《串行接口》課件

串行接口課程目標理解串行接口的概念掌握串行接口的基本定義、特點和分類。掌握串行接口的工作原理深入理解串行接口的數(shù)據(jù)傳輸機制、通信方式和協(xié)議。了解常見的串行接口協(xié)議學習RS-232、RS-485、CAN、I2C和SPI等常用接口協(xié)議。串行接口的特點數(shù)據(jù)傳輸方式串行接口一次只傳輸一位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)位按順序逐個發(fā)送。線路簡單串行接口只需要一根數(shù)據(jù)線和一根地線，簡化了連接和布線。傳輸距離遠串行接口可以采用差分信號傳輸，減小信號衰減，提高抗干擾能力，適合長距離傳輸。成本低廉串行接口的硬件實現(xiàn)相對簡單，成本較低。串行接口的分類同步串行接口同步串行接口使用一個公共時鐘信號來同步發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。這使得數(shù)據(jù)傳輸更加可靠，但同時也增加了硬件的復雜性。異步串行接口異步串行接口沒有使用公共時鐘信號。發(fā)送方和接收方各自使用自己的時鐘信號來控制數(shù)據(jù)傳輸。這使得硬件更加簡單，但也增加了數(shù)據(jù)傳輸?shù)腻e誤率。串行接口的基本工作原理1數(shù)據(jù)發(fā)送發(fā)送端將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行信號，通過傳輸線發(fā)送至接收端。2數(shù)據(jù)傳輸串行信號以比特流的形式在傳輸線上進行傳輸。3數(shù)據(jù)接收接收端接收串行信號，并將其轉(zhuǎn)換為原始數(shù)據(jù)。異步通信vs同步通信1同步通信發(fā)送方和接收方使用相同的時鐘信號進行同步，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性。2異步通信發(fā)送方和接收方使用各自獨立的時鐘信號，通過起始位和停止位來識別數(shù)據(jù)幀。串行接口通信方式同步通信發(fā)送方和接收方使用同一個時鐘信號進行同步，數(shù)據(jù)傳輸效率高。異步通信發(fā)送方和接收方使用各自的時鐘信號，數(shù)據(jù)傳輸效率相對較低，但實現(xiàn)更簡單。串行接口數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)串行接口數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)主要包含起始位、數(shù)據(jù)位、校驗位和停止位等。起始位用于標識數(shù)據(jù)幀的開始，停止位用于標識數(shù)據(jù)幀的結(jié)束。數(shù)據(jù)位包含傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，校驗位用于檢測數(shù)據(jù)傳輸過程中的錯誤。數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)根據(jù)不同的協(xié)議而有所不同，例如RS-232、CAN、I2C等協(xié)議都具有不同的數(shù)據(jù)幀格式。數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)決定了數(shù)據(jù)在串行接口中的傳輸方式，并保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院涂煽啃?。串行接口握手機制確認確保雙方已準備好進行數(shù)據(jù)傳輸同步協(xié)調(diào)發(fā)送方和接收方的時鐘信號控制管理數(shù)據(jù)傳輸過程，包括數(shù)據(jù)流向和錯誤處理常見串行接口協(xié)議RS-232用于短距離通信，主要用于計算機與外設(shè)之間的通信。RS-422用于長距離通信，支持多點通信，主要用于工業(yè)控制領(lǐng)域。RS-485用于長距離通信，支持多點通信，主要用于工業(yè)控制領(lǐng)域。CAN總線用于汽車、工業(yè)自動化等領(lǐng)域，支持多點通信，具有較高的可靠性。RS-232接口標準RS-232是電子工業(yè)聯(lián)盟（EIA）制定的串行通信接口標準，廣泛用于計算機、外設(shè)和儀器儀表等設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。