《串行輸入輸出接口》課件

串行輸入輸出接口串行輸入輸出接口是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)常見的數(shù)據(jù)傳輸方式。它通過兩條線路進(jìn)行單向數(shù)據(jù)傳輸,為硬件設(shè)備間提供可靠的數(shù)據(jù)交換。本節(jié)將深入介紹串行接口的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景。課程目標(biāo)和大綱學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握串行輸入輸出接口的基礎(chǔ)知識(shí),了解各種常見的串行通信標(biāo)準(zhǔn)及其特點(diǎn)。課程大綱包括串行通信基礎(chǔ)、同步和異步通信、常見串行標(biāo)準(zhǔn)、RS-232/RS-422/RS-485、I2C、SPI、CAN總線等內(nèi)容。實(shí)踐訓(xùn)練通過編程實(shí)踐,學(xué)習(xí)如何使用串行接口進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)和信號(hào)控制。串行通信基礎(chǔ)通信設(shè)備串行通信的主要設(shè)備包括主機(jī)、從機(jī)以及串行通信接口卡等。它們通過特定的線纜連接形成通信鏈路。通信協(xié)議串行通信采用預(yù)先商定的一系列規(guī)則和格式,確保數(shù)據(jù)能正確傳輸和接收,如同步、異步等。數(shù)據(jù)流向串行通信的數(shù)據(jù)可以單向傳輸,也可以雙向傳輸,根據(jù)通信需求選擇合適的數(shù)據(jù)流方式。同步和異步通信同步通信要求發(fā)送方和接收方時(shí)鐘頻率一致,通過時(shí)鐘信號(hào)來準(zhǔn)確識(shí)別數(shù)據(jù)的起始和結(jié)束。異步通信發(fā)送方和接收方的時(shí)鐘獨(dú)立運(yùn)行,通過開始位和停止位來標(biāo)記數(shù)據(jù)傳輸,不需時(shí)鐘同步。時(shí)序特性同步通信時(shí)間關(guān)系嚴(yán)格,延遲和抖動(dòng)較小;異步通信時(shí)間關(guān)系松散,延遲和抖動(dòng)較大。握手機(jī)制同步通信無需握手,異步通信需要通過握手信號(hào)來確認(rèn)數(shù)據(jù)傳輸。常見串行通信標(biāo)準(zhǔn)RS-232歷史最悠久的串行通信標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外設(shè)和小型設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。RS-422/485支持雙線差分傳輸，提高抗干擾能力和傳輸距離。常用于工業(yè)控制、測(cè)量等領(lǐng)域。I2C總線由飛利浦公司開發(fā)的簡單雙線串行總線，用于芯片之間的低速數(shù)據(jù)交換。應(yīng)用廣泛。SPI總線全雙工同步串行總線，用于芯片間的高速數(shù)據(jù)傳輸。在嵌入式系統(tǒng)中廣泛使用。RS-232接口RS-232是一種常見的串行通信接口標(biāo)準(zhǔn),主要用于連接計(jì)算機(jī)與外圍設(shè)備。它采用異步傳輸,利用單根信號(hào)線進(jìn)行全雙工通信。RS-232接口具有簡單、便捷等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于工控系統(tǒng)、測(cè)量儀器等領(lǐng)域。通過了解其引腳定義、電氣特性及通信模式,可以實(shí)現(xiàn)RS-232設(shè)備之間的有效連接和數(shù)據(jù)交換。RS-232引腳定義和電氣特性RS-232引腳定義RS-232標(biāo)準(zhǔn)定義了25個(gè)引腳,其中最常用的有9個(gè)引腳。這些引腳用于傳輸數(shù)據(jù)、握手信號(hào)和電源。主要引腳包括:TXD(傳輸數(shù)據(jù))、RXD(接收數(shù)據(jù))、RTS(請(qǐng)求發(fā)送)、CTS(清除發(fā)送)、DCD(載波檢測(cè))、DTR(數(shù)據(jù)終端就緒)和DSR(數(shù)據(jù)設(shè)備就緒)等。RS-232電氣特性RS-232使用負(fù)極性邏輯電平,即邏輯"1"為-3V至-15V之間,邏輯"0"為+3V至+15V之間。傳輸距離最長可達(dá)15米,傳輸速率最高可達(dá)20kbps。通過使用調(diào)制解調(diào)器,可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。RS-232通信模式1點(diǎn)對(duì)點(diǎn)單臺(tái)設(shè)備與單臺(tái)設(shè)備之間的直接連接2廣播單臺(tái)設(shè)備向多臺(tái)設(shè)備同步發(fā)送數(shù)據(jù)3半雙工通信設(shè)備輪流發(fā)送和接收數(shù)據(jù)4全雙工通信設(shè)備可以同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)RS-232串行通信支持多種工作模式,包括點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、廣播、半雙工和全雙工。