【大學(xué)課件】單片機(jī)的串行通信技術(shù)

單片機(jī)的串行通信技術(shù)單片機(jī)串行通信技術(shù)是一種高效的數(shù)據(jù)傳輸方式，廣泛應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)。它使用一根數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，相比并行通信，串行通信節(jié)省了引腳數(shù)量，降低了硬件成本。什么是串行通信1數(shù)據(jù)傳輸方式單片機(jī)將數(shù)據(jù)按位順序依次傳輸，通過一根或兩根線進(jìn)行通信。2數(shù)據(jù)傳輸方向可以是單向或雙向，根據(jù)應(yīng)用場景選擇合適的通信方式。3通信媒介可以使用電線、光纖或無線電波等媒介進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。4應(yīng)用廣泛廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備，包括傳感器、顯示器、存儲器等。串行通信的特點線路簡單只需要兩根線就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，相比并行通信，線路更簡潔，成本更低。傳輸距離遠(yuǎn)串行通信可以采用差分信號傳輸，抗干擾能力強(qiáng)，適用于遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。傳輸速度快串行通信可以采用高速傳輸技術(shù)，適用于高速數(shù)據(jù)傳輸場景，例如高速數(shù)據(jù)采集和控制。數(shù)據(jù)傳輸效率高串行通信一次只傳輸一位數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)傳輸效率并不低，因為只需要一根數(shù)據(jù)線，減少了線路損耗。串行通信的分類同步串行通信發(fā)送方和接收方使用同一個時鐘信號，保持同步。異步串行通信發(fā)送方和接收方使用各自的時鐘信號，通過起始位和停止位進(jìn)行同步。同步串行通信同步時鐘同步串行通信使用一個單獨的時鐘信號來同步發(fā)送方和接收方。數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)在時鐘信號的控制下進(jìn)行傳輸，確保數(shù)據(jù)在正確的時間點被讀取。由于數(shù)據(jù)在時鐘信號的控制下進(jìn)行傳輸，因此無需使用起始位和停止位來同步發(fā)送方和接收方。異步串行通信數(shù)據(jù)傳輸無需時鐘信號同步發(fā)送方和接收方無需使用相同的時鐘信號，各自分別控制數(shù)據(jù)傳輸速率。每個字節(jié)獨立傳輸每個數(shù)據(jù)字節(jié)的傳輸都是獨立的，無需考慮其他字節(jié)的傳輸狀態(tài)。接收機(jī)與發(fā)送機(jī)的同步問題時鐘信號接收機(jī)和發(fā)送機(jī)需要使用相同的時鐘信號來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐叫?。同步方式同步串行通信通過同步時鐘信號來保證接收機(jī)和發(fā)送機(jī)保持一致，而異步串行通信則依靠起始位和停止位來實現(xiàn)同步。同步重要性同步問題是串行通信中一個重要的問題，它直接影響著數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和可靠性。起始位、數(shù)據(jù)位與停止位起始位起始位是一個邏輯低電平信號，它表示數(shù)據(jù)幀的開始，接收方收到起始位后，開始接收數(shù)據(jù)位。數(shù)據(jù)位數(shù)據(jù)位是實際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，包含要發(fā)送的信息，數(shù)據(jù)位數(shù)根據(jù)具體的通信協(xié)議而有所不同。停止位停止位是結(jié)束數(shù)據(jù)幀的信號，通常為邏輯高電平，表示數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束，接收方收到停止位后，停止接收數(shù)據(jù)。波特率的概念波特率是指每秒傳輸?shù)谋忍財?shù)單位波特率（bps）影響因素通信速率和傳輸效率波特率越高，傳輸速度越快，但是數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃钥赡芙档汀＿x擇合適的波特率需要權(quán)衡通信速度和可靠性之間的平衡。常見的串行通信協(xié)議UART通用異步接收/發(fā)送器，應(yīng)用廣泛。SPI同步串行外設(shè)接口，數(shù)據(jù)傳輸速度快。I2C雙線串行總線，適用于通信距離短、數(shù)據(jù)量小的場合。CAN控制器局域網(wǎng)絡(luò)，用于工業(yè)自動化領(lǐng)域。UART協(xié)議11.通用異步接收/發(fā)送器UART是通用異步接收/發(fā)送器的縮寫，是一種常用的串行通信協(xié)議。