《串行通信及其接口》課件

串行通信及其接口串行通信是一種數(shù)據(jù)傳輸方式，數(shù)據(jù)一位一位地依次傳輸，用于將數(shù)據(jù)從一個(gè)設(shè)備傳輸?shù)搅硪粋€(gè)設(shè)備。串行通信接口是串行通信系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵部分，它定義了數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢砗瓦壿嬏匦?。什么是串行通信逐位傳輸串行通信是指?shù)據(jù)以一位一位的形式依次傳輸，如同穿過隧道般，一次只能通過一個(gè)數(shù)據(jù)位。單線傳輸數(shù)據(jù)通過一根線或多根線進(jìn)行傳輸，每根線負(fù)責(zé)傳輸特定的數(shù)據(jù)位。同步傳輸數(shù)據(jù)通過時(shí)鐘信號(hào)同步傳輸，確保發(fā)送方和接收方對(duì)數(shù)據(jù)位的時(shí)間節(jié)點(diǎn)保持一致。串行通信的發(fā)展歷程早期發(fā)展串行通信起源于電報(bào)時(shí)代，使用簡單的信號(hào)編碼傳輸信息。早期串行通信標(biāo)準(zhǔn)主要用于數(shù)據(jù)傳輸，如點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。標(biāo)準(zhǔn)化階段隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，串行通信標(biāo)準(zhǔn)逐步規(guī)范化，出現(xiàn)了RS-232、RS-485等標(biāo)準(zhǔn)，為不同設(shè)備之間的通信提供了統(tǒng)一規(guī)范。高速發(fā)展現(xiàn)代串行通信標(biāo)準(zhǔn)不斷演進(jìn)，如USB、I2C等，支持更高的傳輸速度和更強(qiáng)大的功能，廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備和系統(tǒng)中。未來展望未來串行通信將朝著更高速、更智能、更可靠的方向發(fā)展，滿足日益增長的數(shù)據(jù)傳輸需求。串行通信的基本原理數(shù)據(jù)傳輸方式串行通信每次只傳輸一位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)一位一位地依次發(fā)送。數(shù)據(jù)傳輸以時(shí)間為單位，而不是空間，需要一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)同步發(fā)送和接收。數(shù)據(jù)傳輸方向串行通信可以是單向的，也可以是雙向的。單向通信只允許數(shù)據(jù)在一個(gè)方向上流動(dòng)。雙向通信允許數(shù)據(jù)在兩個(gè)方向上同時(shí)流動(dòng)，需要使用不同的數(shù)據(jù)線。常見的串行通信標(biāo)準(zhǔn)1RS-232RS-232是一種常用的串行通信標(biāo)準(zhǔn)，用于連接計(jì)算機(jī)和其他外圍設(shè)備，例如打印機(jī)、鼠標(biāo)和調(diào)制解調(diào)器。2RS-485RS-485是另一種常用的串行通信標(biāo)準(zhǔn)，適用于工業(yè)環(huán)境，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)通信和長距離傳輸。3USBUSB是一種高速串行通信標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)和外設(shè)之間的連接，例如鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)、掃描儀、移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備等。4I2CI2C是一種雙線串行通信協(xié)議，用于連接多個(gè)外設(shè)，例如傳感器、存儲(chǔ)器和顯示器。RS-232標(biāo)準(zhǔn)介紹RS-232標(biāo)準(zhǔn)是電子工業(yè)聯(lián)盟（EIA）制定的串行通信標(biāo)準(zhǔn)之一，于1960年首次發(fā)布，用于連接計(jì)算機(jī)和其他外圍設(shè)備，如調(diào)制解調(diào)器、打印機(jī)和終端。RS-232是一種異步串行通信標(biāo)準(zhǔn)，它定義了信號(hào)電平、傳輸速率、數(shù)據(jù)格式和控制信號(hào)等參數(shù)。RS-232標(biāo)準(zhǔn)定義了兩種數(shù)據(jù)傳輸模式：同步模式和異步模式。同步模式要求發(fā)送器和接收器使用相同的時(shí)鐘信號(hào)，以確保數(shù)據(jù)同步。異步模式則通過起始位和停止位來識(shí)別數(shù)據(jù)幀的開始和結(jié)束，發(fā)送器和接收器可以具有不同的時(shí)鐘信號(hào)。