《串行通信》課件

串行通信概述串行通信是一種常見的數(shù)據(jù)傳輸方式,通過一條信號線依次傳輸每一位數(shù)據(jù)。這種簡單高效的通信方式被廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備和計算機系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。什么是串行通信數(shù)據(jù)傳輸方式串行通信是指數(shù)據(jù)傳輸過程中，一次只發(fā)送一個比特的數(shù)據(jù)信號。這種方式允許數(shù)據(jù)通過一條單獨的線路逐個比特地傳輸。應(yīng)用場景串行通信在計算機系統(tǒng)、微控制器、傳感器和其他電子設(shè)備之間廣泛應(yīng)用。它提供了一種簡單、可靠和節(jié)省資源的通信方式。串行通信的特點連續(xù)傳輸串行通信采用一位接一位的順序傳輸數(shù)據(jù),相比并行通信,減少了線路需求。時序依賴在串行通信中,發(fā)送方與接收方的時鐘必須準確同步,保證正確解析數(shù)據(jù)。單工/半雙工串行通信通常采用簡單的單向或半雙工傳輸方式,降低了硬件復雜度。成本低廉由于線路需求少,串行通信相比并行通信具有更低的硬件成本。串行通信的工作流程數(shù)據(jù)獲取從傳感器或其他信源獲取待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號。數(shù)據(jù)編碼將數(shù)據(jù)信號編碼為數(shù)字比特流,以符合串行通信規(guī)范。數(shù)據(jù)傳輸通過單根信號線將編碼后的數(shù)字比特流逐個發(fā)送至接收端。數(shù)據(jù)解碼接收端將接收到的比特流解碼還原為原始數(shù)據(jù)信號。同步串行通信數(shù)據(jù)同步同步串行通信要求發(fā)送方和接收方的時鐘頻率保持一致,并通過額外的同步信號來維持時鐘同步。定義數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)采用固定長度的數(shù)據(jù)幀傳輸,每個數(shù)據(jù)幀包含起始位、數(shù)據(jù)位和停止位等。數(shù)據(jù)處理效率由于帶有額外的同步信號和幀結(jié)構(gòu),同步串行通信的數(shù)據(jù)傳輸效率略低于異步方式。異步串行通信自同步異步通信不需要主從設(shè)備之間的同步時鐘信號,而是通過數(shù)據(jù)本身攜帶的開始和停止位來確定數(shù)據(jù)幀的邊界。靈活性強異步通信不受傳輸速率和字長的限制,可以自由選擇合適的參數(shù),適應(yīng)不同應(yīng)用場景的需求。無需復雜硬件異步通信的硬件電路相對簡單,僅需要基本的UART模塊即可,無需額外的同步電路。延遲敏感由于沒有同步機制,異步通信對時延和抖動較為敏感,需要仔細設(shè)計硬件和軟件。同步和異步通信的區(qū)別時序同步同步通信中，發(fā)送端和接收端必須通過額外的時鐘線或編碼信號保持嚴格的時間同步，確保數(shù)據(jù)能按時正確傳輸。無需時序同步異步通信中，發(fā)送端和接收端無需共享時鐘信號，而是在數(shù)據(jù)幀內(nèi)包含起始位和停止位，讓接收端自行檢測和解析數(shù)據(jù)。通信效率不同同步通信效率較高，但需要額外的硬件支持。異步通信效率略低，但更加靈活簡單。兩種方式各有優(yōu)缺點。串行通信接口設(shè)計硬件設(shè)計串行通信接口的硬件設(shè)計需要考慮時鐘源、接收緩存、發(fā)送緩存等關(guān)鍵部件。此外,還要注意電平轉(zhuǎn)換、防止失真的信號調(diào)理電路,以及電磁兼容性的問題。軟件設(shè)計軟件層面上,需要實現(xiàn)串口的初始化、數(shù)據(jù)的收發(fā)控制、錯誤處理等功能。同時還需要考慮數(shù)據(jù)幀的格式、波特率的設(shè)置、以及數(shù)據(jù)流控制等問題。協(xié)議選擇根據(jù)通信需求的特點,如數(shù)據(jù)量大小、傳輸速率要求、同步異步需求等,選擇合適的串行通信協(xié)議,如RS-232、RS-485、SPI、I2C等。系統(tǒng)集成將串行通信接口集成到整體系統(tǒng)中,需要考慮與其他模塊的配合、系統(tǒng)性能和可靠性。同時還要進行充分的測試驗證。常見串行通信協(xié)議RS-232協(xié)議RS-232是業(yè)界廣泛應(yīng)用的異步串行通信協(xié)議,用于短距離端到端通信,廣泛應(yīng)用于計算機外圍設(shè)備連接。RS-485協(xié)議RS-485是一種多點總線型串行通信協(xié)議,支持多主多從拓撲,適用于工業(yè)現(xiàn)場總線和高噪音環(huán)境。SPI協(xié)議SPI是一種同步串行通信協(xié)議,采用主從結(jié)構(gòu),常用于微控制器與外圍設(shè)備之間的通信。I2C協(xié)議I2C是一種雙向兩線串行通信總線協(xié)議,支持多主多從拓撲,廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)部通信。