22.異步數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸不需要同步時鐘，發(fā)送方和接收方可以以不同的速度運行。33.簡單易用UART協(xié)議結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，并且廣泛應(yīng)用于各種微控制器。44.應(yīng)用廣泛UART協(xié)議被廣泛應(yīng)用于各種應(yīng)用場景，如人機(jī)交互、數(shù)據(jù)采集等。UART通信原理1數(shù)據(jù)封裝將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)流2串行傳輸通過單根數(shù)據(jù)線傳輸數(shù)據(jù)3數(shù)據(jù)接收接收串行數(shù)據(jù)流并還原數(shù)據(jù)4數(shù)據(jù)解析解析數(shù)據(jù)幀，提取有效數(shù)據(jù)UART通信通過將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)流，再通過單根數(shù)據(jù)線傳輸數(shù)據(jù)，接收端再還原數(shù)據(jù)，最終解析數(shù)據(jù)幀提取有效數(shù)據(jù)。UART通信幀格式起始位每個UART幀以一個邏輯低電平的起始位開始，用于標(biāo)識數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始。數(shù)據(jù)位緊隨起始位的是數(shù)據(jù)位，通常為5、6、7或8位，表示要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息。奇偶校驗位可選的奇偶校驗位用于檢測數(shù)據(jù)傳輸過程中的錯誤，確保數(shù)據(jù)完整性。停止位幀的最后以一個或多個邏輯高電平的停止位結(jié)束，表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)束。UART通信編程實例1配置串口設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗、停止位等參數(shù)。2發(fā)送數(shù)據(jù)使用UART發(fā)送函數(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到串口。3接收數(shù)據(jù)使用UART接收函數(shù)從串口讀取數(shù)據(jù)。4處理數(shù)據(jù)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)執(zhí)行相應(yīng)的操作。UART通信編程實例通常涉及配置串口參數(shù)、發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)等操作。在實際應(yīng)用中，還需要考慮數(shù)據(jù)處理、錯誤處理等問題，以確保通信的可靠性和穩(wěn)定性。SPI協(xié)議定義SPI(SerialPeripheralInterface)是一種同步串行通信協(xié)議，用于微處理器和外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。特點SPI協(xié)議使用四線通信，分別為時鐘信號(SCK)、數(shù)據(jù)輸入(MISO)、數(shù)據(jù)輸出(MOSI)和片選信號(CS)。SPI通信原理1串行外設(shè)接口SPI(SerialPeripheralInterface)是同步串行通信接口，廣泛應(yīng)用于單片機(jī)與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸。2數(shù)據(jù)傳輸SPI通信采用主從模式，主設(shè)備控制時鐘和數(shù)據(jù)傳輸方向，從設(shè)備被動接收指令并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。3通信協(xié)議SPI使用四條信號線進(jìn)行通信，包括時鐘信號(SCK)、數(shù)據(jù)輸入信號(MOSI)、數(shù)據(jù)輸出信號(MISO)和片選信號(CS)。SPI通信特點與應(yīng)用高速數(shù)據(jù)傳輸SPI協(xié)議支持高達(dá)數(shù)十兆赫茲的傳輸速度，適用于高性能應(yīng)用場景。簡單易用SPI協(xié)議擁有簡潔的通信協(xié)議和簡單的硬件接口，易于實現(xiàn)和使用。廣泛應(yīng)用SPI廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中，例如傳感器、存儲設(shè)備、顯示器、音頻設(shè)備等。SPI通信編程實例1示例一：數(shù)據(jù)傳輸使用SPI協(xié)議，將單片機(jī)上的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵獠吭O(shè)備，例如傳感器或存儲器。