【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(chǔ)器等。串行通信的特點(diǎn)線路簡單只需要兩根線就可以實(shí)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(hào)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?yàn)橹恍枰桓鶖?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(gè)時(shí)鐘信號(hào)，保持同步。異步串行通信發(fā)送方和接收方使用各自的時(shí)鐘信號(hào)，通過起始位和停止位進(jìn)行同步。同步串行通信同步時(shí)鐘同步串行通信使用一個(gè)單獨(dú)的時(shí)鐘信號(hào)來同步發(fā)送方和接收方。數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)在時(shí)鐘信號(hào)的控制下進(jìn)行傳輸，確保數(shù)據(jù)在正確的時(shí)間點(diǎn)被讀取。由于數(shù)據(jù)在時(shí)鐘信號(hào)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(shí)鐘信號(hào)同步發(fā)送方和接收方無需使用相同的時(shí)鐘信號(hào)，各自分別控制數(shù)據(jù)傳輸速率。每個(gè)字節(jié)獨(dú)立傳輸每個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的傳輸都是獨(dú)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(shí)鐘信號(hào)接收機(jī)和發(fā)送機(jī)需要使用相同的時(shí)鐘信號(hào)來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐叫浴Ｍ椒绞酵酱型ㄐ磐ㄟ^同步時(shí)鐘信號(hào)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(shí)現(xiàn)同步。同步重要性同步問題是串行通信中一個(gè)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(gè)邏輯低電平信號(hào)，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(shí)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(hào)，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(cái)?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?。選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(dòng)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(shí)鐘，發(fā)送方和接收方可以以不同的速度運(yùn)行。33.簡單易用UART協(xié)議結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)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(gè)UART幀以一個(gè)邏輯低電平的起始位開始，用于標(biāo)識(shí)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(yàn)位可選的奇偶校驗(yàn)位用于檢測數(shù)據(jù)傳輸過程中的錯(cuò)誤，確保數(shù)據(jù)完整性。停止位幀的最后以一個(gè)或多個(gè)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(shí)例1配置串口設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)、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(shí)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(shí)際應(yīng)用中，還需要考慮數(shù)據(jù)處理、錯(cuò)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(diǎn)SPI協(xié)議使用四線通信，分別為時(shí)鐘信號(hào)(SCK)、數(shù)據(jù)輸入(MISO)、數(shù)據(jù)輸出(MOSI)和片選信號(hào)(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(shí)鐘和數(shù)據(jù)傳輸方向，從設(shè)備被動(dòng)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(hào)線進(jìn)行通信，包括時(shí)鐘信號(hào)(SCK)、數(shù)據(jù)輸入信號(hào)(MOSI)、數(shù)據(jù)輸出信號(hào)(MISO)和片選信號(hào)(CS)。SPI通信特點(diǎn)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(shí)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(chǔ)設(shè)備、顯示器、音頻設(shè)備等。SPI通信編程實(shí)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(chǔ)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(gè)單片機(jī)之間建立SPI通信，實(shí)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(shí)鐘同步。多主機(jī)多個(gè)主機(jī)設(shè)備可以連接到同一個(gè)I2C總線，實(shí)現(xiàn)多個(gè)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。多從機(jī)一個(gè)I2C總線上可以連接多個(gè)從機(jī)設(shè)備，每個(gè)從機(jī)都有唯一的地址，用于識(shí)別。低速I2C協(xié)議的傳輸速率通常較低，適用于對(duì)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(shí)鐘線（SCL）。主從模式I2C總線上存在一個(gè)主設(shè)備和一個(gè)或多個(gè)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(hào)，選擇從設(shè)備，并進(jìn)行讀寫操作。同步時(shí)鐘信號(hào)主設(shè)備控制時(shí)鐘線，所有設(shè)備同步數(shù)據(jù)傳輸。地址碼識(shí)別每個(gè)從設(shè)備都有一個(gè)唯一的地址碼，用于主設(shè)備識(shí)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(gè)7位的地址字節(jié)，其中最高位表示讀寫方向。SDA在每個(gè)時(shí)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(gè)時(shí)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(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)傳輸后發(fā)送一個(gè)應(yīng)答位，表示數(shù)據(jù)接收成功。SDA在每個(gè)時(shí)鐘脈沖的下降沿發(fā)生數(shù)據(jù)變化。I2C通信編程實(shí)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(hào)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(jì)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(diǎn)。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(dòng)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(dòng)化在工業(yè)自動(dòng)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(dòng)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(shí)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(jì)，易于實(shí)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(shí)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