《C單片機的串行口》課件

C單片機的串行口C單片機串行口是單片機與外部設備進行數(shù)據(jù)通信的重要接口，它可以實現(xiàn)單片機與其他設備之間的數(shù)據(jù)傳輸。串行口具有連接簡單、成本低廉等優(yōu)點，廣泛應用于各種嵌入式系統(tǒng)。課程目標掌握串行通信原理理解串行通信的優(yōu)勢，并掌握異步和同步串行通信協(xié)議。學習UART接口使用掌握UART接口的結構、收發(fā)流程和編程方法，并能進行實際應用開發(fā)。了解SPI和I2C接口了解SPI和I2C接口的特點，并掌握其基本通信原理和編程方法。串行通信概述串行通信是一種常用的數(shù)據(jù)傳輸方式。它將數(shù)據(jù)一位一位地依次傳輸，而不是像并行通信那樣同時傳輸多位數(shù)據(jù)。串行通信的優(yōu)點是傳輸線路簡單，成本低，適用于遠距離數(shù)據(jù)傳輸。它廣泛應用于各種電子設備中，例如計算機、手機、傳感器等。串行通信基本原理1數(shù)據(jù)傳輸方式串行通信一次傳輸一位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)以串行方式在一條線上進行傳輸。2數(shù)據(jù)傳輸方向串行通信數(shù)據(jù)可以單向傳輸，也可以雙向傳輸。3通信協(xié)議串行通信使用特定的通信協(xié)議來規(guī)范數(shù)據(jù)的傳輸格式和時序。4數(shù)據(jù)同步接收方需要與發(fā)送方保持同步，才能正確接收數(shù)據(jù)。異步串行通信協(xié)議起始位和停止位用于識別數(shù)據(jù)幀的起始和結束，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?。時鐘信號用于同步數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性。奇偶校驗用于檢測數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)的錯誤，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。UART接口結構UART接口包含發(fā)射器、接收器和控制邏輯等單元。發(fā)射器將數(shù)據(jù)轉換為串行信號，接收器將串行信號轉換為數(shù)據(jù)。控制邏輯負責管理UART的工作模式、波特率等參數(shù)。UART收發(fā)流程1數(shù)據(jù)準備將要發(fā)送的數(shù)據(jù)存儲到發(fā)送緩沖區(qū)中，等待發(fā)送。2串行化將數(shù)據(jù)逐位轉換成串行信號，并添加起始位、停止位、校驗位等信息。3數(shù)據(jù)傳輸通過串行口發(fā)送數(shù)據(jù)，接收方接收數(shù)據(jù)，并將其存儲在接收緩沖區(qū)中。4數(shù)據(jù)校驗接收方根據(jù)校驗位對數(shù)據(jù)進行校驗，確保數(shù)據(jù)完整性和正確性。5數(shù)據(jù)解析接收方將接收到的串行數(shù)據(jù)轉換為原始數(shù)據(jù)，并進行進一步處理。UART收發(fā)編程發(fā)送數(shù)據(jù)使用C語言編寫程序控制UART發(fā)送數(shù)據(jù)到外設。發(fā)送數(shù)據(jù)時需要設置數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗位等參數(shù)。接收數(shù)據(jù)編寫程序接收來自外設的串行數(shù)據(jù)。程序需要識別接收數(shù)據(jù)起始位，進行數(shù)據(jù)校驗，并處理接收到的數(shù)據(jù)。中斷處理使用中斷機制來提高數(shù)據(jù)收發(fā)效率。當UART接收或發(fā)送數(shù)據(jù)時，觸發(fā)中斷，并在中斷服務程序中處理數(shù)據(jù)收發(fā)。軟件庫函數(shù)C單片機廠商通常提供UART軟件庫函數(shù)，簡化程序開發(fā)。使用庫函數(shù)可以快速實現(xiàn)UART收發(fā)功能。UART收發(fā)裝置UART收發(fā)器專門用于串行通信的芯片，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號的轉換和發(fā)送接收。單片機連接通過引腳連接到單片機的串行口，實現(xiàn)單片機與外部設備的數(shù)據(jù)傳輸。連接電腦通過USB轉串口模塊或串口線連接到電腦，方便調試和數(shù)據(jù)采集。工業(yè)設備廣泛應用于工業(yè)自動化，例如傳感器數(shù)據(jù)采集、控制指令發(fā)送。