《串行通信》課件

串行通信概述串行通信是一種常見的數(shù)據(jù)傳輸方式,通過一條信號(hào)線依次傳輸每一位數(shù)據(jù)。這種簡(jiǎn)單高效的通信方式被廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。什么是串行通信數(shù)據(jù)傳輸方式串行通信是指數(shù)據(jù)傳輸過程中，一次只發(fā)送一個(gè)比特的數(shù)據(jù)信號(hào)。這種方式允許數(shù)據(jù)通過一條單獨(dú)的線路逐個(gè)比特地傳輸。應(yīng)用場(chǎng)景串行通信在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、微控制器、傳感器和其他電子設(shè)備之間廣泛應(yīng)用。它提供了一種簡(jiǎn)單、可靠和節(jié)省資源的通信方式。串行通信的特點(diǎn)連續(xù)傳輸串行通信采用一位接一位的順序傳輸數(shù)據(jù),相比并行通信,減少了線路需求。時(shí)序依賴在串行通信中,發(fā)送方與接收方的時(shí)鐘必須準(zhǔn)確同步,保證正確解析數(shù)據(jù)。單工/半雙工串行通信通常采用簡(jiǎn)單的單向或半雙工傳輸方式,降低了硬件復(fù)雜度。成本低廉由于線路需求少,串行通信相比并行通信具有更低的硬件成本。串行通信的工作流程數(shù)據(jù)獲取從傳感器或其他信源獲取待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號(hào)。數(shù)據(jù)編碼將數(shù)據(jù)信號(hào)編碼為數(shù)字比特流,以符合串行通信規(guī)范。數(shù)據(jù)傳輸通過單根信號(hào)線將編碼后的數(shù)字比特流逐個(gè)發(fā)送至接收端。數(shù)據(jù)解碼接收端將接收到的比特流解碼還原為原始數(shù)據(jù)信號(hào)。同步串行通信數(shù)據(jù)同步同步串行通信要求發(fā)送方和接收方的時(shí)鐘頻率保持一致,并通過額外的同步信號(hào)來維持時(shí)鐘同步。定義數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)采用固定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)幀傳輸,每個(gè)數(shù)據(jù)幀包含起始位、數(shù)據(jù)位和停止位等。數(shù)據(jù)處理效率由于帶有額外的同步信號(hào)和幀結(jié)構(gòu),同步串行通信的數(shù)據(jù)傳輸效率略低于異步方式。異步串行通信自同步異步通信不需要主從設(shè)備之間的同步時(shí)鐘信號(hào),而是通過數(shù)據(jù)本身攜帶的開始和停止位來確定數(shù)據(jù)幀的邊界。靈活性強(qiáng)異步通信不受傳輸速率和字長(zhǎng)的限制,可以自由選擇合適的參數(shù),適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。無需復(fù)雜硬件異步通信的硬件電路相對(duì)簡(jiǎn)單,僅需要基本的UART模塊即可,無需額外的同步電路。延遲敏感由于沒有同步機(jī)制,異步通信對(duì)時(shí)延和抖動(dòng)較為敏感,需要仔細(xì)設(shè)計(jì)硬件和軟件。同步和異步通信的區(qū)別時(shí)序同步同步通信中，發(fā)送端和接收端必須通過額外的時(shí)鐘線或編碼信號(hào)保持嚴(yán)格的時(shí)間同步，確保數(shù)據(jù)能按時(shí)正確傳輸。無需時(shí)序同步異步通信中，發(fā)送端和接收端無需共享時(shí)鐘信號(hào)，而是在數(shù)據(jù)幀內(nèi)包含起始位和停止位，讓接收端自行檢測(cè)和解析數(shù)據(jù)。通信效率不同同步通信效率較高，但需要額外的硬件支持。異步通信效率略低，但更加靈活簡(jiǎn)單。兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。串行通信接口設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)串行通信接口的硬件設(shè)計(jì)需要考慮時(shí)鐘源、接收緩存、發(fā)送緩存等關(guān)鍵部件。此外,還要注意電平轉(zhuǎn)換、防止失真的信號(hào)調(diào)理電路,以及電磁兼容性的問題。軟件設(shè)計(jì)軟件層面上,需要實(shí)現(xiàn)串口的初始化、數(shù)據(jù)的收發(fā)控制、錯(cuò)誤處理等功能。同時(shí)還需要考慮數(shù)據(jù)幀的格式、波特率的設(shè)置、以及數(shù)據(jù)流控制等問題。