2示例二：控制外設(shè)通過SPI協(xié)議控制外部設(shè)備，例如LCD顯示屏、EEPROM或DAC轉(zhuǎn)換器。3示例三：多機(jī)通信在多個單片機(jī)之間建立SPI通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換或協(xié)同工作。I2C協(xié)議雙線通信I2C協(xié)議僅使用兩根數(shù)據(jù)線：SDA和SCL，用于數(shù)據(jù)傳輸和時鐘同步。多主機(jī)多個主機(jī)設(shè)備可以連接到同一個I2C總線，實現(xiàn)多個設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。多從機(jī)一個I2C總線上可以連接多個從機(jī)設(shè)備，每個從機(jī)都有唯一的地址，用于識別。低速I2C協(xié)議的傳輸速率通常較低，適用于對傳輸速度要求不高的場合。I2C通信原理雙線制通信I2C總線僅使用兩根線，一根數(shù)據(jù)線（SDA）和一根時鐘線（SCL）。主從模式I2C總線上存在一個主設(shè)備和一個或多個從設(shè)備。主設(shè)備發(fā)起通信主設(shè)備通過發(fā)送起始信號，選擇從設(shè)備，并進(jìn)行讀寫操作。同步時鐘信號主設(shè)備控制時鐘線，所有設(shè)備同步數(shù)據(jù)傳輸。地址碼識別每個從設(shè)備都有一個唯一的地址碼，用于主設(shè)備識別和訪問。I2C通信幀格式起始條件SCL為高電平，SDA為低電平，表示開始傳輸數(shù)據(jù)。地址字節(jié)發(fā)送器發(fā)送一個7位的地址字節(jié)，其中最高位表示讀寫方向。SDA在每個時鐘脈沖的下降沿發(fā)生數(shù)據(jù)變化。讀/寫字節(jié)發(fā)送器發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)，接收器接收數(shù)據(jù)字節(jié)，SDA在每個時鐘脈沖的下降沿發(fā)生數(shù)據(jù)變化。應(yīng)答位接收器在每個數(shù)據(jù)字節(jié)傳輸后發(fā)送一個應(yīng)答位，表示數(shù)據(jù)接收成功。SDA在每個時鐘脈沖的下降沿發(fā)生數(shù)據(jù)變化。I2C通信編程實例1初始化配置I2C模塊，設(shè)置I2C地址和通信速度2發(fā)送數(shù)據(jù)使用I2C協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)到目標(biāo)設(shè)備3接收數(shù)據(jù)從目標(biāo)設(shè)備接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理4結(jié)束完成通信，釋放I2C資源可以使用C語言或匯編語言編寫I2C通信程序，需要根據(jù)具體的單片機(jī)型號和I2C器件進(jìn)行調(diào)整。其他串行通信協(xié)議RS-232RS-232是一種常用的串行通信協(xié)議，廣泛應(yīng)用于計算機(jī)和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸。RS-485RS-485是一種平衡式的串行通信協(xié)議，具有抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)的特點。LIN總線LIN總線是一種低成本、低速的串行通信協(xié)議，主要用于汽車電子控制系統(tǒng)。CAN總線協(xié)議汽車電子應(yīng)用CAN總線廣泛應(yīng)用于汽車電子系統(tǒng)中，例如發(fā)動機(jī)控制、安全氣囊、防抱死系統(tǒng)等，確保了車輛的穩(wěn)定性和安全性。工業(yè)自動化在工業(yè)自動化領(lǐng)域，CAN總線用于控制電機(jī)、傳感器、執(zhí)行器等，提高生產(chǎn)效率和自動化程度。醫(yī)療設(shè)備CAN總線應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備，例如醫(yī)療儀器、手術(shù)機(jī)器人等，提高了醫(yī)療設(shè)備的可靠性和安全性。1-Wire總線協(xié)議單線通信1-Wire協(xié)議是一種串行通信協(xié)議，只需要一條數(shù)據(jù)線即可實現(xiàn)雙向通信。簡單易用該協(xié)議不需要額外的地址線或控制線，簡化了硬件設(shè)計，易于實現(xiàn)。應(yīng)用廣泛1-Wire協(xié)議被廣泛應(yīng)用于溫度傳感器、壓力傳感器、EEPROM等各種應(yīng)用中。并行通信與串行通信的比較并行通信并行通信使用多條數(shù)據(jù)線同時傳輸數(shù)據(jù)，速度快，但成本高，線纜復(fù)雜。串行通信串行通信使用一條數(shù)據(jù)線逐位傳輸數(shù)據(jù)，速度慢，但成本低，線纜簡單。應(yīng)用場景并行通信常用于高速數(shù)據(jù)傳輸，如內(nèi)存與CPU之間的通信；串行通信常用于低速數(shù)據(jù)傳輸，如單片機(jī)與外設(shè)之間的通信。串行通信在單