《片機(jī)串行通信》課件

集成電路單片機(jī)串行通信本課件將探討單片機(jī)中常用的串行通信技術(shù),包括RS232、SPI和I2C等協(xié)議。了解它們的工作原理、適用場(chǎng)景和編程實(shí)現(xiàn),為后續(xù)的單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)奠定基礎(chǔ)。byhpzqamifhr@什么是串行通信串行通信是一種數(shù)據(jù)傳輸方式,其中數(shù)據(jù)位逐位通過單條信號(hào)線或總線進(jìn)行傳輸。相比并行通信,串行通信只需要一條信號(hào)線就可以實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)交換,更加簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)。串行通信廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備和系統(tǒng),如單片機(jī)、微控制器、計(jì)算機(jī)等。不同設(shè)備之間可以通過串行通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和控制。串行通信的基本原理串行通信是通過一條或多條信號(hào)線來傳輸數(shù)據(jù)的通信方式。與并行通信不同，串行通信一次只傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)位，以時(shí)間分割的方式依次傳輸各個(gè)數(shù)據(jù)位。這種通信方式可以大大減少信號(hào)線的數(shù)量，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。串行通信的基本原理是通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和同步，使得接收端能夠正確地接收和解碼數(shù)據(jù)。通常需要包括起始位、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位和停止位等元素來確保通信的正確性和可靠性。異步串行通信異步串行通信是最常見的串行通信方式之一。在這種通信模式下，通信雙方?jīng)]有固定的時(shí)鐘信號(hào)同步,而是由發(fā)送端和接收端各自獨(dú)立維護(hù)自己的時(shí)鐘。通信時(shí),發(fā)送端將數(shù)據(jù)按規(guī)定的格式發(fā)送,接收端根據(jù)自身的時(shí)鐘節(jié)拍來解析接收到的數(shù)據(jù)。這種通信方式簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn),適用于數(shù)據(jù)傳輸要求不高的場(chǎng)景。同步串行通信同步串行通信是一種基于時(shí)鐘信號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸方式。在這種通信中，發(fā)送端和接收端都使用相同的時(shí)鐘頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，確保了數(shù)據(jù)的同步性。這種通信通常用于對(duì)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序要求較高的場(chǎng)合，如工業(yè)控制、高速通信等。常見的串行通信協(xié)議RS-232異步串行通信協(xié)議,使用單點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接方式,廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)與外圍設(shè)備之間的通信。RS-485雙向半雙工的多點(diǎn)串行通信協(xié)議,具有強(qiáng)大的抗干擾能力,適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線通信。SPI同步串行通信協(xié)議,采用主從式工作模式,適用于微控制器與外圍設(shè)備之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。I2C同步串行通信協(xié)議,采用多主從式工作模式,廣泛應(yīng)用于集成電路芯片之間的通信。RS-232串行通信協(xié)議RS-232是一種廣泛應(yīng)用的通用串行通信協(xié)議,采用異步數(shù)據(jù)傳輸方式。它定義了計(jì)算機(jī)與外圍設(shè)備之間的電氣特性、信號(hào)特性、功能特性和接口特性。該協(xié)議廣泛應(yīng)用于POS機(jī)、傳感器、打印機(jī)等終端設(shè)備的連接。RS-232信號(hào)線及其功能數(shù)據(jù)線(Data線):用于發(fā)送和接收串行數(shù)據(jù)信號(hào)。通常有RXD(接收)和TXD(發(fā)送)兩條信號(hào)線?？刂凭€(Control線):用于同步和控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘?hào)。包括RTS(請(qǐng)求發(fā)送)、CTS(允許發(fā)送)、DTR(數(shù)據(jù)終端就緒)和DSR(數(shù)據(jù)設(shè)備就緒)等。地線(Ground線):共享地線,用于建立通信設(shè)備之間的共同參考電位。檢測(cè)線(Detect線):包括DCD(載波檢測(cè))和RI(振鈴信號(hào)),用于檢測(cè)通信鏈路的狀態(tài)。RS-232通信的硬件連接RS-232通信需要一對(duì)串行通信線進(jìn)行連接,包括RxD(接收數(shù)據(jù))和TxD(發(fā)送數(shù)據(jù))信號(hào)線。此外還需要地線(GND)用于電位參考,以及可選的控制信號(hào)線如RTS(請(qǐng)求發(fā)送)和CTS(可以發(fā)送)。通常使用9針D-Sub連接器進(jìn)行物理連接,針腳定義嚴(yán)格遵循RS-232標(biāo)準(zhǔn)。