協(xié)議選擇根據(jù)通信需求的特點(diǎn),如數(shù)據(jù)量大小、傳輸速率要求、同步異步需求等,選擇合適的串行通信協(xié)議,如RS-232、RS-485、SPI、I2C等。系統(tǒng)集成將串行通信接口集成到整體系統(tǒng)中,需要考慮與其他模塊的配合、系統(tǒng)性能和可靠性。同時(shí)還要進(jìn)行充分的測(cè)試驗(yàn)證。常見串行通信協(xié)議RS-232協(xié)議RS-232是業(yè)界廣泛應(yīng)用的異步串行通信協(xié)議,用于短距離端到端通信,廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備連接。RS-485協(xié)議RS-485是一種多點(diǎn)總線型串行通信協(xié)議,支持多主多從拓?fù)?適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線和高噪音環(huán)境。SPI協(xié)議SPI是一種同步串行通信協(xié)議,采用主從結(jié)構(gòu),常用于微控制器與外圍設(shè)備之間的通信。I2C協(xié)議I2C是一種雙向兩線串行通信總線協(xié)議,支持多主多從拓?fù)?廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)部通信。RS-232協(xié)議RS-232是一種廣泛應(yīng)用的串行通信協(xié)議,主要用于短距離的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸。它定義了信號(hào)電壓電平、接口和線纜規(guī)格、數(shù)據(jù)格式等通信標(biāo)準(zhǔn),廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、工業(yè)控制等領(lǐng)域。RS-232通過異步串行通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,可靠性和速度較高,在簡(jiǎn)單場(chǎng)景下應(yīng)用廣泛。但由于電壓電平要求較高,傳輸距離受限,逐漸被新型協(xié)議如RS-485和UART取代。RS-232物理層規(guī)范電壓電平RS-232規(guī)定了+3到+15V表示邏輯0，-3到-15V表示邏輯1。信號(hào)波形信號(hào)采用非對(duì)稱雙極性編碼，且具有較快的電壓躍變。接口連接使用9或25芯D型連接器以串行方式將設(shè)備互連。通信線纜通常使用雙絞線纜實(shí)現(xiàn)有線傳輸，傳輸距離最長(zhǎng)可達(dá)15米。RS-232數(shù)據(jù)幀格式1數(shù)據(jù)長(zhǎng)度RS-232數(shù)據(jù)幀通常由1個(gè)起始位、5-8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)停止位和可選的奇偶校驗(yàn)位組成。2起始位和停止位起始位用于指示數(shù)據(jù)幀的開始,停止位用于指示數(shù)據(jù)幀的結(jié)束。3奇偶校驗(yàn)位奇偶校驗(yàn)位可用于檢測(cè)數(shù)據(jù)幀中的傳輸錯(cuò)誤,增加通信的可靠性。4波特率RS-232數(shù)據(jù)幀以固定的波特率傳輸,通常范圍為300-115200bps。RS-232傳輸特性波特率RS-232支持多種不同波特率，從110bps到115.2Kbps不等。用戶可根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的傳輸波特率。傳輸距離RS-232最大傳輸距離為15米。如果需要更遠(yuǎn)距離的傳輸，則需要采用信號(hào)放大器或使用其他接口如RS-485。信號(hào)極性RS-232使用正負(fù)電壓作為信號(hào)。邏輯"1"對(duì)應(yīng)-3V到-15V之間的電壓，邏輯"0"對(duì)應(yīng)+3V到+15V之間的電壓。數(shù)據(jù)幀格式RS-232數(shù)據(jù)幀由起始位、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位和停止位組成。用戶可根據(jù)實(shí)際需求配置不同的幀格式。RS-232接口電路RS-232接口電路主要包括以下幾個(gè)部分:發(fā)送端驅(qū)動(dòng)電路接收端緩沖放大電路電平轉(zhuǎn)換電路信號(hào)控制電路這些電路模塊通過特定的硬件連接和控制邏輯實(shí)現(xiàn)RS-232串行通信數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。