RS-232協(xié)議RS-232是一種廣泛應(yīng)用的串行通信協(xié)議,主要用于短距離的點對點數(shù)據(jù)傳輸。它定義了信號電壓電平、接口和線纜規(guī)格、數(shù)據(jù)格式等通信標準,廣泛應(yīng)用于計算機、工業(yè)控制等領(lǐng)域。RS-232通過異步串行通信方式進行數(shù)據(jù)傳輸,可靠性和速度較高,在簡單場景下應(yīng)用廣泛。但由于電壓電平要求較高,傳輸距離受限,逐漸被新型協(xié)議如RS-485和UART取代。RS-232物理層規(guī)范電壓電平RS-232規(guī)定了+3到+15V表示邏輯0，-3到-15V表示邏輯1。信號波形信號采用非對稱雙極性編碼，且具有較快的電壓躍變。接口連接使用9或25芯D型連接器以串行方式將設(shè)備互連。通信線纜通常使用雙絞線纜實現(xiàn)有線傳輸，傳輸距離最長可達15米。RS-232數(shù)據(jù)幀格式1數(shù)據(jù)長度RS-232數(shù)據(jù)幀通常由1個起始位、5-8個數(shù)據(jù)位、1個停止位和可選的奇偶校驗位組成。2起始位和停止位起始位用于指示數(shù)據(jù)幀的開始,停止位用于指示數(shù)據(jù)幀的結(jié)束。3奇偶校驗位奇偶校驗位可用于檢測數(shù)據(jù)幀中的傳輸錯誤,增加通信的可靠性。4波特率RS-232數(shù)據(jù)幀以固定的波特率傳輸,通常范圍為300-115200bps。RS-232傳輸特性波特率RS-232支持多種不同波特率，從110bps到115.2Kbps不等。用戶可根據(jù)實際需求選擇合適的傳輸波特率。傳輸距離RS-232最大傳輸距離為15米。如果需要更遠距離的傳輸，則需要采用信號放大器或使用其他接口如RS-485。信號極性RS-232使用正負電壓作為信號。邏輯"1"對應(yīng)-3V到-15V之間的電壓，邏輯"0"對應(yīng)+3V到+15V之間的電壓。數(shù)據(jù)幀格式RS-232數(shù)據(jù)幀由起始位、數(shù)據(jù)位、校驗位和停止位組成。用戶可根據(jù)實際需求配置不同的幀格式。RS-232接口電路RS-232接口電路主要包括以下幾個部分:發(fā)送端驅(qū)動電路接收端緩沖放大電路電平轉(zhuǎn)換電路信號控制電路這些電路模塊通過特定的硬件連接和控制邏輯實現(xiàn)RS-232串行通信數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。RS-485協(xié)議RS-485是一種基于差分信號的多點通信協(xié)議，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、樓宇自控等領(lǐng)域。它支持多臺設(shè)備以總線拓撲連接，最多可連接32臺設(shè)備，傳輸距離可達1200米。RS-485采用雙絞線進行半雙工通信，在噪音環(huán)境下具有良好的抗干擾能力。通信采用異步串行方式，支持全雙工和半雙工兩種通信模式。RS-485物理層規(guī)范信號線RS-485使用兩條信號線傳輸數(shù)據(jù),一條為差分信號正線(D+),另一條為差分信號負線(D-)。屏蔽為了防止外部電磁干擾,RS-485通常使用帶有屏蔽的雙絞線電纜?？偩€拓撲RS-485采用多點總線拓撲結(jié)構(gòu),最多可連接32個設(shè)備,通信距離可達1200米。RS-485數(shù)據(jù)幀格式1開始位每個數(shù)據(jù)幀都以一個起始位來標識幀的開始。2數(shù)據(jù)位數(shù)據(jù)幀通常包含7位或8位的有效數(shù)據(jù)。3校驗位為提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?數(shù)據(jù)幀末尾會加入校驗位。4停止位數(shù)據(jù)幀的最后一位是停止位,用于標識一個幀的結(jié)束。RS-485傳輸特性10M最大速率最高可達10Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率1.2K最大距離最大傳輸距離可達1.2km32設(shè)備數(shù)量最多可掛接32個設(shè)備設(shè)備RS-485是一種差分信號傳輸協(xié)議,具有高抗干擾性,可靠性強。采用半雙工通信模式,允許多臺設(shè)備掛載在同一總線上進行通信。RS-485具有較高的傳輸速率和距離,廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、自動化系統(tǒng)等領(lǐng)域。RS-485接口電路RS-485接口電路利用差分傳輸技術(shù),可以實現(xiàn)遠距離、高抗干擾的數(shù)據(jù)通信。它采用雙絞線結(jié)構(gòu),在高噪聲環(huán)境下性能出色,廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、樓宇控制等領(lǐng)域。RS-485電路主要包括收發(fā)器芯片、終端電阻等,通過合理設(shè)計可實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸。