《串行口通信》課件

串行口通信串行通信是計算機(jī)系統(tǒng)中常用的數(shù)據(jù)傳輸方式之一。它以有序的方式將數(shù)據(jù)一位一位地通過單一的通信信道發(fā)送。本課件將詳細(xì)講解串行通信的基本原理和常見應(yīng)用場景。課程簡介課程目標(biāo)通過學(xué)習(xí)本課程,掌握串行通信的基本原理和常用協(xié)議,理解各種串行通信接口的特點和應(yīng)用場景。課程內(nèi)容課程涵蓋了串行通信的數(shù)字信號基礎(chǔ)、常見串行協(xié)議、RS-232標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)、同步/異步通信、波特率計算等重要知識點。學(xué)習(xí)收獲學(xué)生將能夠設(shè)計和調(diào)試串行通信電路,并在實際項目中靈活應(yīng)用串行通信技術(shù)。教學(xué)安排課程包括理論授課和實踐操作,并安排有案例分析和討論環(huán)節(jié),幫助學(xué)生深入理解。通信概述通信基本概念通信是指利用特定的信號和設(shè)備進(jìn)行信息交互和傳遞的過程。它包括發(fā)送者、信號及其傳播媒體、接收者等基本元素。通信模型通信系統(tǒng)通常由信源、信道、信宿三大部分組成。其中信源負(fù)責(zé)產(chǎn)生和編碼信號,信宿負(fù)責(zé)對信號進(jìn)行接收和解碼。通信技術(shù)發(fā)展通信技術(shù)經(jīng)歷了從電報到5G等多個發(fā)展階段,隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,通信速度、容量、可靠性等性能不斷提升。數(shù)字通信基礎(chǔ)信號編碼數(shù)字通信采用離散信號編碼,常用二進(jìn)制編碼,可有效抑制噪聲。多路復(fù)用通過時分、頻分等多路復(fù)用技術(shù),實現(xiàn)多用戶共享信道。信號調(diào)制將數(shù)字信號通過調(diào)制方式轉(zhuǎn)換為適合傳輸?shù)哪M信號。信號檢測接收端通過采樣、同步、解調(diào)等技術(shù)還原出原始數(shù)字信號。通信信號與傳輸媒體信號類型通信信號可以是模擬信號或數(shù)字信號。模擬信號連續(xù)變化,數(shù)字信號則是離散的二進(jìn)制值。兩種信號都可用于通信傳輸。傳輸媒體通信信號可通過有線媒體（如銅線、光纖）或無線媒體（如無線電波、紅外線）進(jìn)行傳輸。每種媒體都有其特點和適用場景。信號特性信號在傳輸過程中可能受到衰減、噪音干擾等影響。設(shè)計時需考慮信號的帶寬、信噪比等特性,選擇合適的傳輸媒體。通信信號的編碼二進(jìn)制編碼將信息映射為0和1的序列,是數(shù)字通信中最基本的編碼方式。它簡單高效,但抗噪能力弱。奇偶校驗編碼在二進(jìn)制編碼的基礎(chǔ)上添加校驗位,可以檢測傳輸過程中的單比特錯誤。調(diào)制編碼調(diào)制編碼在載波信號的幅度、相位或頻率上編碼數(shù)字信息,用于適應(yīng)不同的傳輸媒體。線性編碼使用碼元序列來編碼數(shù)字信息,能有效抑制噪聲和干擾,提高通信可靠性。串行通信的基本原理1時序信號傳輸串行通信通過按時序傳輸數(shù)字信號來實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。2單根傳輸線采用單根傳輸線,逐位傳輸數(shù)據(jù)比并行通信更簡單高效。3同步與時鐘接收端需要與發(fā)送端保持同步,采用公共時鐘源或從數(shù)據(jù)中恢復(fù)時鐘。串行通信的基本原理是通過時序信號傳輸來實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。與并行通信相比,串行通信采用單根傳輸線逐位傳輸數(shù)據(jù),更加簡單高效。同時接收端需要與發(fā)送端保持時鐘同步,可以采用共享時鐘源或從數(shù)據(jù)中恢復(fù)時鐘信號。常用的串行通信協(xié)議RS-232最常用的串行通信協(xié)議之一,支持異步通信,主要應(yīng)用于短距離的設(shè)備連接。RS-485基于差分信號傳輸?shù)亩帱c通信協(xié)議,支持多主多從拓?fù)?適用于工業(yè)現(xiàn)場總線。CAN總線汽車電子和工業(yè)自動化中廣泛使用的串行通信協(xié)議,具有優(yōu)秀的抗干擾能力。