《串行通信及其接口》課件

串行通信及其接口課程目標(biāo)理解串行通信的基本概念和工作原理。掌握常見的串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)及其應(yīng)用。能夠使用串行通信接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和設(shè)備控制。什么是串行通信串行通信是一種數(shù)據(jù)傳輸方式，數(shù)據(jù)一位一位地依次傳輸，數(shù)據(jù)在一條線上按順序進(jìn)行傳輸，一次只傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)位。與并行通信相比，串行通信使用更少的線路，成本更低，但傳輸速度更慢。串行通信在數(shù)據(jù)傳輸距離較遠(yuǎn)或傳輸速率要求不高的情況下應(yīng)用廣泛。串行通信原理1數(shù)據(jù)位包含實(shí)際要傳輸?shù)男畔ⅰ?起始位用于通知接收器數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始。3停止位用于通知接收器數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)束。4校驗(yàn)位用于檢測數(shù)據(jù)傳輸過程中的錯(cuò)誤。同步串行通信時(shí)鐘信號(hào)同步串行通信使用一個(gè)公共時(shí)鐘信號(hào)，由發(fā)送方和接收方共享。此時(shí)鐘信號(hào)控制數(shù)據(jù)的傳輸和接收。數(shù)據(jù)同步發(fā)送方和接收方通過同步時(shí)鐘信號(hào)保持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)耐剑_保數(shù)據(jù)在正確的時(shí)間被發(fā)送和接收。異步串行通信獨(dú)立時(shí)鐘發(fā)送方和接收方使用各自的時(shí)鐘，無需同步。起始位和停止位每個(gè)數(shù)據(jù)幀包含起始位和停止位，用于幀同步。校驗(yàn)位可選校驗(yàn)位用于檢測數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤。差分串行通信抗干擾能力強(qiáng)差分信號(hào)在傳輸過程中，由于兩條線路上的信號(hào)相位相反，因此共模噪聲會(huì)被抵消，從而提高抗干擾能力。傳輸距離遠(yuǎn)差分信號(hào)可以傳輸更遠(yuǎn)的距離，因?yàn)樗鼈儗υ肼暤拿舾卸雀?。?shù)據(jù)傳輸速率高差分信號(hào)的上升和下降時(shí)間更快，因此可以實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)RS-232早期應(yīng)用于計(jì)算機(jī)與外設(shè)的串行通信RS-485工業(yè)領(lǐng)域常用，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)通信USB通用串行總線，適用于各種設(shè)備CAN總線汽車電子領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間通信RS-232通信接口RS-232是EIA（電子工業(yè)聯(lián)盟）制定的串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)，它是一種常用的異步串行通信接口，常用于計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的通信，例如鼠標(biāo)、鍵盤、打印機(jī)等。RS-232接口引腳定義2數(shù)據(jù)引腳TD(TransmitData):發(fā)送數(shù)據(jù)RD(ReceiveData):接收數(shù)據(jù)3控制引腳RTS(RequesttoSend):請求發(fā)送CTS(CleartoSend):清除發(fā)送4接地引腳GND(Ground):接地RS-232接口電氣特性信號(hào)類型電壓范圍邏輯電平數(shù)據(jù)信號(hào)-15Vto-3V邏輯“1”數(shù)據(jù)信號(hào)+3Vto+15V邏輯“0”RS-232通信線纜9針連接器最常見的RS-232連接器，通常用于臺(tái)式機(jī)和筆記本電腦。25針連接器較老的連接器，通常用于工業(yè)設(shè)備和服務(wù)器。數(shù)據(jù)線纜RS-232線纜用于連接設(shè)備，通常采用屏蔽線以減少干擾。RS-232通信協(xié)議1異步串行通信協(xié)議基于異步通信方式，使用起始位、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位和停止位來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。2數(shù)據(jù)格式靈活支持多種數(shù)據(jù)位長度、校驗(yàn)位類型和停止位數(shù)量，以滿足不同的應(yīng)用需求。3簡單易用相對其他協(xié)議，RS-232協(xié)議較為簡單，易于實(shí)現(xiàn)和使用。RS-422和RS-485通信接口RS-422和RS-485是兩種常用的串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)，它們在工業(yè)控制、儀器儀表等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。RS-422和RS-485通信接口相比RS-232接口具有更高的傳輸速率、更長的傳輸距離和更強(qiáng)的抗干擾能力。RS-422和RS-485電氣特性RS-422采用差分信號(hào)傳輸,抗干擾能力強(qiáng)最大傳輸距離可達(dá)1.2km支持多點(diǎn)通信,可連接多臺(tái)設(shè)備RS-485采用差分信號(hào)傳輸,抗干擾能力強(qiáng)最大傳輸距離可達(dá)1.2km支持多點(diǎn)通信,可連接多臺(tái)設(shè)備RS-422和RS-485通信線纜RS-422和RS-485通信線纜采用屏蔽雙絞線，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。