【大學課件】單片機原理及應(yīng)用 串行接口及串行通信技術(shù)

單片機原理及應(yīng)用-串行接口及串行通信技術(shù)串行通信是一種在數(shù)據(jù)傳輸中將數(shù)據(jù)逐位發(fā)送的方式，廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)自動化。本節(jié)課程將深入探討單片機的串行接口，以及串行通信技術(shù)的原理、實現(xiàn)和應(yīng)用。單片機簡介微型計算機單片機是將中央處理器(CPU)、內(nèi)存、輸入/輸出(I/O)接口和外設(shè)集成在一個芯片上的微型計算機。嵌入式系統(tǒng)單片機通常用于嵌入式系統(tǒng)，即那些與特定應(yīng)用程序緊密集成并執(zhí)行特定任務(wù)的系統(tǒng)。廣泛應(yīng)用從家用電器和汽車到工業(yè)自動化和醫(yī)療設(shè)備，單片機在各種領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。單片機的組成部分1中央處理器(CPU)控制和執(zhí)行程序，處理數(shù)據(jù)，是單片機的核心。2存儲器存儲程序和數(shù)據(jù)，包括程序存儲器(ROM)和數(shù)據(jù)存儲器(RAM)。3輸入/輸出接口與外部世界交互，接收外部信息，控制外部設(shè)備。4定時器/計數(shù)器提供定時功能，用于控制時間間隔和計數(shù)事件。CPU及其功能中央處理單元(CPU)單片機的大腦，執(zhí)行指令、控制運算、處理數(shù)據(jù)、協(xié)調(diào)各部件運作。CPU從存儲器中讀取指令，并根據(jù)指令執(zhí)行相應(yīng)操作，比如算術(shù)運算、邏輯運算、數(shù)據(jù)傳輸、程序跳轉(zhuǎn)等。存儲器類型及特點ROM只讀存儲器，用于存儲程序和數(shù)據(jù)，程序運行過程中無法修改。RAM隨機存取存儲器，可讀寫，存儲程序和數(shù)據(jù)，斷電后數(shù)據(jù)丟失。EEPROM電可擦除可編程只讀存儲器，可反復擦寫，存儲程序和數(shù)據(jù)。外部存儲器外部存儲器，如SD卡、U盤等，用于存儲大量數(shù)據(jù)。輸入/輸出接口外部數(shù)據(jù)交互輸入/輸出接口是單片機與外部世界進行數(shù)據(jù)交換的橋梁，負責接收來自外部傳感器、按鈕等設(shè)備的數(shù)據(jù)，并將單片機內(nèi)部處理后的數(shù)據(jù)輸出到外部顯示設(shè)備、執(zhí)行機構(gòu)等。多種接口類型單片機擁有多種類型的輸入/輸出接口，包括通用I/O口、串行接口、并行接口等，不同的接口類型適用于不同的應(yīng)用場景。數(shù)據(jù)傳輸方式輸入/輸出接口可以采用多種數(shù)據(jù)傳輸方式，包括并行數(shù)據(jù)傳輸、串行數(shù)據(jù)傳輸，以及各種協(xié)議標準。電路設(shè)計輸入/輸出接口的電路設(shè)計需要考慮接口類型、數(shù)據(jù)傳輸方式、驅(qū)動能力、抗干擾能力等因素，確保接口的可靠性和穩(wěn)定性。定時計數(shù)器定時器功能定時器可以精確地測量時間間隔，并根據(jù)設(shè)定時間進行計數(shù)。它們在單片機系統(tǒng)中扮演著重要角色，用于實現(xiàn)各種定時、延時、計數(shù)和控制功能。計數(shù)器功能計數(shù)器可以對外部脈沖信號進行計數(shù)，用于測量事件發(fā)生的頻率或數(shù)量。例如，可以通過計數(shù)器測量電機轉(zhuǎn)速或按鍵的按下次數(shù)。中斷系統(tǒng)中斷請求外設(shè)發(fā)出中斷請求信號，通知單片機處理。中斷響應(yīng)單片機停止當前程序執(zhí)行，轉(zhuǎn)而處理中斷服務(wù)程序。中斷優(yōu)先級多個中斷同時發(fā)生時，根據(jù)優(yōu)先級決定哪個中斷先處理。中斷返回中斷服務(wù)程序執(zhí)行完畢后，返回原程序繼續(xù)執(zhí)行。單片機的編程1語言選擇C語言是單片機編程的常用語言，它簡潔高效，易于移植，并提供豐富的庫函數(shù)。2開發(fā)環(huán)境KeilC51是常見的單片機開發(fā)環(huán)境，它提供編譯器、調(diào)試器、模擬器等工具，方便開發(fā)者進行程序編寫和調(diào)試。3編程步驟首先，編寫代碼，并使用編譯器將其轉(zhuǎn)換成目標代碼，然后將目標代碼下載到單片機內(nèi)部，最后進行運行調(diào)試。程序存儲與運行1程序存儲將程序代碼寫入單片機的存儲器中2程序加載將存儲器中的程序代碼加載到CPU中3程序執(zhí)行CPU逐條讀取指令并執(zhí)行單片機程序存儲是指將編寫好的程序代碼寫入單片機內(nèi)部的存儲器中，以便后續(xù)執(zhí)行。程序加載則是將存儲器中的程序代碼加載到CPU中，供CPU讀取和執(zhí)行。程序執(zhí)行是指CPU按照程序代碼中的指令一步步執(zhí)行，完成預(yù)定的功能。開發(fā)環(huán)境與編程軟件集成開發(fā)環(huán)境(IDE)IDE提供代碼編輯器、編譯器、調(diào)試器等工具，方便開發(fā)者編寫、調(diào)試和運行程序。匯編語言匯編語言是直接操作單片機硬件的語言，可實現(xiàn)精確控制，但編寫難度較大。