I2C總線一種簡單的主從式串行通信總線,用于集成電路內(nèi)部短距離通信。RS-232標(biāo)準(zhǔn)RS-232標(biāo)準(zhǔn)簡介RS-232是一種常用的串行通信標(biāo)準(zhǔn),定義了電纜連接、信號電平和數(shù)據(jù)傳輸速率等技術(shù)規(guī)范。它廣泛應(yīng)用于計算機(jī)設(shè)備及外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。物理連接規(guī)范RS-232標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了25針或9針串行端口的針腳定義,用于連接計算機(jī)和外圍設(shè)備。其中包括數(shù)據(jù)傳輸、信號接地、流控制等信號。通信電平與傳輸距離RS-232使用正負(fù)12V的電壓電平進(jìn)行通信,理論傳輸距離可達(dá)15米。較長距離傳輸時需要使用隔離變壓器或光纖轉(zhuǎn)換器。串行通信數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)串行通信中,數(shù)據(jù)通過時間順序的方式進(jìn)行傳輸。數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)包括開始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位和停止位等部分,確保接收端能正確識別和解析數(shù)據(jù)。精心設(shè)計的數(shù)據(jù)幀可提高通信穩(wěn)定性和可靠性。串行通信的同步和時序1同步模式通信雙方共享時鐘信號，數(shù)據(jù)與時鐘同步傳輸2異步模式通信雙方獨立使用各自的時鐘，數(shù)據(jù)異步傳輸3同步與異步各有優(yōu)缺點，需根據(jù)實際情況合理選擇串行通信的同步和時序是確保數(shù)據(jù)正確傳輸?shù)年P(guān)鍵。同步模式下，通信雙方共享時鐘信號，數(shù)據(jù)與時鐘同步傳輸。異步模式下，通信雙方獨立使用各自的時鐘，數(shù)據(jù)異步傳輸。兩種模式各有優(yōu)缺點，需根據(jù)實際情況合理選擇。異步串行通信和同步串行通信1異步串行通信無需時鐘信號同步,數(shù)據(jù)位和停止位通過自己的起始位和結(jié)束位來確定。適合距離較短、傳輸速度較慢的場合。2同步串行通信需要獨立的時鐘信號來同步數(shù)據(jù)位的傳輸,能實現(xiàn)更高的傳輸速度和更遠(yuǎn)的傳輸距離。適合高速、大容量的數(shù)據(jù)傳輸。3同步與時序同步串行通信需要額外的時鐘線來保證發(fā)送端和接收端的時鐘同步,復(fù)雜但傳輸效率高。4應(yīng)用場景異步用于低速、距離短的通信,同步用于高速、長距離的大容量數(shù)據(jù)傳輸。兩種方式各有優(yōu)劣。通信波特率及其計算波特率是衡量數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸速率的單位。它表示每秒鐘信號的變化次數(shù),即每秒能夠傳輸?shù)亩M(jìn)制位數(shù)。常見波特率有300、1200、2400、4800、9600等。波特率傳輸速率應(yīng)用領(lǐng)域300bps30字符/秒電傳打印機(jī)、傳真機(jī)9600bps960字符/秒計算機(jī)串行通信115200bps11520字符/秒高速串行通信通常波特率的計算公式為:波特率=1/信號周期。根據(jù)所用編碼方式和傳輸距離等因素來確定合適的波特率。串行通信的數(shù)據(jù)流控制數(shù)據(jù)流控制通過控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收速度,確保數(shù)據(jù)通信的可靠性和效率。硬件控制利用硬件信號線,如RTS/CTS、DTR/DSR,控制數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。軟件控制在軟件層面使用協(xié)議如Xon/Xoff、DC1/DC3等,實現(xiàn)數(shù)據(jù)流的控制。差分信號及其優(yōu)勢差分信號使用兩條平衡電纜傳輸數(shù)據(jù),相對于單端信號更能抑制共模干擾。它可以大大提高抗噪性能,提高傳輸?shù)目煽啃院涂垢蓴_能力。