ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA
MECÁNICA, MECÁNICA ELECTRICA Y
MECATRÓNICA
MICROCONTROLADORES Y
MICROPROCESADORES
TEMA : COMUNICACIÓN SERIAL (UART, SPI, TWI)
PROFESOR : ING. SERGIO ORLANDO MESTAS RAMOS
ALUMNOS
:
EDWARD SAÚL TURPO ALVAREZ
BRAYAN CUETO QUICHCA
DANIEL FERNANDO TORRES LLAMOSAS
JOSE RUBEN VIZA FERNANDEZ
AREQUIPA - 2023
INDICE
1.
OBJETIVOS ..................................................................................................................................4
2.
MARCO TEORICO ........................................................................................................................5
2.1.
PROTOCOLO DE COMUNICACIÓN UART .............................................................................5
2.1.1.
EXPLICACIÓN DE (UART) .............................................................................................5
2.1.2.
CARACTERÍSTICAS CLAVE ............................................................................................5
2.1.3.
PINOUT Y CONFIGURACIÓN ........................................................................................5
2.1.4.
COMUNICACIÓN MAESTRO-ESCLAVO ........................................................................6
2.1.5.
DIRECCIONAMIENTO DE DISPOSITIVOS ......................................................................6
2.1.6.
VENTAJAS Y DESVENTAJAS .........................................................................................6
2.1.7.
EJEMPLOS DE APLICACIONES ......................................................................................7
2.2.
PROTOCOLO DE COMUNICACIÓN SPI .................................................................................7
2.2.1.
EXPLICACIÓN DE (SPI) .................................................................................................7
2.2.2.
CARACTERÍSTICAS CLAVE ............................................................................................8
2.2.3.
PINOUT Y CONFIGURACIÓN ........................................................................................8
2.2.4.
COMUNICACIÓN MAESTRO-ESCLAVO ......................................................................10
2.2.5.
DIRECCIONAMIENTO DE DISPOSITIVOS ....................................................................11
2.2.6.
VENTAJAS Y DESVENTAJAS .......................................................................................12
2.2.7.
EJEMPLOS DE APLICACIONES ....................................................................................13
2.3.
PROTOCOLO DE COMUNICACIÓN I2C ..............................................................................15
2.3.1.
EXPLICACIÓN DE (I2C) ...............................................................................................15
2.3.2.
CARACTERÍSTICAS CLAVE ..........................................................................................15
2.3.3.
PINOUT Y CONFIGURACIÓN ......................................................................................15
2.3.4.
COMUNICACIÓN MAESTRO-ESCLAVO ......................................................................16
Figura 1-1. Diagrama de bloques de relación maestro y esclavo SAM TWI ......................................16
3.
2.3.5.
DIRECCIONAMIENTO DE DISPOSITIVOS ....................................................................17
2.3.6.
VENTAJAS Y DESVENTAJAS .......................................................................................17
2.3.7.
EJEMPLOS DE APLICACIONES ....................................................................................18
PROCEDIMIENTO ......................................................................................................................19
3.1.
EJEMPLOS DE IMPLEMENTACIÓN .....................................................................................19
3.1.1.
UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter): ...........................................19
3.1.2.
SPI (Serial Peripheral Interface): ...............................................................................19
3.1.3.
3.2.
BREVE DESCRIPCIÓN DE PROYECTOS O APLICACIONES QUE UTILIZAN UART, SPI Y TWI ..21
3.2.1.
CONTROL DE DRONES Y VEHÍCULOS AUTÓNOMOS .................................................21
3.2.2.
MONITOREO DE ESTACIONES METEOROLÓGICAS: ...................................................21
3.2.3.
TELEMETRÍA EN MODELISMO DE RADIOCONTROL: ..................................................21
3.2.4.
CONTROL DE ILUMINACIÓN INTELIGENTE EN HOGARES Y EDIFICIOS:......................21
3.2.5.
CONTROL DE IMPRESORAS 3D:.................................................................................21
3.2.6.
COMUNICACIÓN CON DISPOSITIVOS MÉDICOS:.......................................................22
3.2.7.
CONTROL DE SISTEMAS DE AUDIO Y VIDEO PROFESIONALES: .................................22
3.2.8.
CONTROL DE SISTEMAS DE ALARMA Y SEGURIDAD: ................................................22
3.2.9.
COMUNICACIÓN EN ROBÓTICA INDUSTRIAL: ...........................................................22
3.2.10.
CONEXIÓN DE MICROCONTROLADORES EN SISTEMAS DE IOT: ................................22
3.3.
4.
I2C (Inter-Integrated Circuit o TWI - Two-Wire Interface): .......................................20
CASOS DE ESTUDIO ...........................................................................................................23
3.3.1.
COMUNICACIÓN IOT: ...............................................................................................23
3.3.2.
COMUNICACIÓN INALÁMBRICA AVANZADA: ...........................................................23
3.3.3.
AUTOMATIZACIÓN Y ROBÓTICA: ..............................................................................23
3.4.
