SPI, I2C, UART: Protocolos Comunicación y Sus Aplicaciones

El desarrollo microcontrolador es proceso cardinal en ensamblaje electrónica. Pero la entrada de protocolos serie e interfaces comunicación facilitan esta tarea. En este artículo exploramos exhaustivamente protocolos comunicación serie como SPI, I2C, interfaz UART y UART. Analizaremos características, ventajas, desventajas y ejemplos.

1. Interfaz UART

¿Qué es UART?

Figura 1: Protocolo UART en Arduino

Universal Asynchronous Reception and Transmission (UART) es protocolo comunicación serie que facilita comunicación host con dispositivos auxiliares. Principalmente permite transmisión serie datos. Además, capaz comunicación asíncrona y transmisión bidireccional.

Protocolo simple tiene dos líneas datos: transmisión (Tx) y recepción señal (Rx). Usualmente transmisión vía pin digital 0, recepción pin digital 1.

También ayuda sincronizar gestión computadora y dispositivos serie externos.

¿Cómo Funciona?

Figura 2: Placa USB UART DIY electrónica

Esencialmente, UART gestiona comunicación señal entre dos dispositivos mediante:

• Simplex
• Half Duplex
• Full Duplex

Simplex: transmisión unidireccional. Half duplex: comunicación no simultánea entre dos dispositivos en cualquier dirección. Full duplex: transferencia simultánea datos en ambas direcciones.

Generalmente, tras conexión, transferencia datos desde línea datos UART transmisor a UART receptor. Ocurre vía principio:

1. UART transmisor convierte datos paralelo dispositivo maestro a forma serie para transferir a UART receptor. Similarmente, UART receptor cambia datos serie a paralelo para uso dispositivo receptor conectado.
2. Al ser comunicación asíncrona, no tiene relojes. UART genera bits inicio y fin para indicar principio y fin mensaje.
3. Dos UARTs deben funcionar misma tasa BAUD (velocidad transmisión datos UART). Ideal para asegurar sincronización precisa bits datos; diferencia >10% hace datos inútiles.

Protocolo Funcionamiento UART

Transmisión y Recepción Datos

1. Para transmisión, UART transmisor requiere recibir datos de bus datos como CPU.
2. Añade tres bits: bit inicio, bit paridad, bit parada. Forman paquete datos transmitido a UART receptor vía pin TX.
3. Transmisión datos termina tras agotar datos en UART transmisor.

Control Interrupciones

Interrupciones datos útiles para envío automático contenido buffer. Puedes activar control interrupciones en escenarios:

• Error overflow FIFO (First in, First out), error salto línea, error frame, error paridad.
• Durante recepción, envío datos o timeout recepción.

Operación FIFO

Fig 3. Interfaz UART en Arduino

Módulos UART familia Stellaris tienen dos FIFOs 16-byte: uno recepción datos, otro transmisión. Configurables en varias profundidades para diferentes interrupciones: 1/8, 1/4, 1/2 profundidad, etc.

Proceso trabajo FIFO transmisión

1. Transmisión datos comienza tras entrada datos. Entrada continua hasta FIFO transmisión lleno.
2. Lleno, debes detener entrada no perder nuevos datos.
3. FIFO transmisión envía datos bit a bit hasta vacío. Finalmente crea ranura extra.

Proceso trabajo FIFO recepción

1. Tras recibir datos paso anterior, hardware almacena en FIFO recepción. Recepción y borrado datos por programa FIFO recepción es automático. Espacio suficiente en FIFO recepción.
2. También tiene FIFO transceptor esencial resolver ineficiencia CPU. Ayuda resolver interrupciones frecuentes transceptor UART.
3. FIFO no tiene pérdida datos al sellar avenidas probables pérdida previamente.

Loopback

UART tiene loopback interno para debugging y diagnóstico donde entrada RX recibe datos enviados.

