同期クロックのアイドル状態は High レベルになります。
• CPHA=0 の場合、データはシリアル同期クロックの最初のジャンプ エッジ (立ち上がりまたは立ち下がり) で収集されます。
• CPHA=1 の場合、データはシリアル同期クロックの 2 番目のジャンプ エッジ (立ち上がりまたは立ち下がり) で収集されます。

次の図は、4 つのモードでの通信プロセスを示しています。

図 5. CPOL=0、CPHA=0

図 6. CPOL=0、CPHA=1

図 7. CPOL=1、CPHA=0

図 8. CPOL=1、CPHA=1

次の章では、I2C、USB、ADC、CAN などの他の周辺インターフェイスについて詳しく説明します。乞うご期待！

私たちに関しては

Shenzhen RF-star Technology Co., Ltd. (RF-star) は、無線周波数デバイスに重点を置いているハイテク企業で、10 年以上にわたって低電力 RF 製品のサードパーティ IDH として Texas Instruments によって認定されています。 。RF-starはIoTワイヤレスを提供しますess モジュールと、BLE、Wi-Fi、Matter、Wi-SUN、Sub-1G、ZigBee、Thread などを含む幅広いソリューションを提供します。詳細については、同社の Web サイト https://www.rfstariot.com をご覧ください。 /または info@szrfstar.com までご連絡ください。