RESUMEN DE LOS PUNTOS CLAVE ....................................................................................23
3.5.
CONSIDERACIONES FINALES SOBRE CUÁNDO UTILIZAR CADA PROTOCOLO ....................25
3.6.
PERSPECTIVAS FUTURAS ..................................................................................................25
3.6.1.
EFICIENCIA ENERGÉTICA: ..........................................................................................26
3.6.2.
NUEVOS ESTÁNDARES Y PROTOCOLOS: ...................................................................27
REFERENCIAS ............................................................................................................................28
1. OBJETIVOS
➢ Proporcionar una visión general completa: Uno de los objetivos clave podría
ser proporcionar a los lectores una comprensión completa de los protocolos
UART, SPI e I2C. Esto incluiría explicar cómo funcionan, sus características
clave y cómo se configuran.
➢ Comparar y contrastar los protocolos: Un objetivo podría ser comparar y
contrastar los tres protocolos para resaltar sus diferencias y similitudes. Esto
permitiría a los lectores comprender cuándo es más apropiado utilizar uno sobre
otro.
➢ Explorar aplicaciones comunes: Otra meta importante podría ser proporcionar
ejemplos detallados de aplicaciones comunes para cada protocolo. Esto
ayudaría a los lectores a comprender cómo se utilizan en el mundo real.
➢ Destacar ventajas y desventajas: Un objetivo adicional podría ser resaltar las
ventajas y desventajas de cada protocolo, lo que permitiría a los lectores tomar
decisiones informadas sobre cuál protocolo utilizar en función de sus
necesidades específicas.
➢ Mencionar tendencias y desarrollos recientes: Finalmente, podrías buscar
objetivos relacionados con tendencias actuales y desarrollos recientes en el
campo de la comunicación serial. Esto mantendría el informe actualizado y
relevante para los lectores interesados en la evolución de estos protocolos.
2. MARCO TEORICO
2.1.
PROTOCOLO DE COMUNICACIÓN UART
2.1.1. EXPLICACIÓN DE (UART)
UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) es un protocolo de
comunicación serial ampliamente utilizado para la transferencia de datos entre dispositivos
electrónicos. Es un estándar de comunicación asincrónica, lo que significa que no se necesita
un reloj común entre los dispositivos que se comunican. En lugar de eso, se utilizan señales
de inicio y parada para delimitar los bytes de datos.
2.1.2. CARACTERÍSTICAS CLAVE
Asincronía: No requiere un reloj común entre el transmisor y el receptor. Cada
carácter se envía con bits de inicio y de parada para sincronizar la comunicación.
Full-Dúplex: UART permite la comunicación bidireccional simultánea, lo que
significa que los dispositivos pueden enviar y recibir datos al mismo tiempo.
Configurable: Puedes ajustar la velocidad de transmisión (baud rate), el número de
bits de datos, bits de parada, y paridad según tus necesidades.
Ampliamente Utilizado: Se encuentra en una amplia variedad de dispositivos, desde
microcontroladores y periféricos hasta módems y GPS.
2.1.3. PINOUT Y CONFIGURACIÓN
Los cables UART típicamente constan de dos cables, uno para transmitir (TX) y otro
para recibir (RX). En microcontroladores y otros dispositivos, los pines asociados a UART
suelen etiquetarse como TXD (transmit data) y RXD (receive data). Los parámetros de
configuración incluyen la velocidad de transmisión, el número de bits de datos, los bits de
parada y la paridad.
2.1.4. COMUNICACIÓN MAESTRO-ESCLAVO
En una comunicación UART, no existe una jerarquía estricta de maestro y esclavo. Los
dispositivos pueden enviar y recibir datos entre sí, y la distinción entre maestro y esclavo
depende de la lógica de la aplicación. Uno de los dispositivos puede iniciar la comunicación
y enviar datos, mientras que el otro escucha y responde.
2.1.5. DIRECCIONAMIENTO DE DISPOSITIVOS
UART no proporciona un mecanismo integrado para el direccionamiento de
dispositivos. Es responsabilidad del diseño de la aplicación asegurarse de que los datos se
envíen y reciban en el lugar correcto. A menudo, se utilizan protocolos de nivel superior (por
ejemplo, ASCII o protocolos binarios personalizados) para el direccionamiento de
dispositivos.
2.1.6. VENTAJAS Y DESVENTAJAS
Ventajas:
➢ Ampliamente compatible y utilizado en una variedad de dispositivos.
➢ Configurable en términos de velocidad de transmisión y otros parámetros.
➢ Bajo consumo de energía y recursos de hardware.
Desventajas:
➢ No ofrece detección de errores o corrección, por lo que las transmisiones
erróneas pueden pasar desapercibidas.
➢ La velocidad de transmisión máxima es limitada en comparación con otros
protocolos más rápidos como USB o Ethernet.
➢ No es adecuado para distancias largas o entornos ruidosos sin protección
adicional.
