【大學(xué)課件】單片機(jī)原理與接口技術(shù)課件 單片機(jī)系統(tǒng)常用串行擴(kuò)展技術(shù)

單片機(jī)系統(tǒng)常用串行擴(kuò)展技術(shù)單片機(jī)系統(tǒng)常用串行擴(kuò)展技術(shù)是將多個(gè)單片機(jī)通過串行接口連接起來，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和系統(tǒng)擴(kuò)展的功能。串行擴(kuò)展技術(shù)可以有效降低系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)可靠性，并簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。課程內(nèi)容簡介單片機(jī)系統(tǒng)基本概念介紹單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和常用的開發(fā)工具，以及如何進(jìn)行單片機(jī)程序的編寫和調(diào)試。單片機(jī)常用外圍接口深入講解單片機(jī)常用的外圍接口，包括串行通信、并行通信、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)、模擬量輸入/輸出等。串行擴(kuò)展技術(shù)重點(diǎn)介紹單片機(jī)系統(tǒng)常用的串行擴(kuò)展技術(shù)，包括UART、SPI、I2C等協(xié)議，以及它們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中的應(yīng)用。單片機(jī)應(yīng)用實(shí)例通過具體的應(yīng)用實(shí)例，例如智能家居、工業(yè)控制、機(jī)器人等，展示單片機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。串行通信的重要性串行通信是一種高效且經(jīng)濟(jì)的通信方式，廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備和系統(tǒng)中。它允許不同設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、控制和信息共享等功能，在現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)中扮演著不可或缺的角色。串行通信的基本概念數(shù)據(jù)傳輸方式串行通信一次只傳輸一位數(shù)據(jù)，按順序依次發(fā)送，就像一個(gè)接一個(gè)地傳遞信息。信號(hào)線數(shù)量相比并行通信，串行通信只需要少量的信號(hào)線，節(jié)省了硬件成本和連接空間。傳輸距離串行通信信號(hào)在傳輸過程中不易衰減，可以實(shí)現(xiàn)更長的傳輸距離，尤其適合遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。應(yīng)用場(chǎng)景串行通信廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，例如計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信設(shè)備、數(shù)據(jù)采集等，為數(shù)據(jù)傳輸提供了靈活高效的解決方案。常用串行通信協(xié)議簡介通用串行總線(USB)USB是一種廣泛使用的串行總線標(biāo)準(zhǔn)，適用于連接各種外設(shè)，例如鍵盤、鼠標(biāo)和打印機(jī)。以太網(wǎng)以太網(wǎng)是一種廣泛使用的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，用于在局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)中連接設(shè)備。藍(lán)牙藍(lán)牙是一種短距離無線通信技術(shù)，常用于連接移動(dòng)設(shè)備、耳機(jī)和可穿戴設(shè)備。Wi-FiWi-Fi是一種無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，可讓設(shè)備通過無線電波連接到互聯(lián)網(wǎng)。UART串行通信協(xié)議定義UART是通用異步收發(fā)器，是一種常用的串行通信協(xié)議。數(shù)據(jù)傳輸U(kuò)ART使用異步方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，即不需要同步時(shí)鐘信號(hào)。應(yīng)用范圍UART廣泛應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)，例如單片機(jī)系統(tǒng)、傳感器接口和通信模塊。特點(diǎn)UART協(xié)議簡單，易于實(shí)現(xiàn)，并且成本低廉。UART特點(diǎn)及相關(guān)術(shù)語1異步通信UART是一種異步通信協(xié)議，不需要統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào)，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)可以通過自己的時(shí)鐘信號(hào)控制。2簡單易用UART協(xié)議相對(duì)簡單，使用簡單，不需要復(fù)雜的硬件電路，易于實(shí)現(xiàn)。3低成本UART協(xié)議在硬件實(shí)現(xiàn)上相對(duì)簡單，成本較低。4廣泛應(yīng)用UART協(xié)議廣泛應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)，如工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集、通信等領(lǐng)域。UART收發(fā)器原理分析1數(shù)據(jù)發(fā)送將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行信號(hào)2數(shù)據(jù)接收將串行信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)3數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，反之亦然4數(shù)據(jù)傳輸通過物理介質(zhì)傳輸數(shù)據(jù)，例如電纜或無線電波UART收發(fā)器是單片機(jī)系統(tǒng)中常用的串行通信接口，它通過將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行信號(hào)進(jìn)行傳輸，再將接收到的串行信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)。UART收發(fā)器的工作原理是通過數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳輸以及數(shù)據(jù)發(fā)送和接收等步驟完成數(shù)據(jù)通信的。UART通信幀格式UART通信幀格式是數(shù)據(jù)在串行通信線路上傳輸?shù)幕締卧鹗嘉?