同時,RS-485還支持多點通信,可構(gòu)建高效的分布式控制系統(tǒng)。SPI協(xié)議SPI簡介SPI(SerialPeripheralInterface)是一種同步串行通信協(xié)議,采用主從設(shè)備結(jié)構(gòu),通過4根線纜實現(xiàn)全雙工通信。廣泛應(yīng)用于嵌入式設(shè)備、IC集成電路等領(lǐng)域。SPI特點SPI通信高速可靠,無需復雜的協(xié)議,硬件實現(xiàn)簡單。但只能支持點對點通信,不能廣播,只能在主從模式下工作。SPI物理層規(guī)范同步時鐘SPI采用主從模式,主設(shè)備提供同步時鐘信號,從設(shè)備根據(jù)時鐘信號進行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)線SPI使用兩根雙向數(shù)據(jù)線,一根用于主設(shè)備向從設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù),另一根用于從設(shè)備向主設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。片選信號每個從設(shè)備有一個獨立的片選信號線,主設(shè)備通過此線選擇與之通信的從設(shè)備。SPI數(shù)據(jù)幀格式FramingSPI數(shù)據(jù)幀由多個字節(jié)組成,包括起始、數(shù)據(jù)和停止位。每次傳輸都由主設(shè)備控制。時序規(guī)則SPI遵循嚴格的時序要求,如時鐘沿、數(shù)據(jù)有效邊緣等,確保各設(shè)備能正確讀寫數(shù)據(jù)。主從機制SPI通信中,主設(shè)備控制時鐘,從設(shè)備根據(jù)時鐘在合適的時間采樣數(shù)據(jù)。SPI傳輸特性SPI總線擁有靈活的時鐘極性、相位和傳輸模式等特性,可根據(jù)設(shè)備的具體需求進行配置,以適應(yīng)不同的通信場景。SPI接口電路SPI（串行外設(shè)接口）是一種同步串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，采用主從結(jié)構(gòu),使用4根信號線進行雙向通信。其接口電路包括時鐘信號線SCLK、數(shù)據(jù)輸入線MISO、數(shù)據(jù)輸出線MOSI以及片選信號CS,可實現(xiàn)簡單高效的數(shù)據(jù)傳輸。SPI接口電路設(shè)計要注意時鐘頻率、傳輸時序、電平切換和總線爭用等問題,以確?？煽糠€(wěn)定的數(shù)據(jù)交換。I2C協(xié)議I2C物理層規(guī)范I2C總線采用雙線式雙向通信,一根數(shù)據(jù)線SDA和一根時鐘線SCL,支持多主設(shè)備和多從設(shè)備并行連接。I2C數(shù)據(jù)幀格式I2C幀由起始位、從地址、讀/寫位、數(shù)據(jù)位和停止位組成,實現(xiàn)單主機對多從機的尋址通信。I2C傳輸特性I2C總線支持多主從設(shè)備并行通信,并提供時鐘同步和仲裁機制,確?？偩€使用的公平性。I2C物理層規(guī)范電氣規(guī)范I2C接口使用開集電路拓撲,多設(shè)備可并聯(lián)連接在總線上?？偩€上需有上拉電阻,以確保信號完整性。器件可以是標準驅(qū)動或強驅(qū)動類型。時序規(guī)范時鐘線(SCL)由主設(shè)備產(chǎn)生,從設(shè)備同步數(shù)據(jù)線(SDA)操作。數(shù)據(jù)必須在時鐘沿變化時保持穩(wěn)定,以確保正確采樣。引腳定義SDA為雙向數(shù)據(jù)線,SCL為單向時鐘線。此外還有一些可選信號,如RESE信號用于復位總線。連接規(guī)范總線上的每個設(shè)備將SDA和SCL引腳并聯(lián)連接。拓撲為串行總線,可支持多主設(shè)備和多從設(shè)備。I2C數(shù)據(jù)幀格式1起始信號I2C通信由主機發(fā)起,首先產(chǎn)生一個起始信號來引導后續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸。2從機地址主機在總線上發(fā)送7位從機地址,通知從機進行響應(yīng)。3讀/寫位主機在從機地址后添加1位讀/寫標志位,指定通信方向。4數(shù)據(jù)傳輸主機或從機在地址確認后開始傳輸8位數(shù)據(jù),可能有多個字節(jié)。I2C傳輸特性傳輸模式同時雙向總線通信通信速率標準模式：100kbps，快速模式：400kbps總線容量400pF地址長度7位或10位數(shù)據(jù)長度每次傳輸1-255字節(jié)I2C總線具有同時雙向通信、多主從控制、靈活的地址空間和高度的兼容性的特點。它能支持從低速到高速的多種通信速率,滿足不同應(yīng)用場景的需求。I2C接口電路集成電路接口I2C總線采用開漏輸出和上拉電阻的方式來實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸,具有簡單可靠的特點。主從設(shè)備