同時,差分信號還能提高傳輸速率,適用于高速數(shù)據(jù)傳輸場景。與單端信號相比,差分信號具有更高的共模抑制比,更強(qiáng)的抗電磁干擾能力,能夠在長距離傳輸中保持良好的數(shù)據(jù)完整性。這些優(yōu)勢使差分信號在工業(yè)控制、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。串行通信的接線與終端設(shè)備電纜連接串行通信通常使用RJ-45或DB-9等標(biāo)準(zhǔn)接口電纜連接終端設(shè)備。纜線應(yīng)選用屏蔽性能良好的線材,以保證抗干擾能力。終端設(shè)備常見的串行通信終端設(shè)備包括計算機(jī)、工控設(shè)備、單片機(jī)、PLC等,它們通過串行接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。信號匹配確保終端設(shè)備間的接口信號類型匹配,如RS-232、RS-485等,并根據(jù)實際情況選擇合適的驅(qū)動電路。串行通信的噪聲及抗干擾措施電磁干擾由于串行通信傳輸環(huán)境復(fù)雜,易受電磁輻射和靜電干擾,需采取屏蔽電纜、隔離電源等措施。信號反射線纜阻抗不匹配會導(dǎo)致信號反射,影響通信質(zhì)量,需要使用匹配電阻或差分信號傳輸。時序同步串行通信要求發(fā)送接收端時鐘同步,可通過編碼方式或使用獨立時鐘信號來實現(xiàn)。錯誤校驗通過奇偶校驗、CRC校驗等方式檢測和糾正傳輸錯誤,提高通信可靠性。光纖串行通信光纖串行通信利用光纖作為傳輸介質(zhì),采用光電轉(zhuǎn)換技術(shù),可以實現(xiàn)電氣隔離和抗電磁干擾的高速通信。光纖具有低損耗、帶寬大、抗干擾等優(yōu)點,是理想的遠(yuǎn)距離通信媒體。光纖串行通信廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場、航天航空、醫(yī)療等領(lǐng)域,為高數(shù)據(jù)傳輸速率和抗干擾能力提供了有力保障。串行總線通信協(xié)議串行總線概述串行總線通信協(xié)議是采用串行數(shù)據(jù)傳輸方式的一種標(biāo)準(zhǔn)化通信協(xié)議，如I2C、SPI、CAN等。它們通過少量線纜連接多個設(shè)備，實現(xiàn)設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信。I2C總線協(xié)議I2C總線采用主從方式工作，使用SDA和SCL兩根線纜實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸。它廣泛應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)中設(shè)備間的通信。SPI總線協(xié)議SPI總線采用主從方式工作，使用SCLK、MOSI、MISO和SS四根線纜實現(xiàn)全雙工通信。它擅長于高速、低延時的數(shù)據(jù)傳輸。CAN總線協(xié)議CAN總線采用多主方式工作，使用CAN_H和CAN_L兩根差分線纜實現(xiàn)強(qiáng)抗干擾的通信。它廣泛應(yīng)用于汽車電子和工業(yè)自動化領(lǐng)域。USB協(xié)議概述1通用串行總線(USB)是一種用于連接計算機(jī)與外圍設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)串行總線接口協(xié)議。2廣泛應(yīng)用領(lǐng)域USB廣泛應(yīng)用于連接鼠標(biāo)、鍵盤、打印機(jī)、揚(yáng)聲器等各種外圍設(shè)備。3優(yōu)良特性USB提供即插即用功能、熱插拔支持、自動識別設(shè)備等優(yōu)點。4版本演進(jìn)USB從1.0到3.2版本不斷發(fā)展,帶寬也從12Mbps增加到20Gbps。USB設(shè)備枚舉過程1連接設(shè)備當(dāng)USB設(shè)備與主機(jī)建立物理連接時,首先進(jìn)行設(shè)備枚舉,以識別設(shè)備并建立通信。2供電協(xié)商主機(jī)檢查設(shè)備電源需求,并為其分配所需的電源。這可確保設(shè)備順利供電。3地址分配主機(jī)為設(shè)備分配唯一的地址,以便在總線上識別和尋址該設(shè)備。