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式是最基礎(chǔ)的,單臺(tái)設(shè)備與單臺(tái)設(shè)備之間進(jìn)行直接通信。廣播模式則允許一臺(tái)設(shè)備同時(shí)向多臺(tái)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。半雙工和全雙工模式則定義了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?前者是輪流發(fā)送和接收,后者則可以同時(shí)進(jìn)行。RS-232數(shù)據(jù)幀格式起始位數(shù)據(jù)位校驗(yàn)位停止位指示通信開始的標(biāo)志位8位數(shù)據(jù)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)是否正確的位指示通信結(jié)束的標(biāo)志位RS-232數(shù)據(jù)幀包含四個(gè)部分:起始位、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位和停止位。起始位和停止位用于界定數(shù)據(jù)幀的范圍,數(shù)據(jù)位攜帶實(shí)際的通信數(shù)據(jù),校驗(yàn)位用于檢測(cè)數(shù)據(jù)是否傳輸正確。這種幀格式確保了RS-232串行通信的可靠性和完整性。RS-232握手信號(hào)1RTS/CTS信號(hào)請(qǐng)求發(fā)送(RTS)和清除發(fā)送(CTS)信號(hào)用于控制數(shù)據(jù)發(fā)送流。當(dāng)設(shè)備準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)時(shí),它會(huì)設(shè)置CTS信號(hào)。2DTR/DSR信號(hào)數(shù)據(jù)終端就緒(DTR)和數(shù)據(jù)設(shè)備就緒(DSR)信號(hào)用于指示設(shè)備是否已準(zhǔn)備好開始通信。3DCD信號(hào)數(shù)據(jù)載波檢測(cè)(DCD)信號(hào)用于確認(rèn)已建立通信連接。當(dāng)數(shù)據(jù)載波存在時(shí),DCD信號(hào)被激活。RS-232電纜連接識(shí)別接口引腳首先確認(rèn)RS-232接口上的各個(gè)引腳定義,如TXD、RXD、GND等。選擇合適的電纜根據(jù)設(shè)備接口類型,選擇帶有相應(yīng)公頭或母頭的串行數(shù)據(jù)線。進(jìn)行交叉連接通常需要將發(fā)送端(TXD)與接收端(RXD)相互連接,并連接接地線(GND)。配置硬件握手信號(hào)如果需要進(jìn)行硬件流控,還需要連接RTS/CTS或DTR/DSR引腳。RS-232編程實(shí)踐1初始化串口通過編程設(shè)置串口參數(shù),如波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和校驗(yàn)位,以確保正確的通信協(xié)議。2發(fā)送數(shù)據(jù)使用編程命令將數(shù)據(jù)從主機(jī)發(fā)送到外圍設(shè)備,如發(fā)送文本字符串或二進(jìn)制數(shù)據(jù)。3接收數(shù)據(jù)編程實(shí)現(xiàn)從外圍設(shè)備接收數(shù)據(jù),如讀取輸入緩沖區(qū)中的字符串或二進(jìn)制數(shù)據(jù)。RS-422接口RS-422是一種全雙工串行通信標(biāo)準(zhǔn),采用差分信號(hào)傳輸,有較好的噪聲抗干擾能力。RS-422接口可以在最高2.5Mbps的速率下實(shí)現(xiàn)通信,支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和多點(diǎn)總線拓?fù)洹Ｋ鼜V泛應(yīng)用于工業(yè)控制、醫(yī)療設(shè)備、航空航天等領(lǐng)域。RS-422電氣特性RS-422是一種平衡式串行通信接口標(biāo)準(zhǔn),它采用差分傳輸技術(shù),具有以下主要電氣特性:50Ω?jìng)鬏斪杩?5V驅(qū)動(dòng)電壓+/-5V差分電壓10Mbps最大數(shù)據(jù)速率這些電氣特性為RS-422提供了高速、抗干擾、長距離傳輸?shù)哪芰?使其廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、測(cè)量等領(lǐng)域。RS-422差分信號(hào)信號(hào)穩(wěn)定性高RS-422采用差分信號(hào)傳輸,可有效抑制電磁干擾,確保信號(hào)的穩(wěn)定性和可靠性。傳輸距離長RS-422可以在幾千米的距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)可靠通信,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過單端信號(hào)的傳輸范圍。抗干擾能力強(qiáng)差分信號(hào)傳輸可以大幅降低共模干擾的影響,提高了通信系統(tǒng)的抗干擾能力。RS-485接口RS-485是一種多點(diǎn)半雙工串行通信總線標(biāo)準(zhǔn),被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、樓宇智能等領(lǐng)域。它采用差分信號(hào)傳輸,具有較強(qiáng)的抗干擾能力,能夠在較長距離上可靠傳輸數(shù)據(jù)。