2.1.7. EJEMPLOS DE APLICACIONES
➢ Comunicación entre microcontroladores y periféricos.
➢ Transferencia de datos entre una computadora y un dispositivo embebido.
➢ Comunicación entre sistemas GPS y dispositivos de navegación.
➢ Configuración y diagnóstico de módems y routers.
2.2.
PROTOCOLO DE COMUNICACIÓN SPI
2.2.1. EXPLICACIÓN DE (SPI)
La interfaz de periféricos en serie (SPI) es un bus de interfaz utilizado habitualmente
para enviar datos entre microcontroladores y pequeños periféricos como registros de
desplazamiento, sensores y tarjetas SD. Utiliza líneas de reloj y datos separadas, junto con
una línea de selección para elegir el dispositivo con el que se desea hablar.
2.2.2. CARACTERÍSTICAS CLAVE
Maestro (Master): El dispositivo controlador que inicia y coordina la comunicación.
Puede haber uno o más maestros en un bus SPI.
Esclavo (Slave): Los dispositivos periféricos controlados por el maestro en la
comunicación SPI.
Líneas de señal: SPI utiliza cuatro líneas principales para la comunicación:
SCLK (Serial Clock): Esta línea proporciona un reloj de sincronización para la
comunicación y garantiza que los datos se transmitan y se reciban en el momento adecuado.
MISO (Master In Slave Out): La línea a través de la cual los datos se transmiten desde
el esclavo al maestro.
MOSI (Master Out Slave In): La línea a través de la cual los datos se transmiten desde
el maestro al esclavo.
CS/SS (Chip Select/Slave Select): Selecciona el dispositivo esclavo con el que se desea
comunicar. Puede haber múltiples líneas CS/SS para elegir diferentes esclavos.
2.2.3. PINOUT Y CONFIGURACIÓN
Se refiere a la disposición y configuración de los pines en un conector o en un
dispositivo electrónico, y es esencial para entender cómo se conectan los componentes y
cómo se realiza la comunicación entre ellos. En el contexto de la comunicación SPI, el pinout
se refiere a la forma en que se conectan los pines en el maestro y los esclavos para permitir
la transferencia de datos.
Pinout en el Maestro (Master):
SCLK (Serial Clock): Este pin proporciona el reloj de sincronización que controla la
velocidad de la comunicación. Debe conectarse al pin correspondiente en el esclavo.
MOSI (Master Out Slave In): Este pin se utiliza para enviar datos desde el maestro al
esclavo. Debe conectarse al pin correspondiente en el esclavo.
MISO (Master In Slave Out): Este pin se utiliza para recibir datos desde el esclavo al
maestro. Debe conectarse al pin correspondiente en el esclavo.
CS/SS (Chip Select/Slave Select): Puede haber uno o más pines CS/SS en el maestro,
cada uno dedicado a un esclavo específico. Activar este pin selecciona el esclavo con el que
se desea comunicar.
Pinout en el Esclavo (Slave):
SCLK (Serial Clock): Debe conectarse al pin correspondiente en el maestro.
MOSI (Master Out Slave In): Debe conectarse al pin correspondiente en el maestro.
MISO (Master In Slave Out): Debe conectarse al pin correspondiente en el maestro.
CS/SS (Chip Select/Slave Select): Debe conectarse al pin correspondiente en el
maestro. El esclavo solo responderá cuando su pin CS/SS esté activado.
2.2.4. COMUNICACIÓN MAESTRO-ESCLAVO
La comunicación Maestro-Esclavo es un modelo de comunicación en el que un
dispositivo o componente, llamado "maestro," controla y coordina la interacción con uno o
varios dispositivos o componentes, llamados "esclavos." Este modelo se utiliza en varios
contextos, incluyendo sistemas electrónicos y computadoras, y es especialmente relevante en
la comunicación SPI, como mencionamos anteriormente.
Maestro:
Control y Coordinación: El maestro es el dispositivo principal que inicia y controla la
comunicación. Decide cuándo se inician las transmisiones de datos y cuándo se detienen.
También establece la velocidad de transmisión y selecciona con cuál de los esclavos desea
comunicarse.
Generación del Reloj (Clock): En sistemas como SPI, el maestro genera una señal de
reloj (SCLK) que sincroniza la transmisión de datos. El maestro asegura que tanto él como
los esclavos estén sincronizados con esta señal para evitar errores de comunicación.
Esclavo:
Responder a las Órdenes: Los esclavos, por otro lado, son dispositivos que esperan a
ser seleccionados por el maestro y responden a sus órdenes. Cuando el maestro elige un
esclavo específico a través de la señal de selección (CS/SS en SPI), ese esclavo particular
responde a las solicitudes del maestro.
Envío y Recepción de Datos: Los esclavos pueden recibir datos del maestro (a través
de MOSI) y enviar datos al maestro (a través de MISO) según las instrucciones del maestro.
Esto permite la transferencia de información entre el maestro y los esclavos.