Protocolo Serial Infrarrojo

UART tiene IrDA Serial Infrared (SIR) operando como módulo encoder/decoder. Útil traduciendo interfaz serial half-duplex SIR y stream datos UART asíncrono.

Protocolo comunicaciones serie entrega entrada decodificada y salida codificada digitalmente a UART.

Ventajas UART

1. Protocolo comunicación simple, bien documentado y fácil usar.
2. No requiere línea reloj serie.
3. Bit paridad permite comprobación errores.

Desventajas UART

1. Limitación trama datos 9 bits y velocidades transferencia lentas.
2. Incapaz usar muchos sistemas maestro y dispositivos esclavo.
3. Tasa baud obligatoria dentro 10% como escudo pérdida datos.
4. Generalmente velocidades lentas transferencia entre dispositivos.

Ejemplos UART en Microcontroladores

• UART Seeeduino V4.2
• USB a UART 5V
• Base Shield V2
• Conversor Serie USB CP2102

2. Interfaz I2C

¿Qué es I2C?

Figura 4: Sensor Presión Diferencial usa I2C

Inter-integrated-circuit (I2C) protocolo comunicación similar a UART. Pero UART para comunicación PC-dispositivo, I2C útil en sensores y aplicaciones módulo.

Bus serie síncrono bidireccional dos hilos conecta múltiples dispositivos sin comprometer vía comunicación. Gracias a propiedad bus compartido y sistema direcciones.

Esta característica cuesta comunicación relativamente lenta entre dispositivos comparado con SPI. Velocidad depende ruido externo, calidad cable y velocidad datos.

Interfaz dos hilos permite conexión dispositivos baja velocidad: EEPROMs, convertidores Analógico/Digital, microcontroladores.

¿Cómo Funciona?

Protocolo I2C tiene dos líneas: puerto aceptación línea datos serie (SDA) y línea reloj serie (SCL). SCL facilita sincronización transmisión; SDA línea datos para envío/recepción bits.

Durante transferencia, dispositivo maestro inicia transmisión bus datos. Simultáneamente genera reloj que abre dispositivo transmisor. Dispositivo direccionado en transmisión es esclavo.

Dispositivo maestro y esclavo no tienen tasa transmisión datos constante. Relación depende dirección transferencia datos en momento transmisión.

Maestro único debe informar dispositivo esclavo select antes iniciar transmisión. Similar, informar esclavo antes recibir datos de esclavo.

Importante conectar pull-up resistor a alimentación I2C para funcionamiento óptimo.

Protocolo Funcionamiento I2C

Figura 5: Módulo Pantalla OLED 0.96 pulg 128X64 I2C

Método Transmisión Datos

Procedimiento conexión:

1. Salida maestro envía señal transmisión a esclavos conectados, cambiando línea SDA alto a bajo. Luego cambia SCL alto a bajo.
2. Maestro envía direcciones 7-bit o 10-bit y bits lectura/escritura a cada esclavo.
3. Esclavos comparan dirección con propia. Si coincide, devuelven bit ACK, bajando SDA. Si no, dejan SDA alto.
4. Maestro envía trama datos o recibe (según direcciones coincidentes). Tras transmisión completa, componente receptor devuelve bit ACK a remitente. Reconoce transmisión completa.
5. Finalmente, maestro sube SCL a alto y luego SDA para comunicar fin comunicación.

Sincronización Reloj

Cada maestro debe generar señal reloj en línea SCL para transmisión. Solo durante periodo alto reloj datos permanecen válidos en transmisión I2C.

Modos Transmisión

Transmite principalmente dos medios:

Modo Rápido (Quick Mode)

Dispositivos modo rápido reciben/transmiten datos a 400 kbit/s. Bus I2C modo rápido suprime glitches significativamente, salida tiene función control pendiente.

Modo Alta Velocidad (High-Speed Mode)

Bus I2C modo alta velocidad transmite/recibe a 3.4 Mbit/s. Tasas transmisión más rápidas que modo rápido.