RS-485允許一條總線上連接多達(dá)32臺(tái)設(shè)備,支持最大傳輸距離達(dá)1200米。RS-485通常由收發(fā)器芯片實(shí)現(xiàn),設(shè)備通過總線上的收發(fā)器進(jìn)行通信?？偩€兩端均需要接入120歐姆的終端電阻,以匹配特性阻抗,防止信號(hào)反射。RS-485電氣特性RS-485是一種平衡式差分通信接口標(biāo)準(zhǔn),它使用雙絞線電纜實(shí)現(xiàn)全雙工通信。RS-485電氣特性包括高共模抗噪能力、長距離傳輸、多點(diǎn)總線拓?fù)涞?。它采用差分信?hào)傳輸,電壓范圍為-7V到+12V,抗噪能力強(qiáng),同時(shí)支持多個(gè)發(fā)送端和接收端并聯(lián)連接。RS-485總線拓?fù)?點(diǎn)對(duì)點(diǎn)兩個(gè)設(shè)備直接相連2半雙工單向數(shù)據(jù)傳輸3總線拓?fù)涠鄠€(gè)設(shè)備共享總線線4主從結(jié)構(gòu)一主多從設(shè)備連接RS-485總線拓?fù)渲С侄喾N連接方式,包括點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、半雙工、總線和主從結(jié)構(gòu)。這種靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使得RS-485應(yīng)用更加廣泛,適用于工業(yè)自動(dòng)化、樓宇控制等領(lǐng)域。總線結(jié)構(gòu)可以連接多個(gè)設(shè)備,主從結(jié)構(gòu)則有一個(gè)主控設(shè)備管理多個(gè)從設(shè)備,滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。RS-485收發(fā)器1雙向通信RS-485收發(fā)器可實(shí)現(xiàn)全雙工通信,使設(shè)備可以同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。2差分信號(hào)RS-485使用差分信號(hào)傳輸,抗干擾性強(qiáng),可傳輸距離長達(dá)1200米。3多點(diǎn)連接RS-485支持32臺(tái)設(shè)備并聯(lián)在同一總線上,實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)通信。4自動(dòng)收發(fā)切換RS-485收發(fā)器可自動(dòng)切換到發(fā)送或接收模式,無需額外控制。I2C總線I2C總線結(jié)構(gòu)I2C總線由兩根串行通信線組成,分別為串行數(shù)據(jù)線(SDA)和串行時(shí)鐘線(SCL)。多個(gè)設(shè)備通過這兩根線連接在同一總線上。I2C通信協(xié)議I2C通信遵循主從機(jī)制,主機(jī)控制總線,從機(jī)根據(jù)主機(jī)的命令執(zhí)行相應(yīng)的操作。通信過程包括起始信號(hào)、從機(jī)地址、讀/寫位、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔襟E。I2C廣泛應(yīng)用I2C總線廣泛應(yīng)用于各種微控制器、傳感器、存儲(chǔ)器等設(shè)備的內(nèi)部通信,是嵌入式系統(tǒng)中常用的串行通信接口。I2C時(shí)序及協(xié)議1時(shí)鐘與數(shù)據(jù)I2C總線使用時(shí)鐘線(SCL)和數(shù)據(jù)線(SDA)進(jìn)行同步通信。時(shí)鐘線由主設(shè)備產(chǎn)生,數(shù)據(jù)線雙向傳輸數(shù)據(jù)。2讀寫時(shí)序I2C使用起始信號(hào)、7位或10位地址、讀/寫位、數(shù)據(jù)字節(jié)、停止信號(hào)等組成時(shí)序。每個(gè)數(shù)據(jù)傳輸由主設(shè)備發(fā)起和控制。3時(shí)鐘同步從設(shè)備可以通過拉低SCL線暫停時(shí)鐘,讓主設(shè)備等待,以避免數(shù)據(jù)溢出。這種時(shí)鐘同步機(jī)制確保了可靠的數(shù)據(jù)傳輸。SPI總線SPI（SerialPeripheralInterface）是一種同步串行總線通信協(xié)議。它采用主從結(jié)構(gòu),通過數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線在主設(shè)備和從設(shè)備之間進(jìn)行全雙工通信。SPI通信具有高速、低成本、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)、工業(yè)控制等領(lǐng)域。SPI總線由4根信號(hào)線組成:SCLK（時(shí)鐘線）、MOSI（主->從數(shù)據(jù)線）、MISO（從->主數(shù)據(jù)線）和SS（片選線）。主設(shè)備通過SCLK控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)序,通過SS選擇與哪個(gè)從設(shè)備通信。SPI時(shí)序及協(xié)議1開始幀SPI通信以從機(jī)設(shè)備發(fā)出的開始幀開始2數(shù)據(jù)傳輸主機(jī)和從機(jī)在時(shí)鐘信號(hào)下交互數(shù)據(jù)3停止幀通信結(jié)束時(shí)主機(jī)發(fā)送停止幀信號(hào)SPI（SerialPeripheralInterface）總線是一種同步串行通信協(xié)議,常用于微控制器與外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。