2.2.5. DIRECCIONAMIENTO DE DISPOSITIVOS
El direccionamiento de dispositivos en la comunicación SPI se logra a través de la señal
CS/SS (Chip Select/Slave Select). Cada dispositivo esclavo conectado al bus SPI tiene su
propia línea CS/SS que se utiliza para seleccionarlo de manera individual. Esto permite que
el maestro se comunique con uno o varios dispositivos esclavos a lo largo del mismo bus,
eligiendo cuál de ellos se desea activar en un momento dado.
Selección del Dispositivo Esclavo: Antes de iniciar la comunicación con un dispositivo
esclavo específico, el maestro debe activar la línea CS/SS correspondiente al dispositivo que
desea comunicar. Al activar esa línea, se selecciona el dispositivo esclavo al que se enviarán
o recibirán datos.
Desactivación de Otros Dispositivos: El maestro también debe desactivar todas las
otras líneas CS/SS de los dispositivos esclavos que no están siendo utilizados en ese
momento. Esto asegura que solo el dispositivo seleccionado responda a las solicitudes del
maestro, evitando conflictos de comunicación con otros esclavos.
Comunicación con el Dispositivo Seleccionado: Una vez que el dispositivo esclavo
deseado ha sido seleccionado, el maestro puede iniciar la comunicación enviando datos a
través de la línea MOSI y recibiendo datos a través de la línea MISO. El dispositivo esclavo
responderá de acuerdo con las instrucciones del maestro.
Desactivación del Dispositivo Esclavo: Cuando la comunicación con un dispositivo
esclavo ha terminado, el maestro debe desactivar la línea CS/SS correspondiente al
dispositivo, lo que lo coloca en un estado de reposo y lo prepara para comunicarse con otros
dispositivos si es necesario.
2.2.6. VENTAJAS Y DESVENTAJAS
2.2.6.1.
VENTAJAS DE SPI
Alta Velocidad: SPI es uno de los protocolos de comunicación más rápidos disponibles,
lo que lo hace adecuado para aplicaciones que requieren transferencias de datos a alta
velocidad.
Simplicidad: Es relativamente simple de implementar y entender en comparación con
otros protocolos de comunicación, como I2C.
Full-Dúplex: Permite la comunicación full-dúplex, lo que significa que los datos se
pueden enviar y recibir simultáneamente, lo que acelera las transferencias.
Flexibilidad: Puede conectarse fácilmente a múltiples dispositivos esclavos en el
mismo bus, lo que lo hace adecuado para aplicaciones que requieren la comunicación con
varios periféricos.
No Está Estandarizado: Aunque esto puede considerarse una ventaja, en algunos casos,
la falta de un estándar puede ser beneficiosa ya que permite una adaptación más libre a las
necesidades específicas de la aplicación.
2.2.6.2.
DESVENTAJAS DE SPI
Requiere Más Pines: SPI utiliza más pines que otros protocolos como I2C, lo que puede
ser una limitación en sistemas con recursos limitados.
Cableado Complejo: En aplicaciones con múltiples dispositivos esclavos, el cableado
puede volverse complicado, especialmente si se requieren muchas señales CS/SS.
No Plug-and-Play: La falta de un sistema de dirección automática de dispositivos puede
requerir una gestión más cuidadosa de las señales CS/SS para evitar conflictos de dirección.
Longitud de Cable Limitada: La longitud de cable entre los dispositivos debe ser
controlada debido a la propagación de la señal, lo que limita la distancia en comparación con
otros protocolos como RS-485.
No Es Adecuado para Comunicación Multimaster: SPI es inherentemente un protocolo
de comunicación de un solo maestro, lo que significa que no es adecuado para sistemas con
múltiples maestros que necesitan compartir el mismo bus.
2.2.7. EJEMPLOS DE APLICACIONES
Memoria Flash y EEPROM: SPI se utiliza para comunicarse con dispositivos de
memoria flash y EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) para
almacenar y recuperar datos de manera eficiente.
Sensores: Muchos sensores, como acelerómetros, giroscopios, sensores de
temperatura y presión, utilizan SPI para enviar datos al microcontrolador o procesador.
Tarjetas SD y microSD: Las tarjetas de memoria SD y microSD, que se utilizan en
cámaras, teléfonos, y otros dispositivos para almacenamiento de datos, utilizan SPI para la
comunicación.
Pantallas y Displays: Pantallas OLED, LCD y otros tipos de displays utilizan SPI para
transmitir datos de imagen desde el microcontrolador al display.
Interfaces de Audio: En algunos casos, los códecs de audio utilizan SPI para la
transmisión de datos de audio digital entre componentes.
Controladores de Motores: En sistemas de control de motores, como motores paso a
paso, se pueden utilizar controladores que se comunican a través de SPI.
Periféricos de Comunicación Inalámbrica: Módulos de comunicación inalámbrica,
como módulos de radio frecuencia (RF), Bluetooth y Wi-Fi, pueden utilizar SPI para
comunicarse con el procesador central.