RS-232接口的物理層接口連接器RS-232接口通常使用DB-9或DB-25連接器，分別有9個(gè)或25個(gè)引腳。信號(hào)電纜RS-232接口使用雙絞線或同軸電纜進(jìn)行信號(hào)傳輸，連接器上有接地線。信號(hào)電平RS-232接口采用非平衡傳輸，信號(hào)電平為±12V到±15V，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。RS-232接口的信號(hào)電纜標(biāo)準(zhǔn)連接器RS-232接口通常使用DB-9或DB-25連接器，它們是具有多個(gè)引腳的標(biāo)準(zhǔn)連接器，用于連接信號(hào)電纜。信號(hào)線信號(hào)線包含用于數(shù)據(jù)傳輸、控制信號(hào)和地線等功能的引線，它們根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的引腳定義連接到連接器上。屏蔽層為了減少電磁干擾，信號(hào)電纜通常包含一個(gè)屏蔽層，它可以是一個(gè)金屬編織層或金屬箔，以防止外部電磁場的影響。外層絕緣信號(hào)電纜的外部包裹著一層絕緣層，以保護(hù)內(nèi)部導(dǎo)線并防止短路或漏電。RS-232接口的信號(hào)電平RS-232接口使用非對(duì)稱電平，發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)為負(fù)電壓，接收數(shù)據(jù)信號(hào)為正電壓。發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)的電壓范圍為-3V至-15V，接收數(shù)據(jù)信號(hào)的電壓范圍為+3V至+15V。RS-232接口采用差分信號(hào)傳輸，傳輸信號(hào)為兩個(gè)信號(hào)之間的電壓差。這種傳輸方式可以有效地抑制外界噪聲干擾，提高信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?。RS-232接口的連接方式1DB-9接口DB-9接口是RS-232接口的早期標(biāo)準(zhǔn)，使用9針插頭，常見于舊款設(shè)備。2DB-25接口DB-25接口是RS-232接口的標(biāo)準(zhǔn)形式，使用25針插頭，提供更多信號(hào)線。3連接方式RS-232接口采用串聯(lián)方式，多個(gè)設(shè)備可以通過一條信號(hào)線進(jìn)行連接。RS-232接口的通信參數(shù)波特率波特率是指數(shù)據(jù)傳輸速率。RS-232標(biāo)準(zhǔn)支持多種波特率，常用的有9600bps、19200bps、115200bps等。數(shù)據(jù)位數(shù)據(jù)位是指每個(gè)字符中包含的數(shù)據(jù)比特?cái)?shù)。RS-232標(biāo)準(zhǔn)通常使用8位數(shù)據(jù)位，表示一個(gè)字節(jié)。停止位停止位是指在每個(gè)字符數(shù)據(jù)之后發(fā)送的停止信號(hào)。RS-232標(biāo)準(zhǔn)通常使用1位或2位停止位，用于標(biāo)識(shí)字符的結(jié)束。奇偶校驗(yàn)奇偶校驗(yàn)用于檢測數(shù)據(jù)傳輸過程中的錯(cuò)誤。RS-232標(biāo)準(zhǔn)可以使用奇校驗(yàn)、偶校驗(yàn)或無校驗(yàn)。RS-232接口的收發(fā)器電路RS-232接口的收發(fā)器電路是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵，通常集成在通信芯片或單獨(dú)的收發(fā)器芯片中。收發(fā)器電路的主要功能是將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-232電平，反之亦然，以確保不同設(shè)備之間的數(shù)據(jù)能夠正常傳輸。RS-232收發(fā)器電路通常包含一個(gè)發(fā)送器和一個(gè)接收器。發(fā)送器將TTL電平的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS-232電平的信號(hào)，并將其發(fā)送出去。接收器接收來自外部的RS-232電平的信號(hào)，并將它們轉(zhuǎn)換為TTL電平的信號(hào)，供微處理器處理。RS-485標(biāo)準(zhǔn)介紹RS-485是一種常用的工業(yè)現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。它是一種平衡傳輸系統(tǒng)，具有高抗干擾能力，可用于工業(yè)環(huán)境中惡劣的電磁干擾環(huán)境。RS-485標(biāo)準(zhǔn)支持多點(diǎn)通信，即一條總線上可連接多個(gè)設(shè)備，每個(gè)設(shè)備都有唯一的地址。