Ventajas I2C

1. Número significativamente limitado pines/señales incluso conectando numerosos dispositivos en maestro.
2. Flexibilidad gracias a capacidad multi-maestro y multi-esclavo.
3. Simple usar: solo dos hilos bidireccionales para conectar numerosos dispositivos.
4. Amplia adaptabilidad y soporte múltiples maestros.

Desventajas I2C

1. Velocidad relativamente lenta, debe usar pull-up resistors, a diferencia SPI que solo necesita push-pull. Diseño open-drain limita velocidad.
2. Resistencias ocupan espacio esencial en ensamblaje PCB.
3. No fácil usar con numerosos dispositivos conectados.

Ejemplos I2C en Microcontroladores

• ADC 4-Canal 16-Bit Raspberry Pi
• I2C Hub (6 Puertos) - Grove
• Driver/Adaptador I2C
• I2C Arduino

3. Interfaz SPI

¿Qué es SPI?

Figura 6: Interfaz SPI útil en Módulos Display.

Serial Peripheral Interface (SPI) designado para uso en microcontroladores. Funciona full duplex, permite transmisión y recepción simultánea datos.

SPI relativamente más rápido que I2C, tasa transmisión al menos 8 bits. Protocolo simple permite tasas datos más rápidas. Importante en aplicaciones requieren velocidad: módulos display, tarjetas SD.

Esencial en aplicaciones con cambio repentino información, ej. termómetros.

¿Cómo Funciona?

Fig 7: Tarjetas SD utilizan SPI

Dispositivo SPI opera de dos formas:

• Selecciona dispositivo con línea Chip Select. Cada dispositivo requiere su línea Chip Select única.
• Alternativamente, funciona via daisy chaining (margarita).

Puedes conectar tantos dispositivos como quieras en interfaz SPI. Sin embargo, en la mayoría casos limitado por líneas select hardware disponibles. En comunicación punto-punto, módulo no necesita operaciones direccionamiento.

Protocolo Funcionamiento SPI

SPI funciona vía cuatro puertos:

1. Master Data Output, Slave Data Input (MOSI)
2. Master data input, slave data output (MISO)
3. Señal reloj (SCLK)
4. Slave-enabled signal (NSS)

En sistema multi-esclavo, cada esclavo exige señal enable única. Esto complica requisito hardware vs comunicación I2C.

Interfaz SPI tiene dos registros desplazamiento. Permite transmisión serie síncrona entre único dispositivo maestro (CPU) a dispositivos periféricos.

Ventajas SPI

1. Simple usar: a diferencia I2C, carece sistema direccionamiento esclavo complejo.
2. Protocolo más rápido de todas interfaces serie cubiertas (más rápido UART e I2C).
3. No tiene bits inicio/parada como UART. Permite transmisión continua sin interrupciones.
4. Líneas MISO y MOSI separadas permiten envío y recepción simultánea datos.

Desventajas SPI

1. Mayoría puertos pines ocupados, limita dispositivos conectables.
2. Carece control flujo especificado, y a diferencia I2C, no hay mecanismo reconocer datos enviados/recibidos.
3. Requiere 4 líneas, y a diferencia UART, carece mecanismo comprobación errores.
4. Un solo maestro.

Ejemplos SPI en Microcontroladores

• SPI Seeeduino V4.2
• SPI Driver/Adapter - Easily Driver SPI Devices

Comparando UART, I2C y SPI

¿Cuál Periférico Comunicación es "Mejor"? UART, SPI o I2C?

No hay periféricos comunicación superiores de los tres, cada uno tiene ventajas y desventajas clave. Elige mejor protocolo según tu proyecto. Ej: SPI si buscas velocidad.

Si quieres conectar numerosos dispositivos sin array complejo, elige I2C.

Conclusión

Hemos expuesto claves sobre UART, I2C, SPI interfaces comunicación y tasas transferencia. Estamos para responder consultas sobre protocolos. Contáctanos, acudiremos inmediatamente.