【大學(xué)課件】單片機(jī)原理及應(yīng)用 串行接口及串行通信技術(shù)

單片機(jī)原理及應(yīng)用-串行接口及串行通信技術(shù)串行通信是一種在數(shù)據(jù)傳輸中將數(shù)據(jù)逐位發(fā)送的方式，廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)自動(dòng)化。本節(jié)課程將深入探討單片機(jī)的串行接口，以及串行通信技術(shù)的原理、實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用。單片機(jī)簡(jiǎn)介微型計(jì)算機(jī)單片機(jī)是將中央處理器(CPU)、內(nèi)存、輸入/輸出(I/O)接口和外設(shè)集成在一個(gè)芯片上的微型計(jì)算機(jī)。嵌入式系統(tǒng)單片機(jī)通常用于嵌入式系統(tǒng)，即那些與特定應(yīng)用程序緊密集成并執(zhí)行特定任務(wù)的系統(tǒng)。廣泛應(yīng)用從家用電器和汽車到工業(yè)自動(dòng)化和醫(yī)療設(shè)備，單片機(jī)在各種領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)的組成部分1中央處理器(CPU)控制和執(zhí)行程序，處理數(shù)據(jù)，是單片機(jī)的核心。2存儲(chǔ)器存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)，包括程序存儲(chǔ)器(ROM)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)。3輸入/輸出接口與外部世界交互，接收外部信息，控制外部設(shè)備。4定時(shí)器/計(jì)數(shù)器提供定時(shí)功能，用于控制時(shí)間間隔和計(jì)數(shù)事件。CPU及其功能中央處理單元(CPU)單片機(jī)的大腦，執(zhí)行指令、控制運(yùn)算、處理數(shù)據(jù)、協(xié)調(diào)各部件運(yùn)作。CPU從存儲(chǔ)器中讀取指令，并根據(jù)指令執(zhí)行相應(yīng)操作，比如算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳輸、程序跳轉(zhuǎn)等。存儲(chǔ)器類型及特點(diǎn)ROM只讀存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)，程序運(yùn)行過(guò)程中無(wú)法修改。RAM隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，可讀寫(xiě)，存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)，斷電后數(shù)據(jù)丟失。EEPROM電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器，可反復(fù)擦寫(xiě)，存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。外部存儲(chǔ)器外部存儲(chǔ)器，如SD卡、U盤(pán)等，用于存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)。輸入/輸出接口外部數(shù)據(jù)交互輸入/輸出接口是單片機(jī)與外部世界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的橋梁，負(fù)責(zé)接收來(lái)自外部傳感器、按鈕等設(shè)備的數(shù)據(jù)，并將單片機(jī)內(nèi)部處理后的數(shù)據(jù)輸出到外部顯示設(shè)備、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。多種接口類型單片機(jī)擁有多種類型的輸入/輸出接口，包括通用I/O口、串行接口、并行接口等，不同的接口類型適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。數(shù)據(jù)傳輸方式輸入/輸出接口可以采用多種數(shù)據(jù)傳輸方式，包括并行數(shù)據(jù)傳輸、串行數(shù)據(jù)傳輸，以及各種協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。電路設(shè)計(jì)輸入/輸出接口的電路設(shè)計(jì)需要考慮接口類型、數(shù)據(jù)傳輸方式、驅(qū)動(dòng)能力、抗干擾能力等因素，確保接口的可靠性和穩(wěn)定性。定時(shí)計(jì)數(shù)器定時(shí)器功能定時(shí)器可以精確地測(cè)量時(shí)間間隔，并根據(jù)設(shè)定時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)。它們?cè)趩纹瑱C(jī)系統(tǒng)中扮演著重要角色，用于實(shí)現(xiàn)各種定時(shí)、延時(shí)、計(jì)數(shù)和控制功能。計(jì)數(shù)器功能計(jì)數(shù)器可以對(duì)外部脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，用于測(cè)量事件發(fā)生的頻率或數(shù)量。例如，可以通過(guò)計(jì)數(shù)器測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速或按鍵的按下次數(shù)。中斷系統(tǒng)中斷請(qǐng)求外設(shè)發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)，通知單片機(jī)處理。中斷響應(yīng)單片機(jī)停止當(dāng)前程序執(zhí)行，轉(zhuǎn)而處理中斷服務(wù)程序。中斷優(yōu)先級(jí)多個(gè)中斷同時(shí)發(fā)生時(shí)，根據(jù)優(yōu)先級(jí)決定哪個(gè)中斷先處理。中斷返回中斷服務(wù)程序執(zhí)行完畢后，返回原程序繼續(xù)執(zhí)行。單片機(jī)的編程1語(yǔ)言選擇C語(yǔ)言是單片機(jī)編程的常用語(yǔ)言，它簡(jiǎn)潔高效，易于移植，并提供豐富的庫(kù)函數(shù)。