、?shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位、停止位等字段，用于保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院涂煽啃浴?起始位標(biāo)記數(shù)據(jù)幀的開始8數(shù)據(jù)位包含實(shí)際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)1奇偶校驗(yàn)位用于校驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?停止位標(biāo)記數(shù)據(jù)幀的結(jié)束這些字段的組合方式和具體含義取決于所使用的UART協(xié)議版本和通信參數(shù)設(shè)置。UART收發(fā)流程分析1發(fā)送將數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖區(qū)2校驗(yàn)進(jìn)行奇偶校驗(yàn)或CRC校驗(yàn)3串行化將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)4發(fā)送通過TX引腳發(fā)送串行數(shù)據(jù)UART發(fā)送流程包括數(shù)據(jù)寫入、校驗(yàn)、串行化和發(fā)送等步驟。數(shù)據(jù)先被寫入發(fā)送緩沖區(qū)，然后進(jìn)行校驗(yàn)，并轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)。最后，通過TX引腳將串行數(shù)據(jù)發(fā)送出去。UART接收流程包括接收、反串行化、校驗(yàn)和處理等步驟。接收到的串行數(shù)據(jù)首先被反串行化為字節(jié)數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行校驗(yàn)，最后將數(shù)據(jù)傳遞給接收緩沖區(qū)。UART收發(fā)程序設(shè)計(jì)1初始化首先，需要初始化UART模塊，包括設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)位等參數(shù)，并配置接收中斷和發(fā)送中斷。2數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，將數(shù)據(jù)寫入U(xiǎn)ART發(fā)送緩沖區(qū)，并設(shè)置發(fā)送標(biāo)志位，UART模塊會(huì)根據(jù)配置自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。3數(shù)據(jù)接收數(shù)據(jù)接收時(shí)，當(dāng)UART模塊接收到數(shù)據(jù)后，會(huì)將數(shù)據(jù)存入接收緩沖區(qū)，并觸發(fā)接收中斷，程序可以根據(jù)需要讀取接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)。4數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)接收完成后，需要對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，例如校驗(yàn)、解析等，并將處理后的數(shù)據(jù)用于其他應(yīng)用程序。UART通信應(yīng)用舉例UART通信廣泛應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)中，例如工業(yè)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備、智能家居等。例如，利用UART通信協(xié)議，可以將單片機(jī)與電腦連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和控制；還可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)之間的通信，構(gòu)建多機(jī)系統(tǒng)。SPI串行通信協(xié)議1定義一種同步串行通信協(xié)議2特點(diǎn)高數(shù)據(jù)傳輸率，簡單3應(yīng)用數(shù)據(jù)采集，存儲(chǔ)器，外設(shè)SPI協(xié)議是一種同步串行通信協(xié)議，在單片機(jī)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸率高，操作簡單。SPI特點(diǎn)及相關(guān)術(shù)語數(shù)據(jù)傳輸方式SPI是一種同步串行通信協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸過程中，雙向數(shù)據(jù)通信都需要時(shí)鐘信號(hào)的同步。通信模式SPI支持四種數(shù)據(jù)傳輸模式：主機(jī)模式、從機(jī)模式、全雙工模式和半雙工模式。數(shù)據(jù)傳輸速率SPI通信協(xié)議的傳輸速率主要取決于時(shí)鐘信號(hào)的頻率，最高可達(dá)幾十兆赫茲。通信距離SPI通信協(xié)議一般用于短距離通信，最遠(yuǎn)距離可達(dá)幾米。SPI工作原理及通信幀格式1主從模式SPI總線采用主從模式2時(shí)鐘信號(hào)主設(shè)備產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)3數(shù)據(jù)傳輸主設(shè)備控制數(shù)據(jù)傳輸4同步傳輸同步傳輸數(shù)據(jù)SPI總線是同步串行通信協(xié)議，主要用于微控制器和外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。主設(shè)備控制數(shù)據(jù)傳輸，并發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)，從設(shè)備同步接收數(shù)據(jù)。SPI收發(fā)流程分析主設(shè)備發(fā)起通信主設(shè)備發(fā)送起始信號(hào)，并選擇從設(shè)備。從設(shè)備響應(yīng)請(qǐng)求從設(shè)備接收信號(hào)后，會(huì)進(jìn)行應(yīng)答，表示已準(zhǔn)備好進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸主設(shè)備向從設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，從設(shè)備接收數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)交換。通信結(jié)束主設(shè)備發(fā)送停止信號(hào)，結(jié)束通信過程。SPI收發(fā)程序設(shè)計(jì)1初始化首先，設(shè)置SPI模塊工作模式，包括時(shí)鐘頻率、數(shù)據(jù)格式等參數(shù)。2發(fā)送數(shù)據(jù)將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入SPI發(fā)送緩沖區(qū)，等待發(fā)送。3接收數(shù)據(jù)當(dāng)SPI發(fā)送完成后，從接收緩沖區(qū)讀取接收到的數(shù)據(jù)。