Instrumentos de Medición y Laboratorios: Equipos de medición, como osciloscopios y
generadores de señales, pueden utilizar SPI para intercambiar datos con otros dispositivos.
Sistemas Embebidos: En sistemas embebidos más complejos, como sistemas de control
automotriz y sistemas de automatización industrial, SPI se utiliza para la comunicación entre
microcontroladores y diversos periféricos.
2.3.
PROTOCOLO DE COMUNICACIÓN I2C
2.3.1. EXPLICACIÓN DE (I2C)
El término "TWI" se utiliza a menudo de manera intercambiable con I2C, ya que ambos
se refieren esencialmente al mismo protocolo de comunicación. La razón detrás de esta
duplicación de términos se relaciona con problemas de propiedad intelectual y nombres de
marca.
Inicialmente, "I2C" era una marca registrada de Philips (ahora NXP Semiconductors),
por lo que otros fabricantes de chips optaron por evitar infringir los derechos de marca
registrada utilizando la terminología "Two-Wire Interface" (Interfaz de Dos Hilos) o "TWI"
en lugar de "I2C" para referirse al mismo protocolo.
En resumen, I2C y TWI se refieren al mismo protocolo de comunicación, y la elección
entre uno u otro término depende de las convenciones de la empresa o el fabricante de
componentes electrónicos que estés utilizando. Ambos términos describen la misma
tecnología de comunicación de corta distancia entre dispositivos electrónicos a través de dos
cables: uno para datos (SDA) y otro para la señal de reloj (SCL).
2.3.2. CARACTERÍSTICAS CLAVE
2.3.3. PINOUT Y CONFIGURACIÓN
Los pines TWI, TWI Clock (TWCK) y TWI Data (TWD) son líneas bidireccionales,
que están conectadas a un voltaje de suministro positivo usando una fuente de corriente o una
resistencia pull-up. El valor de la resistencia pull-up es impulsado por la capacitancia total
del bus, que incluye la capacitancia de entrada de cada esclavo, cable, conectores, diseño de
PCB, bus VDD y velocidad de bits TWI. El número de dispositivos esclavos que pueden ser
conectados al bus están limitados únicamente por la carga capacitiva máxima del bus (Cbus).
Según I2C Estándar, el valor máximo de Cbus es 400 pF. Dado que el tiempo de transición
de bajo a alto (tiempo de subida o tR) es determinado por la red RC formada por la resistencia
pull-up (Rp) y la capacitancia del bus, el valor de Rp tiene que se calculará para coincidir
con el tiempo de subida requerido por el estándar I2C. Se puede calcular el valor de Rp.
utilizando los valores de velocidad y tiempo de subida indicados en la ficha técnica
2.3.4. COMUNICACIÓN MAESTRO-ESCLAVO
Maestro: El dispositivo maestro en una red I2C inicia y controla la comunicación en
el bus I2C. Puede ser un microcontrolador, un procesador, o cualquier otro dispositivo con
capacidad maestra. El maestro es responsable de generar señales de reloj (SCL) y emitir
solicitudes de lectura o escritura a los dispositivos esclavos.
Esclavos: Los dispositivos esclavos son aquellos que responden a las solicitudes del
maestro. Estos dispositivos pueden ser sensores, pantallas, memorias EEPROM,
convertidores analógico-digitales (ADC), o cualquier componente que deba comunicarse en
la red I2C. Los dispositivos esclavos no generan señales de reloj; simplemente responden a
las solicitudes del maestro.
Figura 1-1. Diagrama de bloques de relación maestro y esclavo SAM TWI
2.3.5. DIRECCIONAMIENTO DE DISPOSITIVOS
Dirección Única: Cada dispositivo I2C tiene una dirección única que se utiliza para
seleccionarlo en el bus. Las direcciones suelen ser de 7 bits (aunque también existen
direcciones de 10 bits para redes más grandes). Esto permite la conexión de múltiples
dispositivos al mismo bus sin conflictos de dirección. Por lo tanto, el maestro puede
identificar y comunicarse con un dispositivo específico utilizando su dirección única.
2.3.6. VENTAJAS Y DESVENTAJAS
2.3.6.1.
VENTAJAS:
Sencillez de Implementación: I2C es fácil de implementar, lo que lo hace atractivo para
aplicaciones donde la simplicidad es fundamental.
Utilización de Pocos Pines: Requiere solo dos pines para la comunicación (SDA y
SCL), lo que ahorra recursos de E/S.
Conexión de Múltiples Dispositivos: Permite la conexión de múltiples dispositivos en
un solo bus, lo que facilita la expansión de sistemas.
Amplia Compatibilidad: Es compatible con una variedad de dispositivos, incluidos
sensores, pantallas y memorias.
2.3.6.2.
DESVENTAJAS:
Velocidad Limitada: La velocidad de transmisión de datos de I2C es más lenta en
comparación con otros protocolos como SPI, lo que puede limitar su uso en aplicaciones de
alta velocidad.
