【大學課件】單片機的串行通信技術

單片機的串行通信技術單片機串行通信技術是一種高效的數據傳輸方式，廣泛應用于各種嵌入式系統。它使用一根數據線進行數據傳輸，相比并行通信，串行通信節(jié)省了引腳數量，降低了硬件成本。什么是串行通信1數據傳輸方式單片機將數據按位順序依次傳輸，通過一根或兩根線進行通信。2數據傳輸方向可以是單向或雙向，根據應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行數據傳輸。4應用廣泛廣泛應用于各種電子設備，包括傳感器、顯示器、存儲器等。串行通信的特點線路簡單只需要兩根線就可以實現數據傳輸，相比并行通信，線路更簡潔，成本更低。傳輸距離遠串行通信可以采用差分信號傳輸，抗干擾能力強，適用于遠距離數據傳輸。傳輸速度快串行通信可以采用高速傳輸技術，適用于高速數據傳輸場景，例如高速數據采集和控制。數據傳輸效率高串行通信一次只傳輸一位數據，但數據傳輸效率并不低，因為只需要一根數據線，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時鐘信號，保持同步。異步串行通信發(fā)送方和接收方使用各自的時鐘信號，通過起始位和停止位進行同步。同步串行通信同步時鐘同步串行通信使用一個單獨的時鐘信號來同步發(fā)送方和接收方。數據傳輸數據在時鐘信號的控制下進行傳輸，確保數據在正確的時間點被讀取。由于數據在時鐘信號的控制下進行傳輸，因此無需使用起始位和停止位來同步發(fā)送方和接收方。異步串行通信數據傳輸無需時鐘信號同步發(fā)送方和接收方無需使用相同的時鐘信號，各自分別控制數據傳輸速率。每個字節(jié)獨立傳輸每個數據字節(jié)的傳輸都是獨立的，無需考慮其他字節(jié)的傳輸狀態(tài)。接收機與發(fā)送機的同步問題時鐘信號接收機和發(fā)送機需要使用相同的時鐘信號來保證數據傳輸的同步性。同步方式同步串行通信通過同步時鐘信號來保證接收機和發(fā)送機保持一致，而異步串行通信則依靠起始位和停止位來實現同步。同步重要性同步問題是串行通信中一個重要的問題，它直接影響著數據傳輸的準確性和可靠性。起始位、數據位與停止位起始位起始位是一個邏輯低電平信號，它表示數據幀的開始，接收方收到起始位后，開始接收數據位。數據位數據位是實際傳輸的數據，包含要發(fā)送的信息，數據位數根據具體的通信協議而有所不同。停止位停止位是結束數據幀的信號，通常為邏輯高電平，表示數據傳輸結束，接收方收到停止位后，停止接收數據。波特率的概念波特率是指每秒傳輸的比特數單位波特率（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，但是數據傳輸的可靠性可能降低。選擇合適的波特率需要權衡通信速度和可靠性之間的平衡。常見的串行通信協議UART通用異步接收/發(fā)送器，應用廣泛。SPI同步串行外設接口，數據傳輸速度快。I2C雙線串行總線，適用于通信距離短、數據量小的場合。CAN控制器局域網絡，用于工業(yè)自動化領域。UART協議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議。22.異步數據傳輸數據傳輸不需要同步時鐘，發(fā)送方和接收方可以以不同的速度運行。33.簡單易用UART協議結構簡單，易于實現，并且廣泛應用于各種微控制器。44.應用廣泛UART協議被廣泛應用于各種應用場景，如人機交互、數據采集等。UART通信原理1數據封裝將數據轉換為串行數據流2串行傳輸通過單根數據線傳輸數據3數據接收接收串行數據流并還原數據4數據解析解析數據幀，提取有效數據UART通信通過將數據轉換為串行數據流，再通過單根數據線傳輸數據，接收端再還原數據，最終解析數據幀提取有效數據。UART通信幀格式起始位每個UART幀以一個邏輯低電平的起始位開始，用于標識數據傳輸的開始。數據位緊隨起始位的是數據位，通常為5、6、7或8位，表示要傳輸的數據信息。奇偶校驗位可選的奇偶校驗位用于檢測數據傳輸過程中的錯誤，確保數據完整性。停止位幀的最后以一個或多個邏輯高電平的停止位結束，表示數據傳輸的結束。UART通信編程實例1配置串口設置波特率、數據位、奇偶校驗、停止位等參數。2發(fā)送數據使用UART發(fā)送函數將數據發(fā)送到串口。3接收數據使用UART接收函數從串口讀取數據。4處理數據根據接收到的數據執(zhí)行相應的操作。UART通信編程實例通常涉及配置串口參數、發(fā)送數據和接收數據等操作。在實際應用中，還需要考慮數據處理、錯誤處理等問題，以確保通信的可靠性和穩(wěn)定性。