這使得它在工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集、樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。RS-485接口的總線結(jié)構(gòu)1總線型RS-485接口采用總線型結(jié)構(gòu)，多個(gè)設(shè)備共用同一對(duì)傳輸線。2多點(diǎn)通信允許多個(gè)設(shè)備連接到同一總線上，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信。3差分信號(hào)采用差分信號(hào)傳輸，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，適合長距離傳輸。4半雙工RS-485接口為半雙工通信，同一時(shí)間只能有一個(gè)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。RS-485接口的傳輸特點(diǎn)多點(diǎn)通信RS-485接口支持多點(diǎn)通信，多個(gè)設(shè)備可以連接到同一個(gè)總線上。差分信號(hào)傳輸RS-485接口使用差分信號(hào)傳輸，提高了抗干擾能力。長距離傳輸RS-485接口能夠?qū)崿F(xiàn)較長的傳輸距離，適合工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用。高速傳輸RS-485接口支持較高的傳輸速率，能夠滿足工業(yè)自動(dòng)化需求。RS-485接口的收發(fā)器電路RS-485接口通常使用專門的收發(fā)器芯片來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，收發(fā)器芯片通常包含差分接收器和差分發(fā)送器兩部分。RS-485收發(fā)器芯片負(fù)責(zé)將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)進(jìn)行發(fā)送，接收時(shí)再將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)進(jìn)行處理。USB標(biāo)準(zhǔn)介紹USB接口類型USB接口擁有多種類型，例如Type-A、Type-B、Type-C等，滿足不同設(shè)備的連接需求。USB數(shù)據(jù)傳輸U(kuò)SB接口使用串行通信方式，支持高速數(shù)據(jù)傳輸，并能同時(shí)為連接設(shè)備供電。廣泛的應(yīng)用USB接口已成為連接各種設(shè)備的通用標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用于電腦、手機(jī)、平板電腦、外設(shè)等多個(gè)領(lǐng)域。USB接口的物理層連接器USB接口使用標(biāo)準(zhǔn)化的連接器，包括Type-A、Type-B、Type-C等。信號(hào)線USB接口包含數(shù)據(jù)線、電源線、地線等，用于傳輸數(shù)據(jù)和供電?？偩€結(jié)構(gòu)USB接口采用總線結(jié)構(gòu)，允許多個(gè)設(shè)備連接到同一個(gè)USB控制器。USB接口的軟件層驅(qū)動(dòng)程序驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)管理USB設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。通信協(xié)議USB協(xié)議定義了數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?guī)則，確保不同設(shè)備間通信兼容?？偩€管理器總線管理器負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)不同設(shè)備之間的通信，并管理USB總線的資源分配。USB接口的傳輸特點(diǎn)高速傳輸U(kuò)SB接口擁有高速數(shù)據(jù)傳輸能力，可以滿足現(xiàn)代設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度的要求。熱插拔USB接口支持熱插拔，可以在設(shè)備工作時(shí)插入或拔出，無需重啟系統(tǒng)。靈活連接USB接口可以連接多種外設(shè)，例如鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)、掃描儀等。通用性強(qiáng)USB接口已經(jīng)成為各種計(jì)算機(jī)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)接口，擁有廣泛的兼容性。USB接口的供電模式1USB供電USB接口可以為連接的設(shè)備供電，方便用戶使用。2兩種供電模式USB接口有兩種供電模式：低電壓和高電壓。3電壓范圍低電壓模式提供5V電壓，高電壓模式提供12V電壓。4靈活選擇用戶可以根據(jù)設(shè)備的需求選擇合適的供電模式。