2.3.7. EJEMPLOS DE APLICACIONES
2.3.7.1.
Sensores:
I2C se utiliza para conectar sensores, como sensores de temperatura, presión,
humedad, luz, y acelerómetros a microcontroladores. Los sensores proporcionan datos clave
para aplicaciones como monitoreo ambiental, control de climatización y dispositivos
portátiles.
2.3.7.2.
Pantallas LCD:
Pantallas LCD y OLED se controlan a menudo a través de I2C debido a su simplicidad
y bajo costo de implementación. Esto es común en dispositivos de visualización pequeños y
medianos, como relojes inteligentes, termómetros digitales y paneles de control.
2.3.7.3.
Memoria EEPROM:
I2C se utiliza para leer y escribir datos en memorias EEPROM, que son útiles para
almacenar configuraciones, registros de eventos y datos críticos en sistemas embebidos y
electrónica de consumo.
2.3.7.4.
Comunicación entre Microcontroladores:
I2C se emplea en sistemas embebidos para permitir la comunicación entre
microcontroladores y periféricos. Esto es esencial en aplicaciones como automatización
industrial, sistemas de control y dispositivos médicos.
2.3.7.5.
Aplicaciones en Electrónica de Consumo:
I2C se encuentra en dispositivos electrónicos de consumo, como teléfonos móviles,
tablets, cámaras digitales y sistemas de entretenimiento en el hogar. Facilita la comunicación
entre los componentes internos de estos dispositivos para el procesamiento de datos y la
interacción con el usuario.
3. PROCEDIMIENTO
3.1.
EJEMPLOS DE IMPLEMENTACIÓN
3.1.1. UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter):
Comunicación Serial entre Microcontrolador y Computadora: Se utiliza UART para
establecer una comunicación serial entre un microcontrolador, como el Arduino, y una
computadora. Esto permite la programación y depuración de microcontroladores y la
transferencia de datos.
Transmisión de Datos GPS: Los módulos GPS a menudo utilizan UART para
transmitir datos de posición y tiempo a microcontroladores, que pueden luego procesar y
mostrar información en una pantalla o enviarla a través de una red.
Comunicación Inalámbrica Bluetooth: Muchos módulos Bluetooth utilizan UART
para establecer una comunicación inalámbrica con dispositivos móviles, como smartphones
o tabletas. Esto se usa en aplicaciones de control remoto, monitoreo y transferencia de
datos.
3.1.2. SPI (Serial Peripheral Interface):
Control de Pantallas TFT: Las pantallas a color TFT (Thin-Film Transistor) se
controlan a través de SPI para enviar datos de imagen y comandos de control. Esto se
utiliza en dispositivos como relojes inteligentes y paneles de información.
Lectura de Sensores de Temperatura: Sensores de temperatura digitales, como el
MAX31865, se comunican a través de SPI con microcontroladores. Estos sensores envían
lecturas de temperatura con alta precisión.
Memoria Flash: La memoria flash utilizada en tarjetas SD y dispositivos de
almacenamiento USB a menudo se comunica mediante SPI para leer y escribir datos. Esto
es común en cámaras digitales y dispositivos de almacenamiento portátiles.
3.1.3. I2C (Inter-Integrated Circuit o TWI - Two-Wire Interface):
Sensores de Presión Barométrica: Los sensores de presión barométrica, como el
BMP180, utilizan I2C para enviar lecturas de presión y temperatura a microcontroladores.
Estos datos se utilizan en aplicaciones de pronóstico del tiempo y altímetros.
Control de Pantallas LCD: Muchas pantallas LCD, especialmente las pantallas I2C,
se utilizan en aplicaciones como termostatos, medidores de humedad y sistemas de control
doméstico. Estas pantallas se comunican con microcontroladores a través de I2C para
mostrar información al usuario.
Sensores de Proximidad y Luz: Sensores como el TSL2561, que miden la luz
ambiente y la proximidad, se conectan a microcontroladores a través de I2C. Estos sensores
son comunes en dispositivos de iluminación automática y pantallas sensibles al brillo.
3.2.
BREVE DESCRIPCIÓN DE PROYECTOS O APLICACIONES QUE
UTILIZAN UART, SPI Y TWI
3.2.1. CONTROL DE DRONES Y VEHÍCULOS AUTÓNOMOS
En proyectos de drones y vehículos autónomos, UART se utiliza para la comunicación
entre la unidad de control principal y los módulos GPS, sensores, cámaras y otros
componentes.
3.2.2. MONITOREO DE ESTACIONES METEOROLÓGICAS:
Las estaciones meteorológicas utilizan UART para transmitir datos sobre la
temperatura, humedad, velocidad del viento y otros parámetros meteorológicos a una
estación base o una computadora de monitoreo.
3.2.3. TELEMETRÍA EN MODELISMO DE RADIOCONTROL:
Los entusiastas del modelismo de radiocontrol emplean UART para la telemetría, lo
que permite monitorear en tiempo real datos como la velocidad, la altitud y la temperatura
de sus vehículos o aviones RC.