RS-422線纜通常采用兩根屏蔽雙絞線，用于傳輸差分信號(hào)，而RS-485線纜通常采用四根屏蔽雙絞線，用于傳輸差分信號(hào)和地線。RS-422線纜主要用于點(diǎn)對點(diǎn)通信，而RS-485線纜可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)通信，即多個(gè)設(shè)備可以共用一條通信線纜。RS-422和RS-485線纜的傳輸距離可達(dá)1.2公里。USB通信接口普及型接口USB接口幾乎成為所有現(xiàn)代設(shè)備的標(biāo)配，便于連接各種外設(shè)。高速傳輸U(kuò)SB接口支持多種傳輸速度，從低速到高速，甚至超高速，滿足不同應(yīng)用需求。靈活擴(kuò)展USB接口可以輕松擴(kuò)展，通過集線器和擴(kuò)展卡連接更多設(shè)備。USB接口拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)1總線型所有設(shè)備連接到一條總線上，通過總線進(jìn)行通信。2星型所有設(shè)備都連接到一個(gè)中心集線器，通過集線器進(jìn)行通信。3樹型多個(gè)集線器級(jí)聯(lián)，形成樹狀結(jié)構(gòu)，提高了連接設(shè)備的數(shù)量。USB通信協(xié)議通用串行總線協(xié)議USB協(xié)議是一種開放式標(biāo)準(zhǔn)，用于在計(jì)算機(jī)和其他電子設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)。層次化結(jié)構(gòu)USB協(xié)議采用層次化結(jié)構(gòu)，包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、傳輸層和應(yīng)用層。靈活性和可擴(kuò)展性USB協(xié)議支持多種設(shè)備類型，并可擴(kuò)展以適應(yīng)未來的技術(shù)發(fā)展。CAN總線通信接口控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)是一種廣泛應(yīng)用于汽車、工業(yè)自動(dòng)化和醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域的串行通信協(xié)議。它是一種高效、可靠、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的通信協(xié)議，被廣泛應(yīng)用于各種應(yīng)用場景。CAN總線物理層2數(shù)據(jù)線CAN總線使用兩根數(shù)據(jù)線進(jìn)行差分信號(hào)傳輸，提高抗干擾能力。1電源線為CAN總線提供電源，確保正常工作。1地線提供電流回流路徑，保證電氣安全。CAN總線數(shù)據(jù)鏈路層幀格式CAN數(shù)據(jù)幀包含起始符、仲裁域、控制域、數(shù)據(jù)域、CRC校驗(yàn)、ACK應(yīng)答、幀結(jié)束符等字段。仲裁機(jī)制CAN總線采用優(yōu)先級(jí)仲裁機(jī)制，優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可以搶占總線控制權(quán)，保證重要信息優(yōu)先傳輸。CAN總線通信協(xié)議報(bào)文格式CAN報(bào)文由幀頭、仲裁域、數(shù)據(jù)域和幀尾組成，用于數(shù)據(jù)傳輸和節(jié)點(diǎn)間通信。錯(cuò)誤處理協(xié)議包含錯(cuò)誤檢測機(jī)制，識(shí)別并處理傳輸過程中的錯(cuò)誤，確保數(shù)據(jù)完整性和可靠性。同步機(jī)制CAN總線采用同步通信機(jī)制，確保所有節(jié)點(diǎn)共享同一時(shí)鐘信號(hào)，協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)傳輸。I2C總線通信接口I2C（Inter-IntegratedCircuit）總線是一種雙線式同步串行通信協(xié)議，常用于微控制器和外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。它具有簡單、易于實(shí)現(xiàn)、成本低廉的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中。I2C總線物理層信號(hào)線描述SDA串行數(shù)據(jù)線，雙向SCL串行時(shí)鐘線，雙向I2C總線通信協(xié)議起始條件發(fā)送器拉低SDA線，然后拉低SCL線，表示開始傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)以字節(jié)為單位傳輸，每個(gè)字節(jié)由8位數(shù)據(jù)位組成，從MSB到LSB。應(yīng)答信號(hào)接收器在接收到一個(gè)字節(jié)后，會(huì)拉低SDA線，以應(yīng)答發(fā)送器。停止條件發(fā)送器拉高SDA線，然后拉高SCL線，表示結(jié)束傳輸數(shù)據(jù)。SPI總線通信接口靈活的控制SPI接口支持多種數(shù)據(jù)傳輸模式，包括全雙工和半雙工，以及各種時(shí)鐘極性和相位配置，為開發(fā)者提供高度靈活的控制選項(xiàng)。廣泛的應(yīng)用SPI接口廣泛應(yīng)用于各種應(yīng)用場景，包括微控制器與外設(shè)之間的通信，以及不同外設(shè)之間的互聯(lián)，例如傳感器、存儲(chǔ)器和顯示器。SPI總線物理層4線SPI總線使用四根信號(hào)線：時(shí)鐘（SCK）、數(shù)據(jù)輸入（MOSI）、數(shù)據(jù)輸出（MISO）和選擇信號(hào)（SS）。1主設(shè)備SPI總線通常有一個(gè)主設(shè)備和一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備。1從設(shè)備主設(shè)備控制總線的時(shí)鐘頻率和數(shù)據(jù)傳輸方向。1選擇信號(hào)選擇信號(hào)用于選擇與主設(shè)備進(jìn)行通信的特定從設(shè)備。SPI總線通信協(xié)議時(shí)鐘同步主設(shè)備通過時(shí)鐘信號(hào)控制