SPI協議定義SPI(SerialPeripheralInterface)是一種同步串行通信協議，用于微處理器和外圍設備之間的數據傳輸。特點SPI協議使用四線通信，分別為時鐘信號(SCK)、數據輸入(MISO)、數據輸出(MOSI)和片選信號(CS)。SPI通信原理1串行外設接口SPI(SerialPeripheralInterface)是同步串行通信接口，廣泛應用于單片機與外設之間的數據傳輸。2數據傳輸SPI通信采用主從模式，主設備控制時鐘和數據傳輸方向，從設備被動接收指令并進行數據交換。3通信協議SPI使用四條信號線進行通信，包括時鐘信號(SCK)、數據輸入信號(MOSI)、數據輸出信號(MISO)和片選信號(CS)。SPI通信特點與應用高速數據傳輸SPI協議支持高達數十兆赫茲的傳輸速度，適用于高性能應用場景。簡單易用SPI協議擁有簡潔的通信協議和簡單的硬件接口，易于實現和使用。廣泛應用SPI廣泛應用于各種電子設備中，例如傳感器、存儲設備、顯示器、音頻設備等。SPI通信編程實例1示例一：數據傳輸使用SPI協議，將單片機上的數據傳輸到外部設備，例如傳感器或存儲器。2示例二：控制外設通過SPI協議控制外部設備，例如LCD顯示屏、EEPROM或DAC轉換器。3示例三：多機通信在多個單片機之間建立SPI通信，實現數據交換或協同工作。I2C協議雙線通信I2C協議僅使用兩根數據線：SDA和SCL，用于數據傳輸和時鐘同步。多主機多個主機設備可以連接到同一個I2C總線，實現多個設備之間的數據交換。多從機一個I2C總線上可以連接多個從機設備，每個從機都有唯一的地址，用于識別。低速I2C協議的傳輸速率通常較低，適用于對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，一根數據線（SDA）和一根時鐘線（SCL）。主從模式I2C總線上存在一個主設備和一個或多個從設備。主設備發(fā)起通信主設備通過發(fā)送起始信號，選擇從設備，并進行讀寫操作。同步時鐘信號主設備控制時鐘線，所有設備同步數據傳輸。地址碼識別每個從設備都有一個唯一的地址碼，用于主設備識別和訪問。I2C通信幀格式起始條件SCL為高電平，SDA為低電平，表示開始傳輸數據。地址字節(jié)發(fā)送器發(fā)送一個7位的地址字節(jié)，其中最高位表示讀寫方向。SDA在每個時鐘脈沖的下降沿發(fā)生數據變化。讀/寫字節(jié)發(fā)送器發(fā)送數據字節(jié)，接收器接收數據字節(jié)，SDA在每個時鐘脈沖的下降沿發(fā)生數據變化。應答位接收器在每個數據字節(jié)傳輸后發(fā)送一個應答位，表示數據接收成功。SDA在每個時鐘脈沖的下降沿發(fā)生數據變化。I2C通信編程實例1初始化配置I2C模塊，設置I2C地址和通信速度2發(fā)送數據使用I2C協議發(fā)送數據到目標設備3接收數據從目標設備接收數據并進行處理4結束完成通信，釋放I2C資源可以使用C語言或匯編語言編寫I2C通信程序，需要根據具體的單片機型號和I2C器件進行調整。其他串行通信協議RS-232RS-232是一種常用的串行通信協議，廣泛應用于計算機和外設之間的數據傳輸。RS-485RS-485是一種平衡式的串行通信協議，具有抗干擾能力強、傳輸距離遠的特點。LIN總線LIN總線是一種低成本、低速的串行通信協議，主要用于汽車電子控制系統。CAN總線協議汽車電子應用CAN總線廣泛應用于汽車電子系統中，例如發(fā)動機控制、安全氣囊、防抱死系統等，確保了車輛的穩(wěn)定性和安全性。工業(yè)自動化在工業(yè)自動化領域，CAN總線用于控制電機、傳感器、執(zhí)行器等，提高生產效率和自動化程度。醫(yī)療設備CAN總線應用于醫(yī)療設備，例如醫(yī)療儀器、手術機器人等，提高了醫(yī)療設備的可靠性和安全性。1-Wire總線協議單線通信1-Wire協議是一種串行通信協議，只需要一條數據線即可實現雙向通信。簡單易用該協議不需要額外的地址線或控制線，簡化了硬件設計，易于實現。應用廣泛1-Wire協議被廣泛應用于溫度傳感器、壓力傳感器、EEPROM等各種應用中。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據線同時傳輸數據，速度快，但成本高，線纜復雜。串行通信串行通信使用一條數據線逐位傳輸數據，速度慢，但成本低，線纜簡單。應用場景并行通信常用于高速數據傳輸，如內存與CPU之間的通信；串行通信常用于低速數據傳輸，如單片機與外設之間的通信。串行通信在單