C語言C語言是一種結(jié)構(gòu)化編程語言，具有可移植性強、效率高等優(yōu)點，適合開發(fā)復雜程序。仿真器仿真器可以模擬單片機硬件環(huán)境，方便開發(fā)者測試和調(diào)試程序。串行通信基礎(chǔ)知識數(shù)據(jù)傳輸方式串行通信將數(shù)據(jù)一位一位地按順序傳輸。數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)以連續(xù)的位流形式發(fā)送和接收。通信協(xié)議定義數(shù)據(jù)格式、同步機制等通信規(guī)則。串行接口標準RS-2321標準接口RS-232是一種通用的串行通信標準，定義了數(shù)據(jù)信號、控制信號和機械接口規(guī)范。2信號傳輸RS-232采用差分信號傳輸，使用兩條線來傳輸數(shù)據(jù)，提高抗干擾能力。3數(shù)據(jù)傳輸RS-232支持全雙工通信，可以同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，提高通信效率。4應(yīng)用廣泛RS-232廣泛應(yīng)用于計算機、外設(shè)、工業(yè)控制等領(lǐng)域，是串行通信的經(jīng)典標準。RS-232接口電路RS-232接口電路通常包含一個串行接口控制器(UART)、一個電平轉(zhuǎn)換器和一個連接器。UART將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，并執(zhí)行信號處理和控制功能。電平轉(zhuǎn)換器將UART輸出的TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-232標準的電平，反之亦然。連接器通常為DB-9或DB-25類型，用于連接RS-232設(shè)備。接口電路還包括其他元件，例如電壓調(diào)節(jié)器、晶振、濾波器等，以確保信號的可靠傳輸。異步串行通信協(xié)議異步串行通信協(xié)議異步串行通信協(xié)議是一種常用的通信方式，它使用起始位和停止位來標識數(shù)據(jù)的開始和結(jié)束，并且不需要統(tǒng)一的時鐘信號，每個數(shù)據(jù)位可以在不同的時間發(fā)送。數(shù)據(jù)幀異步串行通信協(xié)議使用數(shù)據(jù)幀來傳輸數(shù)據(jù)，每個數(shù)據(jù)幀包含起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位和停止位。數(shù)據(jù)位根據(jù)需要可以是5位、7位或8位。時序圖異步串行通信協(xié)議的時序圖顯示了每個數(shù)據(jù)位和起始位、停止位的發(fā)送時間，以及發(fā)送過程中使用的時鐘信號。同步串行通信協(xié)議同步串行通信同步通信是指接收方和發(fā)送方使用同一個時鐘信號來同步數(shù)據(jù)傳輸。同步通信通常使用特殊的同步字符或信號來標記數(shù)據(jù)幀的開始和結(jié)束。同步通信速度更快，數(shù)據(jù)傳輸效率更高，但需要更復雜的硬件和軟件。同步通信協(xié)議同步通信協(xié)議規(guī)定了數(shù)據(jù)幀的格式、時鐘同步方式以及錯誤檢測和糾正機制。常用的同步通信協(xié)議包括：SDLC、HDLC、BISYNC等。UART及其工作原理UART簡介UART是一種用于異步串行通信的通用異步收發(fā)器，在單片機與外部設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)傳輸。UART工作原理UART將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)流，通過數(shù)據(jù)線發(fā)送，同時接收串行數(shù)據(jù)流并轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)。UART數(shù)據(jù)格式起始位：表示數(shù)據(jù)開始數(shù)據(jù)位：表示數(shù)據(jù)內(nèi)容奇偶校驗位：用于檢測數(shù)據(jù)傳輸錯誤停止位：表示數(shù)據(jù)結(jié)束UART控制信號發(fā)送使能信號接收使能信號數(shù)據(jù)準備好信號錯誤信號USART的特點及應(yīng)用11.靈活性USART可以配置為多種通信模式，例如同步或異步通信，并支持各種數(shù)據(jù)格式。22.高效性USART支持高傳輸速率，可以滿足各種應(yīng)用的需求，例如數(shù)據(jù)采集、控制等。33.多功能性USART可用于多種通信場景，例如與計算機、傳感器、外圍設(shè)備等進行數(shù)據(jù)交換。44.廣泛應(yīng)用USART在工業(yè)自動化、儀器儀表、消費電子等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，是重要的串行通信接口。SPI總線通信串行通信SPI是一種同步串行通信協(xié)議，用于在主設(shè)備和從設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)。時鐘同步主設(shè)備控制時鐘信號，確保數(shù)據(jù)傳輸同步。四線通信SPI通常使用四條線進行通信，包括時鐘、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出和片選。