RS-232接口采用DB-9或DB-25針連接器，用于連接不同的設(shè)備，例如計算機與調(diào)制解調(diào)器、打印機、鼠標等。RS-232接口使用異步串行通信方式，傳輸數(shù)據(jù)采用單向或雙向傳輸方式，數(shù)據(jù)以異步的方式發(fā)送和接收。RS-232物理層RS-232標準定義了數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢韺?，包括連接器、信號電壓、傳輸速率等。它是一種串行通信標準，使用平衡傳輸方式，信號通過兩根線來傳輸，一根用于發(fā)送，另一根用于接收。RS-232標準規(guī)定了信號電壓范圍，發(fā)送數(shù)據(jù)使用負電壓，接收數(shù)據(jù)使用正電壓，并且定義了數(shù)據(jù)傳輸速率，通常在110bps到115.2kbps之間。RS-232信號定義1數(shù)據(jù)信號(D)傳輸實際數(shù)據(jù)，分為發(fā)送數(shù)據(jù)(TxD)和接收數(shù)據(jù)(RxD)兩種。2控制信號(C)控制數(shù)據(jù)傳輸，包括請求發(fā)送(RTS)，清除發(fā)送(CTS)，數(shù)據(jù)載波檢測(DCD)，數(shù)據(jù)終端就緒(DSR)等。3地信號(GND)作為信號參考點，保證信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。RS-232引腳定義數(shù)據(jù)信號TD(TransmitData):傳輸數(shù)據(jù)RD(ReceiveData):接收數(shù)據(jù)控制信號RTS(RequesttoSend):請求發(fā)送CTS(CleartoSend):允許發(fā)送DTR(DataTerminalReady):數(shù)據(jù)終端準備就緒DSR(DataSetReady):數(shù)據(jù)設(shè)備準備就緒接地信號GND(Ground):接地RS-232通信過程數(shù)據(jù)發(fā)送發(fā)送設(shè)備將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行信號，并通過RS-232接口發(fā)送到接收設(shè)備。信號傳輸串行信號通過電纜傳輸?shù)浇邮赵O(shè)備。數(shù)據(jù)接收接收設(shè)備接收串行信號，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可讀的格式。RS-422和RS-485接口RS-422接口RS-422接口是一種平衡傳輸接口，能夠?qū)崿F(xiàn)更長的傳輸距離。RS-485接口RS-485接口是一種多點傳輸接口，支持多個設(shè)備共享同一總線。RS-422與RS-485的對比特性RS-422RS-485傳輸距離最長1200米最長4000米數(shù)據(jù)傳輸率最高10Mbps最高10Mbps驅(qū)動器數(shù)量單端驅(qū)動差分驅(qū)動接收器數(shù)量單端接收差分接收抗干擾性較強更強應(yīng)用場景工業(yè)控制，數(shù)據(jù)采集長距離通信，網(wǎng)絡(luò)控制CAN總線標準控制器局域網(wǎng)絡(luò)，簡稱CAN一種串行通信協(xié)議，用于實時控制應(yīng)用高速數(shù)據(jù)傳輸，最高速率可達1MbpsCAN總線物理層CAN總線物理層定義了信號傳輸?shù)慕橘|(zhì)和信號電平。它采用差分信號傳輸方式，即通過兩根線之間的電壓差來表示信號。CAN總線物理層主要包含以下幾個方面：物理介質(zhì)：雙絞線信號電平：差分信號傳輸速率：最高可達1Mbps傳輸距離：標準CAN總線最大傳輸距離為40米，高速CAN總線最大傳輸距離為100米CAN數(shù)據(jù)幀格式CAN數(shù)據(jù)幀分為標準幀和擴展幀，它們具有不同的格式。標準幀最多可支持11位標識符，而擴展幀最多可支持29位標識符。CAN數(shù)據(jù)幀包含以下字段：起始符（SOF）：標識幀的開始。標識符（Identifier）：用于識別消息類型。數(shù)據(jù)長度碼（DLC）：指示數(shù)據(jù)字段中的字節(jié)數(shù)。數(shù)據(jù)字段（Data）：實際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。CRC校驗（CRC）：用于檢測數(shù)據(jù)傳輸錯誤。