兩個(gè)設(shè)備的TxD和RxD應(yīng)該互連,即一臺(tái)設(shè)備的TxD連另一臺(tái)的RxD,反之亦然。地線也應(yīng)該連接。根據(jù)實(shí)際需求,可能還需要連接RTS/CTS等控制信號(hào)線,以實(shí)現(xiàn)硬件握手流控制。RS-232通信的軟件編程要實(shí)現(xiàn)RS-232串行通信,需要在軟件層面進(jìn)行編程控制。首先需要配置串口的波特率、數(shù)據(jù)位、停止位等參數(shù),然后通過讀寫串口緩沖區(qū)來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。常見的編程接口包括Windows的Win32API、Linux的termios以及單片機(jī)的UART外設(shè)寄存器。在單片機(jī)上,可以編寫初始化、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的函數(shù),通過UART外設(shè)的控制寄存器來完成實(shí)際的收發(fā)操作。對(duì)于多機(jī)通信的應(yīng)用,還需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀格式、握手協(xié)議等邏輯。此外,在軟件設(shè)計(jì)上還需考慮串口中斷、數(shù)據(jù)緩沖、錯(cuò)誤處理等機(jī)制,以確保穩(wěn)定可靠的通信。多線程或事件驅(qū)動(dòng)的編程模式有助于提高通信效率。RS-485串行通信協(xié)議RS-485是一種常見的差分式串行通信協(xié)議。相比于RS-232單端信號(hào)通信,RS-485采用差分式信號(hào)傳輸,具有更強(qiáng)的抗干擾能力、信號(hào)傳輸距離更遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。它廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、樓宇自控等領(lǐng)域。RS-485信號(hào)線及其功能RS-485通信使用一對(duì)差分信號(hào)線，即D+和D-兩根線。D+線傳輸正極性信號(hào)，D-線傳輸負(fù)極性信號(hào)。兩線之間的電壓差就是數(shù)據(jù)信號(hào)。RS-485使用差分信號(hào)傳輸可以抑制共模干擾，提高抗噪性能，傳輸距離可達(dá)1200米。除了信號(hào)線D+和D-，通常還會(huì)有一根GND線作為公共地。RS-485總線上可以掛接多個(gè)設(shè)備,因此被廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的分布式控制系統(tǒng)。RS-485通信的硬件連接RS-485是一種常見的多點(diǎn)式雙向串行通信協(xié)議。它使用兩根信號(hào)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,一根為數(shù)據(jù)正線(D+),一根為數(shù)據(jù)負(fù)線(D-)。為保證信號(hào)完整性,RS-485通常還需要一根地線(GND)來連接設(shè)備的公共地。RS-485連接時(shí),需將所有設(shè)備的D+線和D-線串聯(lián),并根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的長(zhǎng)度使用匹配電阻來提高信號(hào)質(zhì)量。同時(shí),所有設(shè)備的地線也需要互連,確保電平基準(zhǔn)一致。通常情況下,系統(tǒng)的兩端會(huì)增加120Ω的終端電阻來消除信號(hào)反射。RS-485通信的軟件編程配置RS-485通信硬件驅(qū)動(dòng)程序。通常需要設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位、停止位以及校驗(yàn)位等參數(shù)。編寫數(shù)據(jù)收發(fā)代碼。使用串口收發(fā)函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收,并處理接收到的數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀格式。根據(jù)具體的通信協(xié)議定義數(shù)據(jù)幀的頭部、命令碼、數(shù)據(jù)、校驗(yàn)等結(jié)構(gòu)。增加通信異常處理。如超時(shí)重傳、錯(cuò)誤檢查等,提高通信的可靠性。優(yōu)化傳輸效率。合理設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)包大小,降低因串行傳輸導(dǎo)致的通信延時(shí)。SPI串行通信協(xié)議SPI（SerialPeripheralInterface）是一種常見的同步串行通信協(xié)議，被廣泛應(yīng)用于各種微控制器和外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互。它采用全雙工、同步的通信模式，可實(shí)現(xiàn)高速、可靠的數(shù)據(jù)傳輸。SPI通信由一個(gè)主設(shè)備和一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備組成，主設(shè)備負(fù)責(zé)提供時(shí)鐘信號(hào)和通信控制。SPI信號(hào)線及其功能SPI(串行外圍接口)總線包括4條信號(hào)線:時(shí)鐘線SCK、主設(shè)備輸出從設(shè)備輸入線MOSI、主設(shè)備輸入從設(shè)備輸出線MISO和片選線CS/SS。這些信號(hào)線負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)和時(shí)鐘脈沖的傳輸,確保主從設(shè)備之間的同步通信。SCK提供統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào),MOSI和MISO用于全雙工數(shù)據(jù)傳輸,CS/SS用于從設(shè)備選擇。