RS-485協(xié)議RS-485是一種基于差分信號(hào)的多點(diǎn)通信協(xié)議，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、樓宇自控等領(lǐng)域。它支持多臺(tái)設(shè)備以總線拓?fù)溥B接，最多可連接32臺(tái)設(shè)備，傳輸距離可達(dá)1200米。RS-485采用雙絞線進(jìn)行半雙工通信，在噪音環(huán)境下具有良好的抗干擾能力。通信采用異步串行方式，支持全雙工和半雙工兩種通信模式。RS-485物理層規(guī)范信號(hào)線RS-485使用兩條信號(hào)線傳輸數(shù)據(jù),一條為差分信號(hào)正線(D+),另一條為差分信號(hào)負(fù)線(D-)。屏蔽為了防止外部電磁干擾,RS-485通常使用帶有屏蔽的雙絞線電纜?？偩€拓?fù)銻S-485采用多點(diǎn)總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),最多可連接32個(gè)設(shè)備,通信距離可達(dá)1200米。RS-485數(shù)據(jù)幀格式1開始位每個(gè)數(shù)據(jù)幀都以一個(gè)起始位來標(biāo)識(shí)幀的開始。2數(shù)據(jù)位數(shù)據(jù)幀通常包含7位或8位的有效數(shù)據(jù)。3校驗(yàn)位為提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?數(shù)據(jù)幀末尾會(huì)加入校驗(yàn)位。4停止位數(shù)據(jù)幀的最后一位是停止位,用于標(biāo)識(shí)一個(gè)幀的結(jié)束。RS-485傳輸特性10M最大速率最高可達(dá)10Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率1.2K最大距離最大傳輸距離可達(dá)1.2km32設(shè)備數(shù)量最多可掛接32個(gè)設(shè)備設(shè)備RS-485是一種差分信號(hào)傳輸協(xié)議,具有高抗干擾性,可靠性強(qiáng)。采用半雙工通信模式,允許多臺(tái)設(shè)備掛載在同一總線上進(jìn)行通信。RS-485具有較高的傳輸速率和距離,廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、自動(dòng)化系統(tǒng)等領(lǐng)域。RS-485接口電路RS-485接口電路利用差分傳輸技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高抗干擾的數(shù)據(jù)通信。它采用雙絞線結(jié)構(gòu),在高噪聲環(huán)境下性能出色,廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、樓宇控制等領(lǐng)域。RS-485電路主要包括收發(fā)器芯片、終端電阻等,通過合理設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí),RS-485還支持多點(diǎn)通信,可構(gòu)建高效的分布式控制系統(tǒng)。SPI協(xié)議SPI簡(jiǎn)介SPI(SerialPeripheralInterface)是一種同步串行通信協(xié)議,采用主從設(shè)備結(jié)構(gòu),通過4根線纜實(shí)現(xiàn)全雙工通信。廣泛應(yīng)用于嵌入式設(shè)備、IC集成電路等領(lǐng)域。SPI特點(diǎn)SPI通信高速可靠,無需復(fù)雜的協(xié)議,硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。但只能支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信,不能廣播,只能在主從模式下工作。SPI物理層規(guī)范同步時(shí)鐘SPI采用主從模式,主設(shè)備提供同步時(shí)鐘信號(hào),從設(shè)備根據(jù)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)線SPI使用兩根雙向數(shù)據(jù)線,一根用于主設(shè)備向從設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù),另一根用于從設(shè)備向主設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。片選信號(hào)每個(gè)從設(shè)備有一個(gè)獨(dú)立的片選信號(hào)線,主設(shè)備通過此線選擇與之通信的從設(shè)備。