2開(kāi)發(fā)環(huán)境KeilC51是常見(jiàn)的單片機(jī)開(kāi)發(fā)環(huán)境，它提供編譯器、調(diào)試器、模擬器等工具，方便開(kāi)發(fā)者進(jìn)行程序編寫(xiě)和調(diào)試。3編程步驟首先，編寫(xiě)代碼，并使用編譯器將其轉(zhuǎn)換成目標(biāo)代碼，然后將目標(biāo)代碼下載到單片機(jī)內(nèi)部，最后進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試。程序存儲(chǔ)與運(yùn)行1程序存儲(chǔ)將程序代碼寫(xiě)入單片機(jī)的存儲(chǔ)器中2程序加載將存儲(chǔ)器中的程序代碼加載到CPU中3程序執(zhí)行CPU逐條讀取指令并執(zhí)行單片機(jī)程序存儲(chǔ)是指將編寫(xiě)好的程序代碼寫(xiě)入單片機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)器中，以便后續(xù)執(zhí)行。程序加載則是將存儲(chǔ)器中的程序代碼加載到CPU中，供CPU讀取和執(zhí)行。程序執(zhí)行是指CPU按照程序代碼中的指令一步步執(zhí)行，完成預(yù)定的功能。開(kāi)發(fā)環(huán)境與編程軟件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)IDE提供代碼編輯器、編譯器、調(diào)試器等工具，方便開(kāi)發(fā)者編寫(xiě)、調(diào)試和運(yùn)行程序。匯編語(yǔ)言匯編語(yǔ)言是直接操作單片機(jī)硬件的語(yǔ)言，可實(shí)現(xiàn)精確控制，但編寫(xiě)難度較大。C語(yǔ)言C語(yǔ)言是一種結(jié)構(gòu)化編程語(yǔ)言，具有可移植性強(qiáng)、效率高等優(yōu)點(diǎn)，適合開(kāi)發(fā)復(fù)雜程序。仿真器仿真器可以模擬單片機(jī)硬件環(huán)境，方便開(kāi)發(fā)者測(cè)試和調(diào)試程序。串行通信基礎(chǔ)知識(shí)數(shù)據(jù)傳輸方式串行通信將數(shù)據(jù)一位一位地按順序傳輸。數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)以連續(xù)的位流形式發(fā)送和接收。通信協(xié)議定義數(shù)據(jù)格式、同步機(jī)制等通信規(guī)則。串行接口標(biāo)準(zhǔn)RS-2321標(biāo)準(zhǔn)接口RS-232是一種通用的串行通信標(biāo)準(zhǔn)，定義了數(shù)據(jù)信號(hào)、控制信號(hào)和機(jī)械接口規(guī)范。2信號(hào)傳輸RS-232采用差分信號(hào)傳輸，使用兩條線來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，提高抗干擾能力。3數(shù)據(jù)傳輸RS-232支持全雙工通信，可以同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，提高通信效率。4應(yīng)用廣泛RS-232廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、外設(shè)、工業(yè)控制等領(lǐng)域，是串行通信的經(jīng)典標(biāo)準(zhǔn)。RS-232接口電路RS-232接口電路通常包含一個(gè)串行接口控制器(UART)、一個(gè)電平轉(zhuǎn)換器和一個(gè)連接器。UART將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，并執(zhí)行信號(hào)處理和控制功能。電平轉(zhuǎn)換器將UART輸出的TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-232標(biāo)準(zhǔn)的電平，反之亦然。連接器通常為DB-9或DB-25類型，用于連接RS-232設(shè)備。接口電路還包括其他元件，例如電壓調(diào)節(jié)器、晶振、濾波器等，以確保信號(hào)的可靠傳輸。異步串行通信協(xié)議異步串行通信協(xié)議異步串行通信協(xié)議是一種常用的通信方式，它使用起始位和停止位來(lái)標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)的開(kāi)始和結(jié)束，并且不需要統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào)，每個(gè)數(shù)據(jù)位可以在不同的時(shí)間發(fā)送。數(shù)據(jù)幀異步串行通信協(xié)議使用數(shù)據(jù)幀來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)幀包含起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位和停止位。數(shù)據(jù)位根據(jù)需要可以是5位、7位或8位。時(shí)序圖異步串行通信協(xié)議的時(shí)序圖顯示了每個(gè)數(shù)據(jù)位和起始位、停止位的發(fā)送時(shí)間，以及發(fā)送過(guò)程中使用的時(shí)鐘信號(hào)。同步串行通信協(xié)議同步串行通信同步通信是指接收方和發(fā)送方使用同一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)來(lái)同步數(shù)據(jù)傳輸。同步通信通常使用特殊的同步字符或信號(hào)來(lái)標(biāo)記數(shù)據(jù)幀的開(kāi)始和結(jié)束。同步通信速度更快，數(shù)據(jù)傳輸效率更高，但需要更復(fù)雜的硬件和軟件。同步通信協(xié)議同步通信協(xié)議規(guī)定了數(shù)據(jù)幀的格式、時(shí)鐘同步方式以及錯(cuò)誤檢測(cè)和糾正機(jī)制。常用的同步通信協(xié)議包括：SDLC、HDLC、BISYNC等。UART及其工作原理UART簡(jiǎn)介UART是一種用于異步串行通信的通用異步收發(fā)器，在單片機(jī)與外部設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。