《C單片機(jī)的串行口》課件

C單片機(jī)的串行口C單片機(jī)串行口是單片機(jī)與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的重要接口，它可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與其他設(shè)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(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)。課程目標(biāo)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(xué)習(xí)UART接口使用掌握UART接口的結(jié)構(gòu)、收發(fā)流程和編程方法，并能進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用開發(fā)。了解SPI和I2C接口了解SPI和I2C接口的特點(diǎn)，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(shí)傳輸多位數(shù)據(jù)。串行通信的優(yōu)點(diǎn)是傳輸線路簡單，成本低，適用于遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。它廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中，例如計(jì)算機(jī)、手機(jī)、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(jìn)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(shí)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(shí)別數(shù)據(jù)幀的起始和結(jié)束，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?。時(shí)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?zhǔn)確性。奇偶校驗(yàn)用于檢測數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。UART接口結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換為串行信號，接收器將串行信號轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)。控制邏輯負(fù)責(zé)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(zhǔn)備將要發(fā)送的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(zhuǎn)換成串行信號，并添加起始位、停止位、校驗(yàn)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(chǔ)在接收緩沖區(qū)中。4數(shù)據(jù)校驗(yàn)接收方根據(jù)校驗(yàn)位對數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，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(zhuǎn)換為原始數(shù)據(jù)，并進(jìn)行進(jìn)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(shè)。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)需要設(shè)置數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗(yàn)位等參數(shù)。接收數(shù)據(jù)編寫程序接收來自外設(shè)的串行數(shù)據(jù)。程序需要識(shí)別接收數(shù)據(jù)起始位，進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，并處理接收到的數(shù)據(jù)。中斷處理使用中斷機(jī)制來提高數(shù)據(jù)收發(fā)效率。當(dāng)UART接收或發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，觸發(fā)中斷，并在中斷服務(wù)程序中處理數(shù)據(jù)收發(fā)。軟件庫函數(shù)C單片機(jī)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(shí)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號的轉(zhuǎn)換和發(fā)送接收。單片機(jī)連接通過引腳連接到單片機(jī)的串行口，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與外部設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。連接電腦通過USB轉(zhuǎn)串口模塊或串口線連接到電腦，方便調(diào)試和數(shù)據(jù)采集。工業(yè)設(shè)備廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化，例如傳感器數(shù)據(jù)采集、控制指令發(fā)送。UART波特率設(shè)置波特率單位定義110bps每秒傳輸110個(gè)數(shù)據(jù)位300bps每秒傳輸300個(gè)數(shù)據(jù)位600bps每秒傳輸600個(gè)數(shù)據(jù)位1200bps每秒傳輸1200個(gè)數(shù)據(jù)位2400bps每秒傳輸2400個(gè)數(shù)據(jù)位4800bps每秒傳輸4800個(gè)數(shù)據(jù)位9600bps每秒傳輸9600個(gè)數(shù)據(jù)位19200bps每秒傳輸19200個(gè)數(shù)據(jù)位38400bps每秒傳輸38400個(gè)數(shù)據(jù)位57600bps每秒傳輸57600個(gè)數(shù)據(jù)位115200bps每秒傳輸115200個(gè)數(shù)據(jù)位波特率是串行通信中一個(gè)重要的參數(shù)，它決定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?。波特率越高，?shù)據(jù)傳輸越快，但同時(shí)也會(huì)增加傳輸?shù)恼`差率。選擇合適的波特率需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景進(jìn)行權(quán)衡。UART實(shí)驗(yàn)演示通過實(shí)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(shí)現(xiàn)單片機(jī)與電腦之間的交互。觀察串口助手上的數(shù)據(jù)傳輸，驗(yàn)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(yīng)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(yīng)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(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，例如汽車電子、工業(yè)自動(dòng)化等。SPI接口結(jié)構(gòu)SPI是同步串行通信協(xié)議，使用四線接口進(jìn)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(shè)備向從設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，MISO用于從設(shè)備向主設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，SCK用于同步時(shí)鐘信號，SS用于選擇從設(shè)備。SPI通信使用同步時(shí)鐘信號，保證主從設(shè)備之間的同步。主設(shè)備通過SS信號選擇不同的從設(shè)備進(jìn)行通信。SPI支持全雙工通信，主從設(shè)備可以同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。SPI傳輸過程1時(shí)鐘信號主設(shè)備發(fā)送時(shí)鐘信號2數(shù)據(jù)傳輸主設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)3數(shù)據(jù)接收從設(shè)備接收數(shù)據(jù)4應(yīng)答信號從設(shè)備發(fā)送應(yīng)答信號SPI傳輸過程以主設(shè)備為主導(dǎo)。主設(shè)備首先發(fā)送時(shí)鐘信號，同步從設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸。主設(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)傳輸后，從設(shè)備發(fā)送應(yīng)答信號，確認(rèn)數(shù)據(jù)接收成功。SPI主從通信主設(shè)備控制數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序，發(fā)送數(shù)據(jù)，并接收從設(shè)備的響應(yīng)。