傑克! 真是太神奇了!

這一篇我們來談非同步序列 (串列) 傳輸以及一個古董級的傳輸技術: RS-232.

RS-232 是一種常用的序列傳輸技術, 和另外二個我們在嵌入式系統 (embedded system) 常用的序列傳輸技術 I²C 和 SPI 有很大的差異:

• RS-232 主要是用於非同步序列傳輸. 雖然 RS-232 標準也包括了支援同步的傳輸的部份, 不過現在我們最常用的是它非同步的部份.
• 它是用在二個系統之間 (一開始的目標就是跨系統), 而不是像 I²C 和 SPI 是用於同一片電路板, 或者同一個系統上.
• 它是全雙工傳輸. 不過有些它的衍生技術 (RS-485) 只支援半雙工傳輸.訂正: RS-485 不只支援半雙工傳輸, 也可以設置成全雙工傳輸.
• 早期的傳輸速率和 I²C 和 SPI 比起來是慢了許多. 不過後期修正的極限速率 (RS-232-C) 則已經和 I²C 相當.

有關 I²C 和 SPI 的介紹文章:

PoE 標準

目前主要的 PoE 標準有 3:

• IEEE 802.3af-2003 函蓋 Type 1 設備.
• IEEE 802.3at-2009 函蓋 Type 1 及 Type 2 設備.
• IEEE 802.3bt-2018 函蓋 Type 1 至 Type 4 設備.

最新的標準 IEEE 802.3bt 向下相容 IEEE 802.3af 和 IEEE 802.3at 標準.

PoE 專有名詞

• PSE: Power Sourcing Equipment 的縮寫. 中文翻譯為 "電力供應設備" 或 "供電設備".
• PD: Powered Device 的縮寫. 中文翻譯為 "受電設備" 或 "受電裝置".
• endspan 模式為 PSE (一般是指 Ethernet PoE 交換器) 的電力直接連接到 PD.
• midspan 模式為未支援標準 PoE 的設備 (一般的 Ethernet 交換器/一般的受電裝置) 之間的介接方法.
  • 非標準 PSE 外加 Power Injector (電力注入設備) 轉變為符合標準的 PSE.
  • 接入非標準 PD 之前則加入 Power Spliter (電力分離設備) 分離出符合用電設備需求的電力.
• Mode A: 使用 RJ-45 的 1-2 Pin, 3-6 Pin 傳輸電力. 即與 10BASE-T, 100BASE-TX 的資料傳輸共用傳輸線.
• Mode B: 使用 RJ-45 的 4-5 Pin, 7-8 Pin 傳輸電力.

早期的 PC 或 NB 為了要連接串列滑鼠、數據機 (modem)以及印表機 都會加購 2S1P 介面卡 (2 個 Serial Port + 1 個 Parallel Port).

早先的 2S1P 介面卡 (ISA 介面)
圖片借用自 露天拍賣

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ESP8266 相關資料:

• 模組製造商: Espressif System (中國/上海) 公司網站
• 核心: 32-bit RISC DPU, Tensilica Xtensa LX106 running at 80 MHz (可以拉高到 160MHz), 是 DPU (CPU+DSP) 喔! 不是一般的 CPU.

隨著科技的演進, 在單晶片微控制器及 SoC 的領域中, SPI 及 I²C 這二種串列 (序列) 介面變得十分常見. 這二者與主機間通訊用的非同步串列通訊埠 RS-232 (UART) 非常不一樣

• 二個都是同步傳輸介面, 主要是用於 CPU 和週邊晶片之間.
• SPI 及 I²C 二者設計的主要目的在於減少 CPU 和週邊晶片之間的接腳數.
• SPI 一般需要 4 條接線 (至少三條), 而 I²C 則只要二條線, 這和早期常用的並列匯流排動輒十數條接線有著明顯的差異.
• SPI 的硬體結構簡單而且傳輸速度快, 一般是 5M/10M/20Mbps 或是更快 (可以到 200Mbps), I²C 的傳輸速度則只有 100Kbps/400Kbps/1Mbps(/3.4Mbps/單向5Mbps).
• SPI 是全雙工, I²C 則是半雙工

另外二篇介紹串列 (序列) 傳輸的文章:

• SPI 的部份: SPI (Serial Peripheral Interface) 串列 (序列) 週邊介面
• UART 與 RS-232 的部份: 非同步序列 (串列) 傳輸 UART vs RS232

本篇介紹的是 I²C 介面

I²C Bus 提昇電阻之計算

I²C Bus 和 SPI 一樣也是主從式架構, 不過它不同於 SPI 的點對點或點對多點結構, 它是以匯流排型式介接, 同時匯流排上允許有多個 master (主設備) 和多個 slave (從設備). 介接方法如下圖所示:

I²C 介接圖

隨著科技的演進, 在單晶片微控制器及 SoC 的領域中, SPI 及 I²C 這二種串列 (序列) 介面變得十分常見. 這二者與主機間通訊用的非同步串列通訊埠 RS-232 (UART) 非常不一樣

