《C單片機的串行口》課件

C單片機的串行口課程大綱串行通信概述串行通信的定義串行通信的優(yōu)勢串行通信的基本原理C單片機串行口單片機串行口的結(jié)構(gòu)串行口的初始化串行口的發(fā)送與接收數(shù)據(jù)應用實例串行通信與外部設備的連接單片機串行口的數(shù)據(jù)傳輸串行通信的應用場景什么是串行通信串行通信是指數(shù)據(jù)一位一位地依次傳輸，數(shù)據(jù)位以串行的形式在單根線路上傳輸。這與并行通信形成對比，后者一次傳輸多個數(shù)據(jù)位。串行通信的優(yōu)勢線路簡單串行通信僅使用一根數(shù)據(jù)線傳輸數(shù)據(jù)，與并行通信相比，線路更簡單，成本更低。遠距離傳輸串行通信可以輕松地實現(xiàn)遠距離數(shù)據(jù)傳輸，無需復雜的布線和信號放大，適合長距離通信場景。易于實現(xiàn)串行通信的實現(xiàn)相對簡單，可以使用較少的硬件資源，適用于各種嵌入式系統(tǒng)和單片機應用。串行通信的基本原理1數(shù)據(jù)傳輸串行通信以一位一位的方式傳輸數(shù)據(jù)，使用單個傳輸線發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。2方向性串行通信可以是單向的（數(shù)據(jù)僅在一個方向上傳輸）或雙向的（數(shù)據(jù)可以在兩個方向上傳輸）。3同步方式串行通信可以是同步的（發(fā)送方和接收方使用公共時鐘信號）或異步的（發(fā)送方和接收方使用各自的時鐘信號）。異步串行通信的原理1數(shù)據(jù)傳輸無需時鐘同步2起始位數(shù)據(jù)傳輸開始標記3數(shù)據(jù)位實際傳輸數(shù)據(jù)4校驗位數(shù)據(jù)完整性驗證5停止位數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束標記異步串行通信的幀結(jié)構(gòu)1起始位起始位數(shù)據(jù)傳輸開始的標志8數(shù)據(jù)位數(shù)據(jù)位實際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)1校驗位校驗位用于檢測數(shù)據(jù)傳輸錯誤1停止位停止位數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束的標志異步串行通信的數(shù)據(jù)格式起始位用于標識數(shù)據(jù)幀的開始，通常為一個邏輯低電平。數(shù)據(jù)位實際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，可以是5、7或8位。奇偶校驗位用于檢測數(shù)據(jù)傳輸過程中的錯誤，可選擇奇校驗或偶校驗。停止位用于標識數(shù)據(jù)幀的結(jié)束，通常為一個邏輯高電平。串行通信的常見協(xié)議RS-232一種常用的串行通信標準，適用于短距離數(shù)據(jù)傳輸。RS-485一種工業(yè)級串行通信標準，適用于長距離、多點通信。CAN一種用于汽車電子控制系統(tǒng)的通信協(xié)議，具有高可靠性、實時性。SPI一種同步串行通信協(xié)議，適用于高速數(shù)據(jù)傳輸，常用于單片機與外設之間通信。RS-232標準簡介RS-232標準是一種在計算機系統(tǒng)和外圍設備之間進行串行通信的標準。它是目前應用最廣泛的串行通信標準之一。RS-232標準主要規(guī)定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾姎馓匦浴C械特性和信號特性等。它定義了信號電壓、信號的極性、連接器的類型等。RS-232標準能夠保證不同廠商生產(chǎn)的設備之間能夠相互通信。RS-232標準的物理層特性特性描述電壓邏輯“0”：-3V到-15V；邏輯“1”：+3V到+15V阻抗傳輸線阻抗為120歐姆傳輸距離最大傳輸距離為15米速率最大傳輸速率為20kbpsRS-232串行通信接口的接線方式數(shù)據(jù)信號線用于傳輸數(shù)據(jù)，包括起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位和停止位?？刂菩盘柧€用于控制數(shù)據(jù)的傳輸，包括請求發(fā)送(RTS)、清除發(fā)送(CTS)、數(shù)據(jù)準備好(DTR)和清除接收(DSR)。地線用于信號的參考點，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。串行通信中的波特率概念波特率表示每秒傳輸?shù)谋忍財?shù)，決定了串行通信的速度。波特率與時鐘頻率息息相關，越高則傳輸速度越快。不同設備的波特率必須一致才能正常通信。波特率的確定方法1數(shù)據(jù)傳輸速率確定實際傳輸速率，例如115200bps2單片機支持檢查單片機支持的波特率選項3匹配設備確保波特率與接收設備一致選擇合適的波特率需要考慮數(shù)據(jù)傳輸速率，單片機支持的選項以及接收設備的兼容性。C單片機的串行通信外設串行口結(jié)構(gòu)C單片機通常包含一個或多個串行通信接口(UART)，這些接口包含以下主要部件：移位寄存器數(shù)據(jù)緩沖區(qū)控制邏輯串行口功能串行口的主要功能包括：數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)接收中斷控制波特率設置單片機串行口的初始化1選擇波特率根據(jù)通信需求確定合適的波特率。2設置數(shù)據(jù)位一般為8位，根據(jù)協(xié)議要求進行設置。3選擇奇偶校驗根據(jù)通信需求選擇奇偶校驗模式。4設置停止位一般為1位，根據(jù)協(xié)議要求進行設置。串行口初始化是使用串行通信的必要步驟。它配置串口的工作模式，確保數(shù)據(jù)正確傳輸。