I2C總線通信I2C總線簡介I2C是一種雙線式同步串行通信總線，常用于低速數(shù)據(jù)傳輸。適用于連接單片機、傳感器、存儲器等外圍設(shè)備。工作原理I2C總線使用兩根線進行通信：SDA（數(shù)據(jù)線）和SCL（時鐘線）。主設(shè)備通過發(fā)送時鐘信號控制數(shù)據(jù)傳輸，從設(shè)備根據(jù)時鐘信號接收數(shù)據(jù)。I2C總線特點數(shù)據(jù)傳輸速率較低，但功耗低、成本低。支持多主設(shè)備和多從設(shè)備，可擴展性強。CAN總線通信CAN總線架構(gòu)CAN總線是一種多主系統(tǒng)，支持多個節(jié)點設(shè)備同時進行通信。通信協(xié)議CAN總線使用非破壞性仲裁機制，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯崟r性。應(yīng)用領(lǐng)域CAN總線廣泛應(yīng)用于汽車電子、工業(yè)自動化、航空航天等領(lǐng)域。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)CAN總線支持多種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，例如總線型、樹型和星型。串行通信技術(shù)應(yīng)用案例串行通信技術(shù)在工業(yè)控制、智能家居、數(shù)據(jù)采集、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。例如，利用串行通信技術(shù)，可以將單片機與傳感器連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制；也可以將單片機與計算機連接，進行數(shù)據(jù)傳輸和交互。多機通信系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計確定系統(tǒng)中各個單片機的功能和相互之間的通信方式。例如，一個單片機負責數(shù)據(jù)采集，另一個負責數(shù)據(jù)處理和顯示。通信協(xié)議選擇根據(jù)系統(tǒng)需求選擇合適的通信協(xié)議，例如RS-232、SPI、I2C或CAN總線，并制定通信格式和數(shù)據(jù)傳輸方式。硬件電路設(shè)計設(shè)計單片機之間的連接電路，包括信號轉(zhuǎn)換、隔離和保護等。軟件編程實現(xiàn)編寫單片機程序，實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、處理、發(fā)送等功能，并調(diào)試程序以確保系統(tǒng)正常運行。系統(tǒng)測試與調(diào)試對整個系統(tǒng)進行測試，驗證系統(tǒng)功能和性能，并進行必要的調(diào)整和優(yōu)化。串行通信故障診斷連接問題檢查連接線、插頭和接地是否完好，以及信號線是否正確連接。通信參數(shù)錯誤確認波特率、數(shù)據(jù)位、校驗位和停止位設(shè)置是否一致。硬件故障檢查串行接口芯片、晶振、電平轉(zhuǎn)換電路等是否正常工作。軟件錯誤檢查通信協(xié)議、數(shù)據(jù)格式、程序代碼等是否正確。串行接口的電路設(shè)計硬件選擇選擇合適的串行接口芯片，例如MAX232或FT232等，根據(jù)應(yīng)用需求確定數(shù)據(jù)傳輸速率、信號電平等。電路連接將串行接口芯片連接到單片機的TXD、RXD、GND等引腳，并根據(jù)信號電平需要進行電平轉(zhuǎn)換。電路調(diào)試利用示波器或邏輯分析儀等工具，觀察波形，驗證串行接口電路是否正常工作。串行通信軟件編程1編程語言選擇合適的編程語言，例如C語言、匯編語言等，實現(xiàn)串行通信功能。2數(shù)據(jù)格式定義數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷?，包括?shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)長度、校驗碼等。3通信協(xié)議根據(jù)串行通信協(xié)議，編寫發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的代碼。4調(diào)試測試使用調(diào)試工具進行測試，確保程序的正確性和穩(wěn)定性。串行通信封裝與調(diào)試封裝的目的將串行通信功能封裝成函數(shù)或類，方便調(diào)用，減少重復代碼?？商岣叽a可讀性和可維護性，有利于團隊合作開發(fā)。調(diào)試方法使用邏輯分析儀或示波器觀察串行數(shù)據(jù)信號，驗證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。使用串口調(diào)試助手軟件，發(fā)送和接收測試數(shù)據(jù)，驗證程序邏輯的正確性。單片機與串行通信綜合實踐1項目選題根據(jù)實際需求，選擇一個合適的項目進行實踐。2方案設(shè)計設(shè)計整體方案，包括硬件電路、軟件程序、通信協(xié)議等。3電路搭建根據(jù)方案圖，搭建實物電路，并進行測試調(diào)試。4程序編寫編寫單片機程序，實現(xiàn)項目的功能，并進行調(diào)試驗證。5系