SPI數(shù)據(jù)幀格式FramingSPI數(shù)據(jù)幀由多個(gè)字節(jié)組成,包括起始、數(shù)據(jù)和停止位。每次傳輸都由主設(shè)備控制。時(shí)序規(guī)則SPI遵循嚴(yán)格的時(shí)序要求,如時(shí)鐘沿、數(shù)據(jù)有效邊緣等,確保各設(shè)備能正確讀寫數(shù)據(jù)。主從機(jī)制SPI通信中,主設(shè)備控制時(shí)鐘,從設(shè)備根據(jù)時(shí)鐘在合適的時(shí)間采樣數(shù)據(jù)。SPI傳輸特性SPI總線擁有靈活的時(shí)鐘極性、相位和傳輸模式等特性,可根據(jù)設(shè)備的具體需求進(jìn)行配置,以適應(yīng)不同的通信場(chǎng)景。SPI接口電路SPI（串行外設(shè)接口）是一種同步串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，采用主從結(jié)構(gòu),使用4根信號(hào)線進(jìn)行雙向通信。其接口電路包括時(shí)鐘信號(hào)線SCLK、數(shù)據(jù)輸入線MISO、數(shù)據(jù)輸出線MOSI以及片選信號(hào)CS,可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單高效的數(shù)據(jù)傳輸。SPI接口電路設(shè)計(jì)要注意時(shí)鐘頻率、傳輸時(shí)序、電平切換和總線爭(zhēng)用等問題,以確保可靠穩(wěn)定的數(shù)據(jù)交換。I2C協(xié)議I2C物理層規(guī)范I2C總線采用雙線式雙向通信,一根數(shù)據(jù)線SDA和一根時(shí)鐘線SCL,支持多主設(shè)備和多從設(shè)備并行連接。I2C數(shù)據(jù)幀格式I2C幀由起始位、從地址、讀/寫位、數(shù)據(jù)位和停止位組成,實(shí)現(xiàn)單主機(jī)對(duì)多從機(jī)的尋址通信。I2C傳輸特性I2C總線支持多主從設(shè)備并行通信,并提供時(shí)鐘同步和仲裁機(jī)制,確?？偩€使用的公平性。I2C物理層規(guī)范電氣規(guī)范I2C接口使用開集電路拓?fù)?多設(shè)備可并聯(lián)連接在總線上?？偩€上需有上拉電阻,以確保信號(hào)完整性。器件可以是標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)或強(qiáng)驅(qū)動(dòng)類型。時(shí)序規(guī)范時(shí)鐘線(SCL)由主設(shè)備產(chǎn)生,從設(shè)備同步數(shù)據(jù)線(SDA)操作。數(shù)據(jù)必須在時(shí)鐘沿變化時(shí)保持穩(wěn)定,以確保正確采樣。引腳定義SDA為雙向數(shù)據(jù)線,SCL為單向時(shí)鐘線。此外還有一些可選信號(hào),如RESE信號(hào)用于復(fù)位總線。連接規(guī)范總線上的每個(gè)設(shè)備將SDA和SCL引腳并聯(lián)連接。拓?fù)錇榇锌偩€,可支持多主設(shè)備和多從設(shè)備。I2C數(shù)據(jù)幀格式1起始信號(hào)I2C通信由主機(jī)發(fā)起,首先產(chǎn)生一個(gè)起始信號(hào)來引導(dǎo)后續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸。2從機(jī)地址主機(jī)在總線上發(fā)送7位從機(jī)地址,通知從機(jī)進(jìn)行響應(yīng)。3讀/寫位主機(jī)在從機(jī)地址后添加1位讀/寫標(biāo)志位,指定通信方向。4數(shù)據(jù)傳輸主機(jī)或從機(jī)在地址確認(rèn)后開始傳輸8位數(shù)據(jù),可能有多個(gè)字節(jié)。I2C傳輸特性傳輸模式同時(shí)雙向總線通信通信速率標(biāo)準(zhǔn)模式：100kbps，快速模式：400kbps總線容量400pF地址長(zhǎng)度7位或10位數(shù)據(jù)長(zhǎng)度每次傳輸1-255字節(jié)I2C總線具有同時(shí)雙向通信、多主從控制、靈活的地址空間和高度的兼容性的特點(diǎn)。它能支持從低速到高速的多種通信速率,滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。I2C接口電路集成電路接口I2C總線采用開漏輸出和上拉電阻的方式來實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸,具有簡(jiǎn)單可靠的特點(diǎn)。主從設(shè)備