3.2.4. CONTROL DE ILUMINACIÓN INTELIGENTE EN HOGARES Y
EDIFICIOS:
Los sistemas de iluminación inteligente utilizan UART para la comunicación entre
sensores de movimiento, interruptores y controladores para ajustar el brillo y el
encendido/apagado de las luces de acuerdo con las necesidades y las condiciones
ambientales.
3.2.5. CONTROL DE IMPRESORAS 3D:
En impresoras 3D, UART se utiliza para la comunicación entre la placa de control y
los motores, sensores y el software de control para imprimir objetos tridimensionales.
3.2.6. COMUNICACIÓN CON DISPOSITIVOS MÉDICOS:
En dispositivos médicos como monitores de signos vitales, UART se utiliza para
transmitir datos desde sensores y dispositivos de medición a sistemas de visualización y
registro de datos en hospitales y clínicas.
3.2.7. CONTROL DE SISTEMAS DE AUDIO Y VIDEO
PROFESIONALES:
Los sistemas de audio y video profesionales utilizan UART para la comunicación entre
mezcladores, procesadores de señales y dispositivos de grabación para controlar el
enrutamiento de señales y los parámetros de audio y video.
3.2.8. CONTROL DE SISTEMAS DE ALARMA Y SEGURIDAD:
Los sistemas de alarma y seguridad emplean UART para comunicarse con sensores,
cámaras y paneles de control para detectar intrusiones y activar alarmas.
3.2.9. COMUNICACIÓN EN ROBÓTICA INDUSTRIAL:
En robótica industrial, UART se utiliza para la comunicación entre controladores y
brazos robóticos, sensores y dispositivos periféricos para realizar tareas de ensamblaje y
manufactura.
3.2.10. CONEXIÓN DE MICROCONTROLADORES EN SISTEMAS DE
IOT:
Los proyectos de Internet de las cosas (IoT) utilizan UART para conectar
microcontroladores a sensores, módulos de comunicación inalámbrica y servidores en la
nube, permitiendo la recolección y el envío de datos a través de Internet.
Estos son solo algunos ejemplos de aplicaciones que utilizan UART en una variedad
de campos, desde la electrónica de consumo hasta la industria y la medicina. La versatilidad
de UART lo convierte en una opción popular para la comunicación en proyectos y sistemas
de todo tipo.
3.3.
CASOS DE ESTUDIO
3.3.1. COMUNICACIÓN IOT:
UART desempeña un papel clave en la interconexión de dispositivos en el Internet de
las Cosas (IoT), permitiendo la recopilación y el intercambio de datos en aplicaciones
domésticas, industriales y de ciudades inteligentes.
3.3.2. COMUNICACIÓN INALÁMBRICA AVANZADA:
Se espera que UART se utilice en soluciones más avanzadas para la comunicación
inalámbrica, lo que ampliará sus aplicaciones en áreas como la telemetría y el monitoreo
remoto.
3.3.3. AUTOMATIZACIÓN Y ROBÓTICA:
UART sigue siendo relevante para la comunicación entre controladores, sensores y
brazos robóticos, impulsando la automatización y la robótica avanzada en la manufactura y
la logística.
3.4.
RESUMEN DE LOS PUNTOS CLAVE
➢ UART es un protocolo de comunicación asincrónica ampliamente utilizado
que permite la transferencia de datos serie entre dispositivos electrónicos.
Ofrece comunicación full-dúplex y es configurable en términos de velocidad
de transmisión, número de bits de datos, bits de parada y paridad.
➢ SPI (Serial Peripheral Interface) es un protocolo que se utiliza para conectar
microcontroladores y periféricos, como pantallas, sensores y memorias, a
través de líneas separadas para datos y reloj. Permite la comunicación fulldúplex y es conocido por su alta velocidad.
➢ I2C (Inter-Integrated Circuit o Two-Wire Interface - TWI) es un protocolo de
comunicación que utiliza solo dos cables para transmitir datos y señales de
reloj. Permite la conexión de múltiples dispositivos en un solo bus y utiliza
direcciones únicas para identificar los dispositivos.
➢ La comunicación UART no sigue un esquema estricto de maestro-esclavo,
mientras que SPI e I2C operan en un modelo maestro-esclavo.
➢ UART no proporciona un mecanismo integrado para el direccionamiento de
dispositivos, mientras que SPI e I2C utilizan direcciones únicas para
identificar dispositivos.
➢ Los protocolos UART, SPI y I2C se utilizan en una variedad de aplicaciones,
desde comunicación entre microcontroladores y periféricos hasta sistemas de
Internet de las Cosas, sistemas de automatización y dispositivos médicos.
➢ Las ventajas de UART incluyen su amplia compatibilidad, configurabilidad y
bajo consumo de energía. Sin embargo, carece de detección de errores y tiene
una velocidad máxima limitada.
