Lernfeld 7 · Prüfung Teil 2

Datenformate, Schnittstellen und Bussysteme

Datenformate, UART, SPI, I²C, USB, RS-485 und CAN: Aufbau, Pegel, Pull-ups, Baudrate und typische Fehler serieller Schnittstellen.

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Darum geht es

Baugruppen tauschen Daten parallel oder seriell aus, im Gerät heute fast immer seriell. UART arbeitet asynchron: Sender und Empfänger müssen dieselbe Baudrate und dasselbe Format wie 8N1 einstellen, sonst kommen unleserliche Zeichen an. Jedes Byte braucht dabei Start- und Stoppbit, bei 8N1 also 10 Bit. TX des einen Geräts geht auf RX des anderen, und beide brauchen eine gemeinsame Masse. RS-232 arbeitet mit etwa ±12 V und invertierter Logik und braucht einen Pegelwandler.

SPI und I²C sind synchrone Busse für kurze Strecken. SPI nutzt Takt, je eine Datenleitung pro Richtung und eine Chip-Select-Leitung je Teilnehmer; es ist schnell und vollduplex. I²C kommt mit SDA und SCL aus, spricht die Teilnehmer über Adressen an und quittiert jedes Byte. Weil die Ausgänge Open-Drain sind, braucht der Bus Pull-up-Widerstände; ihre Größe hängt von Buskapazität und erlaubter Anstiegszeit ab.

Für längere Leitungen und störbehaftete Umgebungen nimmt man differenzielle Übertragung wie RS-485, CAN oder USB. Wichtig ist auch das Datenformat: Little-Endian sendet das niederwertige Byte zuerst, Zweierkomplement stellt negative Zahlen dar, Festkomma spart Rechenzeit. Mit Oszilloskop oder Logikanalysator kontrollierst du die Signale an der Schnittstelle direkt.

Das solltest du dir merken

Bei UART 8N1 braucht jedes Byte 10 Bit, nicht 8.
I²C ohne Pull-ups funktioniert nicht, SPI braucht dafür je Teilnehmer eine Chip-Select-Leitung.
Unleserliche Zeichen deuten auf falsche Baudrate, gar keine auf Verdrahtung oder Masse.
RS-232 nie direkt an einen Mikrocontroller-Pin, immer über einen Pegelwandler.
Byte-Reihenfolge und Zahlenformat stehen im Datenblatt, nicht raten.

Formeln

Nutzdatenrate bei UART: $r = \frac{B}{1 + d + p + s}$; $r$ Bytes je Sekunde, $B$ Baudrate, $d$ Datenbits, $p$ Paritätsbits, $s$ Stoppbits
Größter I²C-Pull-up-Widerstand: $R_{p,max} = \frac{t _{r}}{0 , 8473 \cdot C _{b}}$; $t_{r}$ zulässige Anstiegszeit, $C_{b}$ Buskapazität

Typische Fehler in der Prüfung

Start- und Stoppbit bei der Übertragungszeit vergessen.
TX auf TX verbunden oder die gemeinsame Masse weggelassen.
Little- und Big-Endian verwechselt und so falsche Messwerte gelesen.
Den Abschlusswiderstand von RS-485 auch bei I²C gesucht.

Tipps aus der Werkstatt

Bei UART 8N1 hat jedes Byte 10 Bit, also teilst du die Baudrate durch 10. Kommen unleserliche Zeichen, prüfe zuerst die Baudrate; kommt gar nichts, prüfe TX/RX und Masse. I²C ohne Pull-ups bleibt stumm, SPI braucht eine Chip-Select-Leitung je Teilnehmer.

Sitzt das Thema? Teste dich mit echten Prüfungsfragen.

13 Aufgaben zu „Datenformate, Schnittstellen und Bussysteme“, falsche Antworten kommen in der Runde noch einmal.

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Grundlage: KMK-Rahmenlehrplan Elektroniker/-in für Geräte und Systeme (2003 i. d. F. 2018), Lernfeld 7 (Baugruppen hard- und softwareseitig konfigurieren). Eigene Erklärung, keine Originalaufgaben der Prüfungsausschüsse.