SPI采用主從結(jié)構(gòu),包括開始幀、數(shù)據(jù)傳輸和停止幀3個(gè)過程。主機(jī)提供時(shí)鐘信號(hào),從機(jī)根據(jù)時(shí)鐘信號(hào)與主機(jī)交互數(shù)據(jù)。整個(gè)通信過程高度同步,確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤地傳輸。CAN總線CAN總線(ControllerAreaNetwork)是一種多主設(shè)備的串行通信總線標(biāo)準(zhǔn),廣泛應(yīng)用于汽車電子系統(tǒng)中。它采用差分信號(hào)傳輸,具有高可靠性和抗干擾性。CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)1Mbps,支持多主設(shè)備即時(shí)通信,設(shè)備間發(fā)送和接收?qǐng)?bào)文無需主從關(guān)系。它可以將分散的控制單元有效集成,提高系統(tǒng)可靠性和可擴(kuò)展性。CAN物理層和鏈路層物理層CAN采用雙絞線總線方式,使用差分信號(hào)傳輸,可以抑制共模干擾,提高抗噪性能。物理層定義了電平、編碼等硬件特性。鏈路層CAN采用CSMA/CA協(xié)議,提供幀格式、仲裁機(jī)制和差錯(cuò)控制等功能。鏈路層確保數(shù)據(jù)在總線上有序傳輸,提高通信可靠性。通信特性CAN具有高速、高可靠、低成本等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于汽車電子、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。CAN應(yīng)用實(shí)例汽車電子控制系統(tǒng)CAN總線廣泛應(yīng)用于汽車電子控制系統(tǒng),連接發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、空調(diào)等各種車載控制單元,實(shí)現(xiàn)高效、可靠的數(shù)據(jù)通信。醫(yī)療設(shè)備監(jiān)控CAN總線技術(shù)也被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備,如輸液泵、心電監(jiān)護(hù)等,通過多設(shè)備之間的互聯(lián)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析。工業(yè)自動(dòng)化控制CAN總線在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)揮重要作用,連接工廠內(nèi)各種設(shè)備和控制系統(tǒng),支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和高可靠性控制。串行接口的性能指標(biāo)1M帶寬最大數(shù)據(jù)傳輸速率1μs時(shí)延從發(fā)送到接收之間的延遲時(shí)間99.99%可靠性數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和穩(wěn)定性10y壽命設(shè)備的使用壽命和耐用性串行接口的性能指標(biāo)包括帶寬、時(shí)延、可靠性和壽命等多個(gè)方面。高帶寬支持快速傳輸大容量數(shù)據(jù),低時(shí)延確保及時(shí)響應(yīng),可靠性確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確傳輸,長壽命保證設(shè)備持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。這些指標(biāo)反映了接口的整體性能水平。串行接口的應(yīng)用領(lǐng)域工業(yè)自動(dòng)化串行接口廣泛應(yīng)用于工廠設(shè)備、機(jī)器人控制系統(tǒng)和傳感器網(wǎng)絡(luò)中,實(shí)現(xiàn)高可靠性的數(shù)據(jù)傳輸。醫(yī)療設(shè)備串行通信用于連接醫(yī)療設(shè)備,如監(jiān)護(hù)儀、CT掃描儀和超聲波成像設(shè)備,確保安全可靠的數(shù)據(jù)傳輸。通信系統(tǒng)串行接口在電信基站、路由器和交換機(jī)等通信設(shè)備中使用,支持高速高帶寬的數(shù)據(jù)交換。汽車電子汽車中廣泛采用串行總線CAN總線,用于連接車載電子系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)高效可靠的數(shù)據(jù)傳輸。未來發(fā)展趨勢(shì)更高速度和容量隨著數(shù)據(jù)量的不斷增加,未來串行通信接口將向更高的傳輸速率和更大的數(shù)據(jù)容量發(fā)展。光纖和無線通信技術(shù)將成為主流。標(biāo)準(zhǔn)化和集成化不同類型的串行接口將進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)化和集成,支持更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。接口芯片集成度將大幅提高,降低成本。智能化和自適應(yīng)串行接口將更智能化