UART波特率設置波特率單位定義110bps每秒傳輸110個數(shù)據(jù)位300bps每秒傳輸300個數(shù)據(jù)位600bps每秒傳輸600個數(shù)據(jù)位1200bps每秒傳輸1200個數(shù)據(jù)位2400bps每秒傳輸2400個數(shù)據(jù)位4800bps每秒傳輸4800個數(shù)據(jù)位9600bps每秒傳輸9600個數(shù)據(jù)位19200bps每秒傳輸19200個數(shù)據(jù)位38400bps每秒傳輸38400個數(shù)據(jù)位57600bps每秒傳輸57600個數(shù)據(jù)位115200bps每秒傳輸115200個數(shù)據(jù)位波特率是串行通信中一個重要的參數(shù)，它決定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾省２ㄌ芈试礁?，?shù)據(jù)傳輸越快，但同時也會增加傳輸?shù)恼`差率。選擇合適的波特率需要根據(jù)實際應用場景進行權衡。UART實驗演示通過實際電路搭建，演示UART串行通信收發(fā)過程。使用C語言編程，實現(xiàn)單片機與電腦之間的交互。觀察串口助手上的數(shù)據(jù)傳輸，驗證程序功能。同步串行通信協(xié)議SPISPI是一種同步串行通信協(xié)議，它采用主從模式。SPI協(xié)議支持多種數(shù)據(jù)傳輸速率，適用于高數(shù)據(jù)傳輸效率的應用。I2CI2C是一種同步串行通信協(xié)議，它采用主從模式。I2C協(xié)議支持多種數(shù)據(jù)傳輸速率，適用于低數(shù)據(jù)傳輸效率的應用。其他協(xié)議其他同步串行通信協(xié)議包括CAN、LIN等，它們也支持主從模式。這些協(xié)議在不同領域發(fā)揮著重要作用，例如汽車電子、工業(yè)自動化等。SPI接口結構SPI是同步串行通信協(xié)議，使用四線接口進行通信。數(shù)據(jù)傳輸通過MOSI、MISO、SCK、SS四根信號線完成。MOSI用于主設備向從設備發(fā)送數(shù)據(jù)，MISO用于從設備向主設備發(fā)送數(shù)據(jù)，SCK用于同步時鐘信號，SS用于選擇從設備。SPI通信使用同步時鐘信號，保證主從設備之間的同步。主設備通過SS信號選擇不同的從設備進行通信。SPI支持全雙工通信，主從設備可以同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。SPI傳輸過程1時鐘信號主設備發(fā)送時鐘信號2數(shù)據(jù)傳輸主設備發(fā)送數(shù)據(jù)3數(shù)據(jù)接收從設備接收數(shù)據(jù)4應答信號從設備發(fā)送應答信號SPI傳輸過程以主設備為主導。主設備首先發(fā)送時鐘信號，同步從設備數(shù)據(jù)傳輸。主設備發(fā)送數(shù)據(jù)，從設備接收數(shù)據(jù)。完成數(shù)據(jù)傳輸后，從設備發(fā)送應答信號，確認數(shù)據(jù)接收成功。SPI主從通信主設備控制數(shù)據(jù)傳輸時序，發(fā)送數(shù)據(jù)，并接收從設備的響應。從設備被動接收來自主設備的數(shù)據(jù)，并根據(jù)命令進行操作，將結果反饋給主設備。SPI編程實踐硬件配置SPI模塊的時鐘頻率、數(shù)據(jù)格式、傳輸模式等參數(shù)都需要在程序中進行配置。使用寄存器設置SPI模塊工作模式。數(shù)據(jù)傳輸根據(jù)具體的應用場景選擇數(shù)據(jù)傳輸方式：單字節(jié)、多字節(jié)或連續(xù)數(shù)據(jù)流傳輸。中斷處理在數(shù)據(jù)傳輸完成或發(fā)生錯誤時，可以使用中斷機制進行處理。中斷處理函數(shù)可以進行相應的數(shù)據(jù)處理或狀態(tài)更新。錯誤處理在SPI通信過程中，可能會出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸錯誤或時序錯誤。編寫錯誤處理程序以保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。SPI應用案例SPI廣泛應用于各種電子系統(tǒng)中，例如傳感器數(shù)據(jù)采集、顯示屏驅動、存儲器讀寫等。SPI接口簡單易用，傳輸速度快，適用于需要高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽脠鼍?。?shù)據(jù)采集系統(tǒng)顯示設備驅動存儲器讀寫I2C接口原理1雙線通信I2C使用兩條線進行數(shù)據(jù)傳輸，一條用于數(shù)據(jù)傳輸（SDA），另一條用于時鐘信號（SCL）。2主從模式I2C通信采用主從模式，其中主設備控制數(shù)據(jù)傳輸，從設備接收數(shù)據(jù)并進行響應。3地址識別每個從設備都有一個唯一的地址，用于主設備識別目標設備。4低電壓信號I2C使用低電壓信號，通常在3.3V或5V，適用于低功耗應用。I2C通信模式標準模式I2C標準模式是一種同步通信模式，數(shù)據(jù)傳輸速率較低，適用于一般數(shù)據(jù)傳輸?？焖倌Ｊ絀2C快速模式是一種同步通信模式，數(shù)據(jù)傳輸速率較高，適用于需要更高數(shù)據(jù)傳輸速率的應用。高速模式I2C高速模式是一種同步通信模式，數(shù)據(jù)傳輸速率最高，適用于需要極高數(shù)據(jù)傳輸速率的應用。