從設(shè)備被動(dòng)接收來自主設(shè)備的數(shù)據(jù)，并根據(jù)命令進(jìn)行操作，將結(jié)果反饋給主設(shè)備。SPI編程實(shí)踐硬件配置SPI模塊的時(shí)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(jìn)行配置。使用寄存器設(shè)置SPI模塊工作模式。數(shù)據(jù)傳輸根據(jù)具體的應(yīng)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(cuò)誤時(shí)，可以使用中斷機(jī)制進(jìn)行處理。中斷處理函數(shù)可以進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理或狀態(tài)更新。錯(cuò)誤處理在SPI通信過程中，可能會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤或時(shí)序錯(cuò)誤。編寫錯(cuò)誤處理程序以保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。SPI應(yīng)用案例SPI廣泛應(yīng)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(qū)動(dòng)、存儲(chǔ)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?yīng)用場景。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)顯示設(shè)備驅(qū)動(dòng)存儲(chǔ)器讀寫I2C接口原理1雙線通信I2C使用兩條線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，一條用于數(shù)據(jù)傳輸（SDA），另一條用于時(shí)鐘信號（SCL）。2主從模式I2C通信采用主從模式，其中主設(shè)備控制數(shù)據(jù)傳輸，從設(shè)備接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行響應(yīng)。3地址識(shí)別每個(gè)從設(shè)備都有一個(gè)唯一的地址，用于主設(shè)備識(shí)別目標(biāo)設(shè)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(yīng)用。I2C通信模式標(biāo)準(zhǔn)模式I2C標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(yīng)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(yīng)用。I2C從設(shè)備編程地址識(shí)別I2C從設(shè)備通過7位地址進(jìn)行識(shí)別，地址由器件自身決定，無法更改。數(shù)據(jù)接收從設(shè)備接收主設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)發(fā)送從設(shè)備根據(jù)需要向主設(shè)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(shè)備通過狀態(tài)寄存器向主設(shè)備報(bào)告自身狀態(tài)，例如數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好或是否出現(xiàn)錯(cuò)誤。I2C主設(shè)備編程I2C主設(shè)備的初始化I2C主設(shè)備的初始化過程包括設(shè)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(shè)備需要向從設(shè)備發(fā)送啟動(dòng)信號、停止信號、讀寫信號等控制信號。I2C主設(shè)備的數(shù)據(jù)讀寫I2C主設(shè)備可以向從設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，也可以從從設(shè)備讀取數(shù)據(jù)。I2C主設(shè)備需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景，編寫相應(yīng)的程序代碼來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫操作。I2C實(shí)驗(yàn)演示實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通常包括一個(gè)I2C主設(shè)備，一個(gè)或多個(gè)I2C從設(shè)備，以及連接它們的通信線。I2C總線連接主設(shè)備和從設(shè)備，用于數(shù)據(jù)傳輸。通信流程驗(yàn)證通過編寫I2C主設(shè)備和從設(shè)備的程序，模擬實(shí)際應(yīng)用場景，驗(yàn)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(yàn)證通信協(xié)議的細(xì)節(jié)。代碼調(diào)試調(diào)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(yīng)用分析工業(yè)自動(dòng)化串行通信廣泛用于工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，例如機(jī)器人控制、自動(dòng)化生產(chǎn)線。醫(yī)療設(shè)備串行通信應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備，如心電監(jiān)護(hù)儀、呼吸機(jī)、超聲儀等。汽車電子串行通信在汽車電子系統(tǒng)中廣泛應(yīng)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(yīng)用，例如智能照明、智能門鎖、智能空調(diào)等。串行通信發(fā)展趨勢11.高速率隨著技術(shù)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(yīng)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(dòng)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(shù)不斷發(fā)展，例如藍(lán)牙、WiFi、Zigbee等技術(shù)，為移動(dòng)設(shè)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(huì)被篡改或損壞。22.數(shù)據(jù)機(jī)密性保護(hù)敏感信息不被未經(jīng)授權(quán)的訪問。33.身份驗(yàn)證驗(yàn)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(diào)試技巧串行調(diào)試器串行調(diào)試器可以幫助用戶觀察和控制串行通信過程，進(jìn)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(shí)別協(xié)議錯(cuò)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(shí)序關(guān)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(shí)采集多個(gè)信號，用于分析數(shù)據(jù)流和時(shí)序關(guān)系，解決復(fù)雜的通信問題。綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)串行通信實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，學(xué)習(xí)串行通信的應(yīng)用和編程。實(shí)驗(yàn)方案選擇合適的單片機(jī)和外設(shè)，設(shè)計(jì)串行通信電路，編寫程序驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)步驟硬件連接，程序編寫，調(diào)試運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容例如：數(shù)據(jù)傳輸，通信協(xié)議驗(yàn)證，中斷處理，多機(jī)通信等。實(shí)驗(yàn)報(bào)告記錄實(shí)驗(yàn)方案、步驟、結(jié)果和分析，并總結(jié)實(shí)驗(yàn)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(jī)串行口采集溫度傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(jī)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化。智能家居控制利用單片機(jī)串行口，實(shí)現(xiàn)對智能家居設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。通過串行通信接口，控制燈光、窗簾、家電等設(shè)備，構(gòu)建便捷舒適的智能家居環(huán)境。讀書思考與交流拓展知識(shí)深入學(xué)習(xí)相關(guān)書籍，例如單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)等，