SPI通信的硬件連接SPI總線需要4根信號(hào)線來實(shí)現(xiàn)通信,分別是SCLK(時(shí)鐘線)、MOSI(主機(jī)輸出/從機(jī)輸入)、MISO(主機(jī)輸入/從機(jī)輸出)和CS(片選線)。這些信號(hào)線的物理連接是將主機(jī)的SCLK、MOSI、MISO連接到從機(jī)的對(duì)應(yīng)端口,并將主機(jī)的CS線連接到每一個(gè)從機(jī)的片選端。通過這種方式可以實(shí)現(xiàn)主機(jī)與從機(jī)之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸。SPI通信的軟件編程SPI通信的軟件編程需要熟悉SPI協(xié)議的工作原理,了解各信號(hào)線的作用。首先需要配置SPI外設(shè)的工作模式,包括時(shí)鐘極性、時(shí)鐘相位、數(shù)據(jù)位寬、主從模式等。然后通過編程實(shí)現(xiàn)SPI發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的過程,包括發(fā)送命令、寫入數(shù)據(jù)、讀取數(shù)據(jù)等步驟。還需要檢查數(shù)據(jù)傳輸是否成功,處理可能遇到的錯(cuò)誤。I2C串行通信協(xié)議I2C（Inter-IntegratedCircuit）是一種半雙工、同步、串行通信協(xié)議，由NXP半導(dǎo)體公司開發(fā)。它采用主從式通信架構(gòu)，允許多個(gè)設(shè)備共享同一總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。I2C通信使用雙向數(shù)據(jù)線（SDA）和時(shí)鐘線（SCL），具有簡(jiǎn)單、靈活、低成本等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于單片機(jī)、傳感器、存儲(chǔ)器等領(lǐng)域的嵌入式系統(tǒng)中。I2C信號(hào)線及其功能時(shí)鐘線(SCL)：負(fù)責(zé)提供時(shí)鐘信號(hào)來同步數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)線(SDA)：用于雙向傳輸數(shù)據(jù)，使用開漏驅(qū)動(dòng)電路接地線(GND)：提供地電位參考電源線(VCC)：為器件供電防止信號(hào)沖突的仲裁機(jī)制：保證數(shù)據(jù)線上只有一個(gè)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)I2C總線使用最少的信號(hào)線就可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)設(shè)備之間的通信,具有高度集成、成本低廉等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于單片機(jī)、嵌入式等領(lǐng)域。I2C通信的硬件連接I2C總線由兩根數(shù)據(jù)線組成,分別是SDA和SCL。SDA負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸,SCL負(fù)責(zé)時(shí)鐘同步。這兩根線都采用開漏輸出方式,通過外部上拉電阻保持高電平。設(shè)備通過這兩根線實(shí)現(xiàn)雙向通信。連接I2C設(shè)備時(shí),需要將SDA和SCL線連接到主設(shè)備和從設(shè)備上,并連接上拉電阻。一般主設(shè)備由微控制器或CPU提供,從設(shè)備可以是溫度傳感器、液晶顯示屏等。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用星型或菊花鏈形式,需要注意阻抗匹配和線路布局。I2C通信的軟件編程初始化I2C總線:設(shè)置I2C總線的通信速率和從機(jī)地址,開啟I2C總線的相關(guān)外設(shè)。主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù):主機(jī)通過I2C總線向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù),包括發(fā)送起始條件、從機(jī)地址、數(shù)據(jù)等。主機(jī)接收數(shù)據(jù):主機(jī)通過I2C總線從從機(jī)接收數(shù)據(jù),包括發(fā)送起始條件、從機(jī)地址、讀取數(shù)據(jù)等。錯(cuò)誤處理:檢測(cè)I2C總線上是否出現(xiàn)錯(cuò)誤,如仲裁丟失、從機(jī)響應(yīng)等,并采取相應(yīng)的處理措施。通信結(jié)束:發(fā)送停止條件以結(jié)束一次I2C通信。串行通信常見問題及解決在實(shí)際的串行通信過程中,常會(huì)遇到一些常見的問題,如信號(hào)干擾、通信超時(shí)、數(shù)據(jù)丟失等。這些問題可通過合理的硬件連線、正確的軟件配置等措施進(jìn)行解決。信號(hào)干擾可采用屏蔽線、扭合線等降低電磁輻射,同時(shí)提高信號(hào)對(duì)抗能力。通信超時(shí)則需調(diào)整波特率、超時(shí)時(shí)間等參數(shù)。數(shù)據(jù)丟失可通過協(xié)議校驗(yàn)、重傳機(jī)制等來確保數(shù)據(jù)完整性。此外,還要注意電源噪音、地線干擾等問題,合理的接地和電源隔離也很關(guān)鍵?？傊?只有深入理解串行通信的基本原理,才能更好地應(yīng)對(duì)實(shí)際中遇到的各種問題。串行通信在實(shí)際應(yīng)用中的案例串行通信廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。比如嵌入式控制設(shè)備通過串行接口與中央控制器通信,實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)監(jiān)控等功能。串行通信還用于連接工業(yè)傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等外