سواء كانت أجهزة طرفية للكمبيوتر أو أجهزة ذكية أو أجهزة إنترنت الأشياء (IoT) أو إلكترونية أدوات القياس ، يستخدمون جميعًا بروتوكولات الاتصال التسلسلي لربط المكونات الإلكترونية المختلفة سويا.
تتكون هذه المكونات عادةً من متحكم دقيق ووحدات تابعة مثل مستشعر بصمات الأصابع ، و ESP8266 (وحدة Wi-Fi) ، ومضاعفات ، وشاشات عرض تسلسلية.
تستخدم هذه الأجهزة أنواعًا مختلفة من بروتوكولات الاتصال. فيما يلي ستتعرف على بعض أكثر بروتوكولات الاتصال التسلسلي شيوعًا وكيفية عملها ومزاياها وسبب استمرار استخدامها.
ما هو الاتصال التسلسلي؟
كانت بروتوكولات الاتصال التسلسلي موجودة هنا منذ اختراع مورس في عام 1838. اليوم ، تستخدم بروتوكولات الاتصال التسلسلي الحديثة نفس المبادئ. يتم إنشاء الإشارات ونقلها على سلك واحد عن طريق تقصير موصلين معًا بشكل متكرر. هذا العمل القصير بمثابة مفتاح. يتم تشغيله (مرتفع) وإيقاف تشغيله (منخفض) ، مما يوفر إشارات ثنائية. تعتمد كيفية إرسال هذه الإشارة واستقبالها على نوع بروتوكول الاتصال التسلسلي المستخدم.
مع اختراع الترانزستور والابتكارات التي تلت ذلك ، جعل المهندسون والمصلحون على حد سواء وحدات المعالجة والذاكرة أصغر وأسرع وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة. تطلبت هذه التغييرات أن تكون بروتوكولات اتصالات الحافلات متقدمة تقنيًا مثل المكونات التي يتم توصيلها. وبالتالي اختراع البروتوكولات التسلسلية مثل UART و I2C و SPI. على الرغم من أن هذه البروتوكولات التسلسلية عمرها عدة عقود ، إلا أنها لا تزال مفضلة للميكروكونترولر والبرمجة المعدنية.
UART (جهاز استقبال - مرسل عالمي غير متزامن)
يعد بروتوكول UART أحد أقدم بروتوكولات الاتصال التسلسلي الأكثر موثوقية التي ما زلنا نستخدمها حتى اليوم. يستخدم هذا البروتوكول سلكين معروفين باسم Tx (إرسال) و Rx (استقبال) لكلا المكونين للتواصل.
لنقل البيانات ، يجب أن يتفق كل من المرسل والمستقبل مع خمسة تكوينات مشتركة ، وهي:
- سرعة الباود: سرعة الإرسال لمدى سرعة نقل البيانات.
- طول البيانات: عدد البتات المتفق عليه الذي سيحفظه جهاز الاستقبال في سجلاته.
- بداية بت: إشارة منخفضة تتيح للمستقبل معرفة موعد نقل البيانات.
- توقف بت: إشارة عالية تتيح للمستقبل معرفة وقت إرسال آخر بت (بت الأكثر أهمية).
- بت التكافؤ: إما إشارة عالية أو منخفضة تستخدم للتحقق مما إذا كانت البيانات المرسلة صحيحة أو تالفة.
نظرًا لأن UART هو بروتوكول غير متزامن ، فليس له ساعته الخاصة التي تنظم سرعة نقل البيانات. كبديل ، فإنه يستخدم معدل البث بالباود للتوقيت عند إرسال بت. معدل الباود المعتاد المستخدم في UART هو 9600 باود ، مما يعني أن معدل الإرسال يبلغ 9600 بت في الثانية.
إذا أجرينا العمليات الحسابية وقسمنا بت واحد على 9600 باود ، فيمكننا حساب مدى سرعة إرسال بت واحد من البيانات إلى جهاز الاستقبال.