➢ SPI ofrece alta velocidad, comunicación full-dúplex y flexibilidad en la
conexión de múltiples dispositivos, pero requiere más pines y cableado más
complejo.
➢ I2C se destaca por su sencillez de implementación, bajo uso de pines y
capacidad de conectar múltiples dispositivos en un solo bus. Sin embargo, su
velocidad es más lenta en comparación con SPI.
3.5.
CONSIDERACIONES FINALES SOBRE CUÁNDO UTILIZAR CADA
PROTOCOLO
ART es útil en aplicaciones que requieren comunicación simple entre dos dispositivos,
como la programación de microcontroladores y la transmisión de datos serie a una
computadora.
SPI es ideal para aplicaciones que requieren alta velocidad y comunicación full-dúplex,
como el control de pantallas y la lectura de sensores de alta precisión.
I2C es adecuado para aplicaciones donde la simplicidad, el bajo uso de pines y la
conexión de múltiples dispositivos son importantes, como sensores, pantallas y aplicaciones
de automatización.
3.6.
PERSPECTIVAS FUTURAS
Los protocolos de comunicación UART, SPI e I2C seguirán siendo relevantes en una
variedad de aplicaciones, ya que son ampliamente utilizados y probados.
Se espera que estos protocolos se integren en sistemas más avanzados y conectados,
como el Internet de las Cosas (IoT), la automatización industrial y la robótica.
La comunicación inalámbrica, la seguridad y la eficiencia energética serán áreas de
enfoque para la evolución futura de estos protocolos.
La estandarización y la interoperabilidad serán importantes a medida que los
dispositivos y sistemas utilicen estos protocolos en un entorno conectado más amplio.
3.6.1. EFICIENCIA ENERGÉTICA:
3.6.1.1.
3.6.1.1.1.
UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter):
Eficiencia Energética:
UART tiende a ser eficiente en términos de consumo de energía, especialmente cuando
se utiliza en modo de bajo consumo de energía. Los dispositivos pueden entrar en un estado
de reposo para reducir el consumo de energía cuando no están activos.
3.6.1.2.
3.6.1.2.1.
SPI (Serial Peripheral Interface):
Eficiencia Energética:
SPI no es conocido por ser altamente eficiente en términos de consumo de energía
debido a su funcionamiento a alta velocidad. El constante cambio de estado de las líneas de
señal puede requerir más energía en comparación con otros protocolos más lentos.
Sin embargo, algunos dispositivos SPI modernos están diseñados para minimizar el
consumo de energía en modos inactivos y de bajo consumo, lo que puede hacer que SPI sea
más eficiente en términos energéticos en aplicaciones que requieren un manejo eficiente de
la energía.
3.6.1.3.
3.6.1.3.1.
I2C (Inter-Integrated Circuit):
Eficiencia Energética:
I2C es conocido por su eficiencia energética, ya que requiere solo dos líneas (SDA y
SCL) para la comunicación. Esto reduce la carga capacitiva en el bus y, por lo tanto, el
consumo de energía en comparación con protocolos que utilizan más líneas.
Los dispositivos I2C pueden entrar en modos de bajo consumo de energía cuando no
están activos, lo que mejora aún más la eficiencia energética en aplicaciones con requisitos
estrictos de conservación de energía.
3.6.2. NUEVOS ESTÁNDARES Y PROTOCOLOS:
➢ UART es un protocolo establecido y no se ha visto afectado por la aparición de
nuevos estándares en la misma medida que otros protocolos más recientes. En
general, la evolución de UART se ha centrado en la eficiencia de los
componentes y la implementación a nivel de hardware para mejorar la
eficiencia energética
➢ SPI ha evolucionado principalmente en términos de velocidades de transmisión
más altas y técnicas de reducción de ruido. No ha habido un cambio
significativo en el protocolo en sí en términos de estándares.
➢ A medida que se desarrollan aplicaciones de IoT y dispositivos de bajo
consumo de energía, I2C sigue siendo relevante debido a su eficiencia. Se han
desarrollado nuevas variantes de I2C, como "Fast Mode Plus" y "Ultra Fast
Mode", que permiten velocidades de transferencia más rápidas sin sacrificar la
eficiencia energética.
➢ Además, la interoperabilidad con otros protocolos, como "I3C" (InterIntegrated Circuit) ha surgido como un nuevo estándar que mejora aún más la
eficiencia y la velocidad de I2C.
4. REFERENCIAS
cursos.mcielectronics.cl. (s.f.). cursos.mcielectronics.cl. Obtenido de cursos.mcielectronics.cl:
https://cursos.mcielectronics.cl/2022/08/23/serial-peripheral-interfacespi/#:~:text=La%20interfaz%20de%20perif%C3%A9ricos%20en,desplazamiento%2C%20se
nsores%20y%20tarjetas%20SD
wikipedia. (s.f.). en.wikipedia.org. Obtenido de en.wikipedia.org:
https://en.wikipedia.org/wiki/Serial_Peripheral_Interface