單片機串行口的發(fā)送數(shù)據(jù)準備數(shù)據(jù)將要發(fā)送的數(shù)據(jù)存入單片機內(nèi)部的發(fā)送緩沖區(qū)。設置發(fā)送控制位使能串行口發(fā)送功能，并根據(jù)需要選擇發(fā)送方式。數(shù)據(jù)傳輸單片機將數(shù)據(jù)逐位發(fā)送到串行口，通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)浇邮赵O備。確認發(fā)送完成通過監(jiān)測發(fā)送完成標志，判斷數(shù)據(jù)是否成功發(fā)送。單片機串行口的接收數(shù)據(jù)1接收緩沖器接收到的數(shù)據(jù)會存儲在接收緩沖器中2數(shù)據(jù)位檢測接收器會檢測數(shù)據(jù)位的起始位和停止位3數(shù)據(jù)處理接收到的數(shù)據(jù)會被處理，并進行錯誤檢查4中斷處理接收數(shù)據(jù)時，可以觸發(fā)中斷，以便進行及時處理單片機串行口的中斷處理1中斷觸發(fā)當接收到數(shù)據(jù)時，串行口會觸發(fā)中斷，通知CPU處理數(shù)據(jù)。2中斷服務程序CPU進入中斷服務程序，讀取數(shù)據(jù)，并進行相應的處理。3數(shù)據(jù)處理根據(jù)實際應用需求，對接收到的數(shù)據(jù)進行解析、存儲或其他操作。串行通信的超時處理1超時概念串行通信中，當發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時，如果在預定的時間內(nèi)沒有收到響應，則認為通信超時。2超時原因超時可能是由于數(shù)據(jù)傳輸錯誤、設備故障、網(wǎng)絡連接問題等因素導致的。3超時處理當發(fā)生超時時，需要采取相應的措施，例如重新發(fā)送數(shù)據(jù)、中止通信、或進行錯誤處理。多個串行設備通信的同步問題時間差異多個設備的時鐘可能不同步，導致數(shù)據(jù)接收時間不一致。數(shù)據(jù)沖突多個設備同時發(fā)送數(shù)據(jù)，可能導致數(shù)據(jù)沖突，無法正確接收。數(shù)據(jù)丟失由于數(shù)據(jù)傳輸速度差異，可能導致某些設備的數(shù)據(jù)丟失。串行通信中的差錯處理技術奇偶校驗在數(shù)據(jù)幀的末尾添加一個校驗位，使整個數(shù)據(jù)幀的“1”的個數(shù)為奇數(shù)或偶數(shù)。循環(huán)冗余校驗將數(shù)據(jù)幀看作一個二進制多項式，使用除法運算計算出一個校驗碼，并將其添加到數(shù)據(jù)幀的末尾。檢錯重發(fā)接收方發(fā)現(xiàn)錯誤后，向發(fā)送方發(fā)出重發(fā)請求，直到接收方成功接收到數(shù)據(jù)。常見串行通信協(xié)議介紹RS-232是最早的串行通信標準之一，廣泛應用于個人電腦和外設之間的數(shù)據(jù)傳輸。RS-485是一種多點串行通信標準，用于工業(yè)控制和自動化系統(tǒng)，具有較強的抗干擾能力。CAN總線是一種用于汽車和工業(yè)自動化領域的串行通信協(xié)議，支持多節(jié)點通信和實時控制。Modbus協(xié)議簇簡介Modbus是一種常用的工業(yè)現(xiàn)場總線協(xié)議，廣泛應用于工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中。Modbus協(xié)議簇包括Modbus-RTU、Modbus-ASCII、Modbus-TCP等多種協(xié)議。Modbus協(xié)議具有開放性、可靠性、易用性等優(yōu)點，得到了廣泛的應用。Modbus協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)Modbus協(xié)議的通信過程1主站發(fā)起請求發(fā)送數(shù)據(jù)幀2從站接收請求解析數(shù)據(jù)幀3從站處理請求執(zhí)行操作4從站返回響應發(fā)送數(shù)據(jù)幀5主站接收響應解析數(shù)據(jù)幀Modbus協(xié)議的通信過程以主從方式進行，主站發(fā)送請求數(shù)據(jù)幀，從站接收請求數(shù)據(jù)幀并解析，然后執(zhí)行操作，最后將響應數(shù)據(jù)幀發(fā)送給主站。主站接收響應數(shù)據(jù)幀并解析，從而完成通信。Modbus協(xié)議在單片機中的應用1數(shù)據(jù)采集單片機可以作為Modbus從站，采集傳感器數(shù)據(jù)或其他設備的數(shù)據(jù)，并通過Modbus協(xié)議發(fā)送給Modbus主站。2設備控制單片機可以作為Modbus主站，發(fā)送指令控制其他Modbus從站設備，例如控制電機、閥門等。3遠程監(jiān)控通過Modbus協(xié)議，可以實現(xiàn)對設備的遠程監(jiān)控，例如監(jiān)控溫度、壓力等參數(shù)。4數(shù)據(jù)記錄單片機可以將采集到的數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)部存儲器中，也可以通過Modbus協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送到其他設備進行存儲。Modbus主站程序設計初始化Modbus配置串口參數(shù)，如波特率、數(shù)據(jù)位、校驗位等，并初始化Modbus庫函數(shù)。構(gòu)建Modbus報文根據(jù)Modbus協(xié)議規(guī)范，構(gòu)建要發(fā)送的報文，包括地址、功能碼、數(shù)據(jù)等。發(fā)送Modbus報文通過串口將構(gòu)建好的報文發(fā)送到Modbus從站。接收Modbus報文從串口接收Modbus從站返回