1/9600 =104 ميكروثانية
هذا يعني أن أجهزتنا التي تعمل بتقنية UART ستبدأ في عد 104 ميكروثانية لمعرفة متى سيتم إرسال البتة التالية.
عندما يتم توصيل أجهزة UART ، يتم رفع الإشارة الافتراضية دائمًا إلى مستوى عالٍ. عندما يكتشف إشارة منخفضة التردد ، سيبدأ جهاز الاستقبال في عد 104 ميكروثانية بالإضافة إلى 52 ميكرو ثانية أخرى قبل أن يبدأ في حفظ البتات في سجلاته (الذاكرة).
نظرًا لأنه تم الاتفاق بالفعل على أن ثماني بتات يجب أن تكون طول البيانات ، فبمجرد أن تقوم بحفظ ثمانية بتات من البيانات ، ستبدأ في التحقق من التكافؤ للتحقق مما إذا كانت البيانات فردية أو زوجية. بعد فحص التكافؤ ، سيرفع بت الإيقاف إشارة عالية لإخطار الأجهزة بأن الثمانية بتات كاملة من البيانات قد تم إرسالها بنجاح إلى جهاز الاستقبال.
نظرًا لكونه البروتوكول التسلسلي الأكثر بساطة باستخدام سلكين فقط ، فإن UART يُستخدم بشكل شائع اليوم في البطاقات الذكية وبطاقات SIM والسيارات.
متعلق ب: ما هي بطاقة سيم؟ أشياء تحتاج إلى معرفته
SPI (الواجهة الطرفية التسلسلية)
SPI هو بروتوكول تسلسلي شائع آخر يستخدم لمعدلات بيانات أسرع تبلغ حوالي 20 ميجابت في الثانية. يستخدم ما مجموعه أربعة أسلاك ، وهي SCK (خط الساعة التسلسلي) ، MISO (Master Out Slave In) ، MOSI (Master In Slave Out) ، و SS / CS (Chip Select). على عكس UART ، يستخدم SPI تنسيق رئيسي إلى تابع للتحكم في أجهزة تابعة متعددة باستخدام سيد واحد فقط.
يعمل MISO و MOSI مثل Tx و Rx الخاص بـ UART الذي يتم استخدامه لنقل البيانات واستقبالها. يتم استخدام Chip Select لاختيار العبد الذي يريد السيد التواصل معه.
نظرًا لأن SPI هو بروتوكول متزامن ، فإنه يستخدم ساعة مدمجة من الرئيسي لضمان تشغيل كل من الأجهزة الرئيسية والتابعة على نفس التردد. هذا يعني أن الجهازين لم يعدا بحاجة للتفاوض على معدل البث بالباود.
يبدأ البروتوكول باختيار السيد للجهاز التابع عن طريق خفض إشارته إلى SS / CK المحدد المتصل بالجهاز التابع. عندما يتلقى العبد إشارة منخفضة ، يبدأ في الاستماع إلى كل من SCK و MOSI. ثم يرسل السيد بت البداية قبل إرسال البتات التي تحتوي على البيانات.
يعمل كل من MOSI و MISO على ازدواج كامل ، مما يعني أنهما يستطيعان إرسال واستقبال البيانات في نفس الوقت.
مع قدرته على الاتصال بالعديد من العبيد ، والاتصال ثنائي الاتجاه ، واستهلاك أقل للطاقة مقارنة بالآخرين يتم استخدام البروتوكولات المتزامنة مثل I2C و SPI في أجهزة الذاكرة وبطاقات الذاكرة الرقمية ومحولات ADC إلى DAC والكريستال يعرض الذاكرة.
I2C (الدائرة المتكاملة)
I2C هو بروتوكول تسلسلي متزامن آخر مثل SPI ، ولكن له العديد من المزايا. وتشمل هذه القدرة على أن يكون لديك أسياد وعبيد متعددون ، وعنونة بسيطة (لا حاجة إلى Chip حدد) ، تعمل بجهد كهربائي مختلف ، وباستخدام سلكين فقط متصلين بسحبين المقاومات.