超高速模式I2C超高速模式是一種同步通信模式，數(shù)據(jù)傳輸速率最快，適用于需要極高數(shù)據(jù)傳輸速率的應用。I2C從設備編程地址識別I2C從設備通過7位地址進行識別，地址由器件自身決定，無法更改。數(shù)據(jù)接收從設備接收主設備發(fā)送的數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)內容進行處理。數(shù)據(jù)發(fā)送從設備根據(jù)需要向主設備發(fā)送數(shù)據(jù)，例如傳感器采集到的數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息。狀態(tài)控制從設備通過狀態(tài)寄存器向主設備報告自身狀態(tài)，例如數(shù)據(jù)是否準備好或是否出現(xiàn)錯誤。I2C主設備編程I2C主設備的初始化I2C主設備的初始化過程包括設置I2C總線的速度、數(shù)據(jù)傳輸模式和I2C地址等參數(shù)。I2C主設備需要向從設備發(fā)送啟動信號、停止信號、讀寫信號等控制信號。I2C主設備的數(shù)據(jù)讀寫I2C主設備可以向從設備發(fā)送數(shù)據(jù)，也可以從從設備讀取數(shù)據(jù)。I2C主設備需要根據(jù)實際應用場景，編寫相應的程序代碼來實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫操作。I2C實驗演示實驗平臺搭建實驗平臺通常包括一個I2C主設備，一個或多個I2C從設備，以及連接它們的通信線。I2C總線連接主設備和從設備，用于數(shù)據(jù)傳輸。通信流程驗證通過編寫I2C主設備和從設備的程序，模擬實際應用場景，驗證I2C通信協(xié)議的正確性。波形分析利用示波器觀察I2C總線上的信號波形，分析數(shù)據(jù)傳輸過程，驗證通信協(xié)議的細節(jié)。代碼調試調試I2C通信程序，確保程序能夠正確地發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，并處理異常情況。串行通信應用分析工業(yè)自動化串行通信廣泛用于工業(yè)自動化控制系統(tǒng)，例如機器人控制、自動化生產(chǎn)線。醫(yī)療設備串行通信應用于醫(yī)療設備，如心電監(jiān)護儀、呼吸機、超聲儀等。汽車電子串行通信在汽車電子系統(tǒng)中廣泛應用，例如車載娛樂系統(tǒng)、車身控制系統(tǒng)等。智能家居串行通信在智能家居系統(tǒng)中應用，例如智能照明、智能門鎖、智能空調等。串行通信發(fā)展趨勢11.高速率隨著技術發(fā)展，串行通信速率不斷提高，從傳統(tǒng)的低速率發(fā)展到高速率，例如USB3.0、PCIe等。22.多協(xié)議為了滿足不同的應用需求，串行通信協(xié)議不斷發(fā)展，例如CAN、I2C、SPI、UART等協(xié)議。33.智能化未來串行通信將朝著智能化方向發(fā)展，例如支持自動配置、故障診斷、安全加密等功能。44.無線化無線串行通信技術不斷發(fā)展，例如藍牙、WiFi、Zigbee等技術，為移動設備和物聯(lián)網(wǎng)提供了便捷的連接方式。串行通信安全問題11.數(shù)據(jù)完整性確保數(shù)據(jù)在傳輸過程中不會被篡改或損壞。22.數(shù)據(jù)機密性保護敏感信息不被未經(jīng)授權的訪問。33.身份驗證驗證通信雙方的身份，防止假冒。44.訪問控制限制對串行通信資源的訪問。串行通信調試技巧串行調試器串行調試器可以幫助用戶觀察和控制串行通信過程，進行數(shù)據(jù)分析和故障排查。協(xié)議分析工具使用協(xié)議分析工具可以捕獲和分析串行通信數(shù)據(jù)，識別協(xié)議錯誤和數(shù)據(jù)傳輸問題。示波器示波器可以觀察信號波形，分析時序關系和電壓電平，幫助診斷串行通信故障。邏輯分析儀邏輯分析儀可以同時采集多個信號，用于分析數(shù)據(jù)流和時序關系，解決復雜的通信問題。綜合實驗設計實驗目標串行通信實驗設計，學習串行通信的應用和編程。實驗方案選擇合適的單片機和外設，設計串行通信電路，編寫程序驗證實驗結果。實驗步驟硬件連接，程序編寫，調試運行，實驗結果分析。實驗內容例如：數(shù)據(jù)傳輸，通信協(xié)議驗證，中斷處理，多機通信等。實驗報告記錄實驗方案、步驟、結果和分析，并總結實驗心得。經(jīng)典案例分析溫度傳感器數(shù)據(jù)采集通過單片機串行口采集溫度傳感器數(shù)據(jù)，實現(xiàn)實時監(jiān)測環(huán)境溫度。利用串行口通信協(xié)議，將溫度傳感器的數(shù)據(jù)傳輸至上位機，并進行數(shù)據(jù)可視化。智能家居控制利用單片機串行口，實現(xiàn)對智能家居設備的遠程控制。通過串行通信接口，控制燈光、窗簾、家電等設備，構建便捷舒適的智能家居環(huán)境。讀書思考與交流拓展知識深入學習相關書籍，例如單片機應用開發(fā)、嵌入式系統(tǒng)設計等，