4數(shù)據(jù)處理對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理，例如校驗(yàn)等。SPI通信應(yīng)用舉例SPI通信是一種同步串行通信協(xié)議，廣泛應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)，例如傳感器數(shù)據(jù)采集、LCD顯示驅(qū)動(dòng)、SD卡讀寫等。使用SPI通信協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與外部器件之間的快速、可靠的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低成本。I2C串行通信協(xié)議簡介I2C是一種雙線式同步串行通信協(xié)議，廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備中，例如傳感器、內(nèi)存、顯示器等。特點(diǎn)速度較慢，通常在100kbps到400kbps之間簡單易用，僅需兩條信號(hào)線支持多個(gè)設(shè)備共享同一總線低功耗，適用于電池供電設(shè)備應(yīng)用I2C協(xié)議廣泛用于微控制器、嵌入式系統(tǒng)和各種電子設(shè)備，可用于控制和讀取傳感器、內(nèi)存、顯示器、時(shí)鐘、溫度傳感器和各種其他外圍設(shè)備。I2C特點(diǎn)及相關(guān)術(shù)語雙向通信I2C總線支持雙向數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)可以在兩個(gè)方向上進(jìn)行傳輸，方便了主控芯片與從機(jī)之間的通信。雙線制I2C協(xié)議僅使用兩條信號(hào)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，分別是時(shí)鐘線（SCL）和數(shù)據(jù)線（SDA），簡化了通信線路，節(jié)省了硬件資源。低成本I2C協(xié)議的實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡單，不需要額外的硬件電路，降低了通信模塊的成本。多設(shè)備支持通過使用不同的設(shè)備地址，I2C總線可以連接多個(gè)從機(jī)設(shè)備，方便了系統(tǒng)擴(kuò)展和功能擴(kuò)展。I2C工作原理及通信幀格式1起始條件I2C總線上的SCL和SDA信號(hào)均為高電平，然后SDA信號(hào)下降沿2設(shè)備地址發(fā)送器發(fā)送目標(biāo)器件的7位地址，最高位為R/W位，表示讀或?qū)懖僮?應(yīng)答信號(hào)目標(biāo)器件收到地址后，如果地址匹配，則在SDA線上拉高應(yīng)答信號(hào)4數(shù)據(jù)傳輸發(fā)送器發(fā)送數(shù)據(jù)，接收器接收數(shù)據(jù)，每個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，需要進(jìn)行應(yīng)答5結(jié)束條件發(fā)送器在SDA線上發(fā)送停止條件，表示數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束I2C通信是一種雙向串行通信協(xié)議，它利用兩條信號(hào)線，即數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL，通過發(fā)送數(shù)據(jù)包的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。通信幀格式包含起始條件、設(shè)備地址、應(yīng)答信號(hào)、數(shù)據(jù)傳輸和結(jié)束條件等。I2C收發(fā)流程分析1起始條件發(fā)送器拉低SDA，并保持SCL為高電平。2設(shè)備地址發(fā)送器發(fā)送7位設(shè)備地址，最后一位為R/W位。3數(shù)據(jù)傳輸發(fā)送器發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。4停止條件發(fā)送器拉高SDA，并保持SCL為高電平。I2C通信協(xié)議包含起始條件、設(shè)備地址、數(shù)據(jù)傳輸和停止條件。起始條件用于表示開始數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)備地址用于指定目標(biāo)設(shè)備，數(shù)據(jù)傳輸用于發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，停止條件用于結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸。I2C收發(fā)程序設(shè)計(jì)1I2C收發(fā)程序設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)是根據(jù)I2C協(xié)議，使用單片機(jī)編程語言實(shí)現(xiàn)I2C通信功能，包含發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)以及其他I2C操作。2程序設(shè)計(jì)步驟包括初始化I2C總線，選擇器件地址，設(shè)置數(shù)據(jù)方向，發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，最后校驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果。3常用編程語言程序可以使用C語言、匯編語言或其他單片機(jī)支持的語言進(jìn)行編寫，根據(jù)具體項(xiàng)目需求選擇最合適的語言。I2C通信應(yīng)用舉例I2C通信廣泛應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)，特別適合連接多種外圍設(shè)備，如傳感器、存儲(chǔ)器、顯示器等。例如，使用I2C通信協(xié)議，可以通過單片機(jī)控制溫度傳感器，讀取溫度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)顯示在LCD屏幕上。其他串行通信協(xié)議CAN總線CAN總線是一種用于汽車電子系統(tǒng)的高速串行通信協(xié)議。它具有高可靠性、實(shí)時(shí)性強(qiáng)和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。CAN總線廣泛應(yīng)用于汽車、工業(yè)自動(dòng)化、航空航天等領(lǐng)域。LIN總線LIN總線是一種低成本、低功耗的串行通信協(xié)議。它適用于汽車電子系統(tǒng)中的非關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳輸。LIN總線通常用于汽車空調(diào)、門窗控制、座椅控制等模塊的通信。串行通信的發(fā)展趨勢(shì)高速化數(shù)據(jù)傳輸速率不斷提高，滿足高速數(shù)據(jù)交換的需求，如高速數(shù)據(jù)采集和控制應(yīng)用。智能化串行通信協(xié)議不斷完善，支持更智能的功能，如數(shù)據(jù)加密、錯(cuò)誤檢測(cè)和糾正等。標(biāo)準(zhǔn)化不同廠家之間相互兼容，提高了應(yīng)用的便捷