غالبًا ما يستخدم I2C في العديد من أجهزة إنترنت الأشياء ، والمعدات الصناعية ، والإلكترونيات الاستهلاكية.
الدبابيس الموجودة في بروتوكول I2C هما SDA (خط البيانات التسلسلي) الذي ينقل البيانات ويستقبلها ، ودبوس SCL (خط الساعة التسلسلي) ، والذي يعمل كساعة.
- يبدأ البروتوكول بإرسال السيد بت بداية (منخفضة) من دبوس SDA الخاص به ، متبوعًا بعنوان من سبعة بتات يحدد الرقيق ، وبتًا واحدًا لاختيار القراءة أو الكتابة.
- بعد تلقي بت البداية والعنوان ، يرسل العبد بت تسلم تسلم إلى السيد ويبدأ في الاستماع إلى SCL و SDA للإرسالات الواردة.
- بمجرد أن يتلقى السيد هذا ، فإنه يعلم أن الاتصال قد تم مع العبد الصحيح. سيحدد السيد الآن السجل المحدد (الذاكرة) من العبد الذي يريد الوصول إليه. يقوم بذلك عن طريق إرسال ثماني بتات أخرى تحدد السجل الذي سيتم استخدامه.
- عند استلام العنوان ، يقوم العبد الآن بإعداد سجل التحديد قبل إرسال إقرار آخر إلى السيد.
- بعد تحديد العبد المحدد وأي من سجلاته لاستخدامه ، يرسل السيد أخيرًا بت البيانات إلى العبد.
- بعد إرسال البيانات ، يتم إرسال بت إقرار نهائي إلى الرئيسي قبل أن ينتهي الرئيسي بتوقف (مرتفع).
متعلق ب: أفضل مشاريع Arduino IoT
لماذا الاتصالات التسلسلية موجودة لتبقى
مع ظهور البروتوكولات اللاسلكية المتوازية والعديد من البروتوكولات اللاسلكية ، لم تفقد الاتصالات التسلسلية شعبيتها أبدًا. بشكل عام ، باستخدام اثنين إلى أربعة أسلاك فقط لإرسال البيانات واستقبالها ، تعد البروتوكولات التسلسلية طريقة أساسية للاتصال للإلكترونيات التي لا تحتوي إلا على عدد قليل من المنافذ لتجنيبها.
سبب آخر هو بساطته التي تترجم إلى الموثوقية. مع وجود عدد قليل من الأسلاك التي ترسل البيانات مرة واحدة في كل مرة ، أثبت المسلسل موثوقيته في إرسال حزم البيانات الكاملة دون أي خسارة أو تلف عند الإرسال. حتى في الترددات العالية والاتصالات طويلة المدى ، لا تزال البروتوكولات التسلسلية تتفوق على العديد من بروتوكولات الاتصالات المتوازية الحديثة المتاحة اليوم.
على الرغم من أن الكثيرين قد يعتقدون أن الاتصالات التسلسلية مثل UART و SPI و I2C لها عيوب كونها قديمة وعفا عليها الزمن ، تبقى الحقيقة أنها أثبتت موثوقيتها على عدة مرات عقود. نظرًا لكون البروتوكولات قديمة دون أي بديل حقيقي ، فإنها تشير فقط إلى أنها ، في الواقع ، لا غنى عنها وسيستمر استخدامها في الإلكترونيات في المستقبل المنظور.
هل أنت مرتبك بين تحديات بناء التشكيلة مثل Raspberry Pi والميكروكونترولر مثل Arduino و Raspberry Pi Pico؟ إليك ما تحتاج إلى معرفته.
اقرأ التالي
- شرح التكنولوجيا
- استخدام البيانات
اشترك في نشرتنا الإخبارية
انضم إلى النشرة الإخبارية لدينا للحصول على نصائح تقنية ومراجعات وكتب إلكترونية مجانية وصفقات حصرية!
انقر هنا للاشتراك