4配置信息收集主機(jī)從設(shè)備獲取各種配置信息,如速度、功能等,以確定如何與設(shè)備通信。USB通信數(shù)據(jù)傳輸方式4種USB數(shù)據(jù)傳輸方式USB支持4種數(shù)據(jù)傳輸方式:控制傳輸、中斷傳輸、批量傳輸和等時傳輸。每種傳輸方式都有不同的特點和應(yīng)用場景?？刂苽鬏斂刂苽鬏斢糜谠O(shè)備的配置、狀態(tài)檢查和特殊命令的傳輸。傳輸數(shù)據(jù)量小,延遲要求低。中斷傳輸中斷傳輸用于小數(shù)據(jù)量的定期傳輸,如鼠標(biāo)、鍵盤等設(shè)備的狀態(tài)更新。要求低延遲和高可靠性。批量傳輸批量傳輸用于大數(shù)據(jù)量傳輸,如打印機(jī)、掃描儀等設(shè)備的數(shù)據(jù)交互。傳輸效率高,但對延遲要求較低。USB主從設(shè)備工作模式主設(shè)備模式USB主設(shè)備主動控制通信過程,負(fù)責(zé)提供時鐘信號和數(shù)據(jù)流控制。它可以發(fā)起對從設(shè)備的訪問和數(shù)據(jù)傳輸。從設(shè)備模式USB從設(shè)備被動地響應(yīng)來自主設(shè)備的請求,執(zhí)行主設(shè)備下達(dá)的命令。它接收和解析主設(shè)備發(fā)來的數(shù)據(jù)。主從設(shè)備交替模式部分USB設(shè)備可以在主從設(shè)備模式之間切換,根據(jù)通信需求動態(tài)地扮演主從角色。這種靈活性提高了通信效率。USB電源管理機(jī)制電源配置靈活性USB設(shè)備可以直接從主機(jī)供電,也可以自帶電源適配器供電,提供了靈活的電源管理選擇。動態(tài)電源調(diào)整USB協(xié)議支持動態(tài)調(diào)整供電功率,根據(jù)實時需求調(diào)整電流和電壓,提高能源利用效率。電源節(jié)能模式USB設(shè)備可進(jìn)入低功耗模式,主機(jī)也可以在空閑時關(guān)閉相關(guān)端口電源,實現(xiàn)整體系統(tǒng)節(jié)能。電源狀態(tài)監(jiān)控USB主機(jī)能實時監(jiān)控設(shè)備的電源狀態(tài),及時發(fā)現(xiàn)異常情況并作出處理。串行通信應(yīng)用案例分析串行通信廣泛應(yīng)用于各行各業(yè),涉及工業(yè)自動化、計算機(jī)設(shè)備、嵌入式系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域。常見的應(yīng)用場景包括機(jī)器設(shè)備控制、工業(yè)設(shè)備監(jiān)測、電子儀表數(shù)據(jù)采集等。這些應(yīng)用通過串行通信實現(xiàn)設(shè)備互聯(lián)、數(shù)據(jù)交換,提高了系統(tǒng)的靈活性和集成度。串行通信發(fā)展趨勢無線通信發(fā)展5G和物聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用將推動無線通信技術(shù)的發(fā)展,取代有線串行通信方式。高速率通信未來串行通信將向更高的數(shù)據(jù)傳輸速率發(fā)展,以滿足大容量數(shù)據(jù)傳輸需求。低功耗通信物聯(lián)網(wǎng)和移動設(shè)備應(yīng)用推動低功耗串行通信技術(shù)的發(fā)展,提高電池續(xù)航能力。集成化發(fā)展串行通信接口將進(jìn)一步集成到芯片或系統(tǒng)級模塊中,實現(xiàn)更小型化和智能化。課程總結(jié)與思考課堂討論與思考通過本課程的學(xué)習(xí),我們深入理解了串行通信的基本原理和常用協(xié)議,并探討了其未來發(fā)展趨勢。學(xué)生踴躍參與,提出了許多有價值的想法和問題,促進(jìn)了知識的交流與吸收。實踐應(yīng)用探討我們不僅學(xué)習(xí)了串行通信的理論知識,還討論了其在工程實踐中的應(yīng)用場景和挑戰(zhàn)。學(xué)生分享了自己的實踐經(jīng)驗,為未來的工作打下了良好的基礎(chǔ)。未來發(fā)展方向隨著通信技術(shù)的不斷進(jìn)步,串行通信也在不斷創(chuàng)新和發(fā)展。我們探討了光纖、無線等新興技術(shù)在串行通信中的應(yīng)用,展望了這一領(lǐng)域的發(fā)展趨勢和前景。問答環(huán)節(jié)在這個環(huán)節(jié)中，我