USB接口的應(yīng)用案例USB接口在現(xiàn)代電子設(shè)備中廣泛應(yīng)用，從個(gè)人電腦到智能手機(jī)，再到各種外設(shè)和傳感器，USB接口都扮演著重要的角色。常見的應(yīng)用案例包括：連接鼠標(biāo)、鍵盤、打印機(jī)、掃描儀、硬盤、U盤、手機(jī)充電器、音頻設(shè)備、攝像頭等。USB接口的普及使得數(shù)據(jù)傳輸和設(shè)備連接變得更加方便快捷，它已經(jīng)成為當(dāng)今電子設(shè)備中不可或缺的一部分。TTL串行接口介紹TTL串行接口是一種常用的串行通信接口，主要用于短距離數(shù)據(jù)傳輸。TTL信號(hào)使用5V電壓表示邏輯高電平，0V電壓表示邏輯低電平。TTL串行接口通常用于連接微處理器、微控制器、傳感器和執(zhí)行器等設(shè)備。TTL串行接口的工作原理簡單易懂，數(shù)據(jù)傳輸速度較快。它在嵌入式系統(tǒng)、工業(yè)控制和數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。同時(shí)，由于其信號(hào)電平較低，抗干擾能力較弱，通常適用于短距離傳輸。TTL串行接口的特點(diǎn)簡單易用TTL串行接口使用簡單的邏輯電平，無需復(fù)雜的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，易于實(shí)現(xiàn)。TTL串行接口的信號(hào)傳輸距離較短，適用于近距離通信應(yīng)用。成本低廉TTL串行接口采用低成本的邏輯器件，價(jià)格低廉。TTL串行接口的應(yīng)用廣泛，在各種嵌入式系統(tǒng)中被廣泛使用。速度較快TTL串行接口的傳輸速度較快，可以滿足高速數(shù)據(jù)傳輸需求。TTL串行接口的信號(hào)抗干擾能力較弱，容易受到外部環(huán)境的影響。I2C標(biāo)準(zhǔn)介紹I2C是一種雙向串行通信協(xié)議。它是一種半雙工協(xié)議，這意味著數(shù)據(jù)只能在一個(gè)方向上傳輸，數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蛉Q于通信雙方。I2C總線最多可以連接1024個(gè)設(shè)備，每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)唯一的地址，這使它非常適合多設(shè)備通信應(yīng)用。I2C總線采用開漏輸出，這意味著數(shù)據(jù)傳輸時(shí)需要一個(gè)上拉電阻來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?。I2C總線的工作原理1起始條件主機(jī)發(fā)出起始信號(hào)，開始傳輸數(shù)據(jù)。2地址識(shí)別主機(jī)發(fā)送目標(biāo)設(shè)備的7位地址。3數(shù)據(jù)傳輸主機(jī)或從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，每次8位。4停止條件主機(jī)發(fā)出停止信號(hào)，結(jié)束傳輸。I2C總線采用同步串行通信方式。主機(jī)負(fù)責(zé)控制數(shù)據(jù)傳輸，并發(fā)出起始和停止信號(hào)，從機(jī)根據(jù)接收到的地址信息識(shí)別并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。I2C總線的傳輸特點(diǎn)雙向傳輸I2C總線是雙向的，這意味著數(shù)據(jù)可以同時(shí)在兩個(gè)方向上進(jìn)行傳輸。低速傳輸I2C總線通常用于低速通信，最大傳輸速率為400kbps。同步通信I2C總線采用同步通信方式，主控器發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)，從機(jī)根據(jù)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。多主控模式I2C總線支持多主控模式，多個(gè)主控器可以同時(shí)訪問同一個(gè)從機(jī)。串行通信的典型應(yīng)用場景工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)串行通信用于連接和控制傳感器、執(zhí)行器和其他設(shè)備，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)流程。通信設(shè)備串行通信廣泛應(yīng)用于各種通信設(shè)備中，例如調(diào)制解調(diào)器、路由器和交換機(jī)。電子消費(fèi)產(chǎn)品串行通信用于連接和控制電子消費(fèi)產(chǎn)品中的各個(gè)組件，例如鍵盤、鼠標(biāo)和打印機(jī)。醫(yī)療設(shè)備串行通信用于連接和控制醫(yī)療設(shè)備，例如心電圖機(jī)、血壓計(jì)和呼吸機(jī)。串行通信技術(shù)的未來發(fā)展更高的速度隨著技術(shù)的進(jìn)步