ACK應(yīng)答（ACK）：由接收節(jié)點發(fā)送，表示數(shù)據(jù)已正確接收。幀結(jié)束符（EOF）：標識幀的結(jié)束。CAN總線仲裁機制優(yōu)先級分配CAN總線使用了一種基于數(shù)據(jù)幀ID的優(yōu)先級分配機制，ID越小，優(yōu)先級越高。仲裁過程多個節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)幀時，會進行仲裁，優(yōu)先級高的節(jié)點可以優(yōu)先發(fā)送數(shù)據(jù)。位域比較仲裁過程通過逐位比較數(shù)據(jù)幀ID來確定優(yōu)先級，從最高位開始比較，直到出現(xiàn)差異。CAN總線應(yīng)用領(lǐng)域1汽車行業(yè)CAN總線廣泛應(yīng)用于汽車電子控制系統(tǒng)，例如發(fā)動機控制、變速箱控制、ABS系統(tǒng)等。2工業(yè)自動化CAN總線用于工業(yè)設(shè)備控制、數(shù)據(jù)采集、過程控制等，例如機器人控制、PLC系統(tǒng)等。3航空航天CAN總線應(yīng)用于飛機、衛(wèi)星等航空航天設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)傳輸，例如飛行控制系統(tǒng)、姿態(tài)控制系統(tǒng)等。4醫(yī)療設(shè)備CAN總線用于醫(yī)療設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)傳輸，例如醫(yī)療儀器、診斷設(shè)備等。I2C總線標準雙線制I2C總線使用兩條信號線：SDA（串行數(shù)據(jù)）和SCL（串行時鐘）。低速I2C總線是一種低速通信協(xié)議，通常用于短距離通信。主從式I2C總線采用主從式通信模式，一個設(shè)備為主設(shè)備，其他設(shè)備為從設(shè)備。多路復用I2C總線支持多個從設(shè)備，每個設(shè)備都有唯一的地址。I2C物理層定義I2C總線采用雙線制，分別為串行數(shù)據(jù)線SDA和串行時鐘線SCL。SDA用于數(shù)據(jù)傳輸，SCL用于同步時鐘信號，并提供數(shù)據(jù)傳輸控制。I2C總線支持多達1024個從設(shè)備，每個從設(shè)備都有唯一的地址。I2C通信模式開始條件SCL信號高電平，SDA信號由高電平向低電平下降，表示開始傳輸數(shù)據(jù)。停止條件SCL信號高電平，SDA信號由低電平向高電平上升，表示停止數(shù)據(jù)傳輸。重復開始條件在停止條件后，可以立即發(fā)送開始條件，繼續(xù)進行數(shù)據(jù)傳輸，用于同一地址的多個數(shù)據(jù)傳輸。I2C從設(shè)備尋址7位地址每個I2C從設(shè)備都有一個唯一的7位地址，用于識別。地址范圍地址范圍從0x00到0x7F，共128個地址。地址分配地址分配由設(shè)備制造商決定，通常在產(chǎn)品手冊中指定。SPI總線標準同步串行通信SPI使用同步串行通信協(xié)議，主設(shè)備控制時鐘信號，確保數(shù)據(jù)同步傳輸。全雙工通信主設(shè)備可以同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，實現(xiàn)全雙工通信。廣泛應(yīng)用SPI廣泛應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)中，例如傳感器、存儲器和顯示器。SPI物理層定義SPI總線采用同步串行通信方式，使用4根信號線進行數(shù)據(jù)傳輸。這4根信號線分別是：SCK（時鐘信號）MOSI（主設(shè)備輸出，從設(shè)備輸入）MISO（主設(shè)備輸入，從設(shè)備輸出）CS（片選信號）SPI總線支持全雙工通信，即主設(shè)備和從設(shè)備可以同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。SPI通信流程1起始信號主設(shè)備發(fā)送時鐘信號2數(shù)據(jù)傳輸主設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，從設(shè)備接收數(shù)據(jù)3結(jié)束信號主設(shè)備停止時鐘信號SPI主從設(shè)備通信1主設(shè)備SPI主設(shè)備發(fā)起通信，控制數(shù)據(jù)傳輸和時鐘信號。2從設(shè)備SPI從設(shè)備響應(yīng)主設(shè)備的請求