• 二個都是同步傳輸介面, 主要是用於 CPU 和週邊晶片之間.
• SPI 及 I²C 二者設計的主要目的在於減少 CPU 和週邊晶片之間的接腳數.
• SPI 一般需要 4 條接線 (至少三條), 而 I²C 則只要二條線, 這和早期常用的並列匯流排動輒十數條接線有著明顯的差異.
• SPI 的硬體結構簡單而且傳輸速度快, 一般是 5M/10M/20Mbps 或是更快 (可以到 200Mbps), I²C 的傳輸速度則只有 100Kbps/400Kbps/1Mbps(/3.4Mbps/單向5Mbps).
• SPI 是全雙工, I²C 則是半雙工.
• SPI 使用硬體線路來指定 slave 晶片, I²C 則在傳送的第一個位元組上指定 (7bit位址).
• SPI 不提供交握機制, 無法確認 slave 晶片是否有跟上. I²C 則有雙向的確認機制.

本篇介紹的是 SPI 介面

SPI 簡介

SPI 是 Serial Peripheral Interface 的縮寫, 中文意思是串列週邊介面, 該介面是由 Motorola 公司設計發展的高速同步串列介面, 原先是應用在其 68xx 系列的 8 位元處理器上 (1985 年首次出現在 M68HC11 處理器上, 並提供了完整之說明文件), 用以連接 ADC, DAC, EEPROM, 通訊傳輸 IC...等週邊晶片. 由於具備有低接腳數, 結構單純, 傳輸速度快, 簡單易用...等特性, 目前已經成為業界慣用標準: 不只是單晶片微控制器上有, 許多新的 SoC 晶片直接就支援多組 SPI 介面, 甚至普及到連模組化的產品 (如: 手機用的 LCD 模組 (SDI 介面), 相機模組) 及 3C 產品 (如: 數位相機用的記憶卡) 也都是使用 SPI 介面.

假設有一個 16bit 硬體計時/計數器 (Timer/Counter) 負責計數外部的訊號. 所以我們直覺的反應是某一段時間之內的訊號個數是本次讀取的計數值減掉上次讀取的計數值, 像這樣 Count = ValCurr - ValPrev. 但是如果上次讀取的內容已經接近上限了 (例如: 65530), 而這一次讀到的內容已經溢位變成一個很小的數值 (例如: 5) 呢?

當下你可能會想到下列幾個:

• 改用 32bit 來處理.
• 65536 - (大值 - 小值)
• ...

其實沒那麼麻煩, 答案很簡單依然是 Count = ValCurr - ValPrev, 只不過記得要用 uint16_t (或者 unsigned short) 來定義這些變數.

最近因實驗需要, 上網找到很多人拿來控制 Arduino 的 APC220 UART 轉 RF 的傳輸模組.

由於網路上拍賣網站眾多, 但資料大多不全, 個人研判製造商應該是 APPCON 這家公司, 因為設定工具程式 (網路上找到的) 內有這家公司的相關資訊. 以下資料主要來自從 APPCON 網站下載下來的 datasheet

APC220 套件產品照片

APC220 套件正面相片

給用手機瀏覽的讀者

很抱歉, 這一篇因為用了 MathJax 套件來顯示分數, 目前設定和痞客邦的 "手機版模式" 有點小衝突 (它把行高設定死了), 要等改天有空才能修正. 請先改用 "電腦版模式" 或者換用 PC/平板 來閱讀. 已經修正好了, 如果閱讀上還有問題請留言告知.

UART 接收同步機制

下圖所示是經由 UART 輸送一個 ASCII 字元 'r' (0x72) 的 TTL 輸出 (未經過 RS-232 Transceiver). 圖上的小箭號所指的是接收端取樣訊號的相對時序位置, 上半部是理想狀況下接收 UART 資料的時序圖. 我們設定了鮑率之後, UART 在第一個向下訊號邊緣取得同步 (開始計時) 是為啟始位元, 然後以設定的鮑率開始取樣接收資料. 不過事情總不會如此美好. 萬一接收者和發送者的計時精準度不同 (即使是同樣的廠牌、型號, 總還是有製造上的誤差, 及操作溫度...等等因素的影響), 致使二者不完全一致, 下圖的下半部刻意把誤差放大, 我們很容易就看出一共有 4 個位元的資料錯了.

RS-232 時脈誤差造成取樣錯誤

型號

電路版的型號依時間序有

• Pi rev.1 (2012/02/29)
• Pi rev.2 (2012/09/05)
• Pi+ (2014/07/14)
• Pi2 (2015/02/02)
• Pi3 (2016/02/28)
• Pi3+ (2018/03/14)
• Pi4 (2019/06/24)
• Pi400 (2020/11/04)
• Pi5 (2023/09/28)

Pi rev.2 和 Pi+ 有分 Model A 和 Model B. 二者的差異是電子零件用料不同 (Model A 用料縮減, 主要為減少 RAM, 網路接口, 及部份 USB 接口)

Pi3+ 相對於 P3 只是 CPU 的執行速度加快 1400 MHz (雙核 ARM Cortex-A53), Ethernet 網路接口改為 10/100/1000 Mbit/s, Wi-Fi 改為 802.11ac Dual band, Bluetooth 改為 4.2 BLE, 以及可以經 PoE 取電 (需另購 PoE HAT 擴充板). (還有總耗電量變大)