UART工作原理UART將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)流，通過(guò)數(shù)據(jù)線發(fā)送，同時(shí)接收串行數(shù)據(jù)流并轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)。UART數(shù)據(jù)格式起始位：表示數(shù)據(jù)開(kāi)始數(shù)據(jù)位：表示數(shù)據(jù)內(nèi)容奇偶校驗(yàn)位：用于檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤停止位：表示數(shù)據(jù)結(jié)束UART控制信號(hào)發(fā)送使能信號(hào)接收使能信號(hào)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好信號(hào)錯(cuò)誤信號(hào)USART的特點(diǎn)及應(yīng)用11.靈活性USART可以配置為多種通信模式，例如同步或異步通信，并支持各種數(shù)據(jù)格式。22.高效性USART支持高傳輸速率，可以滿足各種應(yīng)用的需求，例如數(shù)據(jù)采集、控制等。33.多功能性USART可用于多種通信場(chǎng)景，例如與計(jì)算機(jī)、傳感器、外圍設(shè)備等進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。44.廣泛應(yīng)用USART在工業(yè)自動(dòng)化、儀器儀表、消費(fèi)電子等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，是重要的串行通信接口。SPI總線通信串行通信SPI是一種同步串行通信協(xié)議，用于在主設(shè)備和從設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)。時(shí)鐘同步主設(shè)備控制時(shí)鐘信號(hào)，確保數(shù)據(jù)傳輸同步。四線通信SPI通常使用四條線進(jìn)行通信，包括時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出和片選。I2C總線通信I2C總線簡(jiǎn)介I2C是一種雙線式同步串行通信總線，常用于低速數(shù)據(jù)傳輸。適用于連接單片機(jī)、傳感器、存儲(chǔ)器等外圍設(shè)備。工作原理I2C總線使用兩根線進(jìn)行通信：SDA（數(shù)據(jù)線）和SCL（時(shí)鐘線）。主設(shè)備通過(guò)發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)控制數(shù)據(jù)傳輸，從設(shè)備根據(jù)時(shí)鐘信號(hào)接收數(shù)據(jù)。I2C總線特點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸速率較低，但功耗低、成本低。支持多主設(shè)備和多從設(shè)備，可擴(kuò)展性強(qiáng)。CAN總線通信CAN總線架構(gòu)CAN總線是一種多主系統(tǒng)，支持多個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備同時(shí)進(jìn)行通信。通信協(xié)議CAN總線使用非破壞性仲裁機(jī)制，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性。應(yīng)用領(lǐng)域CAN總線廣泛應(yīng)用于汽車電子、工業(yè)自動(dòng)化、航空航天等領(lǐng)域。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)CAN總線支持多種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，例如總線型、樹(shù)型和星型。串行通信技術(shù)應(yīng)用案例串行通信技術(shù)在工業(yè)控制、智能家居、數(shù)據(jù)采集、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。例如，利用串行通信技術(shù)，可以將單片機(jī)與傳感器連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制；也可以將單片機(jī)與計(jì)算機(jī)連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和交互。多機(jī)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)確定系統(tǒng)中各個(gè)單片機(jī)的功能和相互之間的通信方式。例如，一個(gè)單片機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，另一個(gè)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和顯示。通信協(xié)議選擇根據(jù)系統(tǒng)需求選擇合適的通信協(xié)議，例如RS-232、SPI、I2C或CAN總線，并制定通信格式和數(shù)據(jù)傳輸方式。硬件電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)單片機(jī)之間的連接電路，包括信號(hào)轉(zhuǎn)換、隔離和保護(hù)等。軟件編程實(shí)現(xiàn)編寫(xiě)單片機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、處理、發(fā)送等功能，并調(diào)試程序以確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。系統(tǒng)測(cè)試與調(diào)試對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證系統(tǒng)功能和性能，并進(jìn)行必要的調(diào)整和優(yōu)化。串行通信故障診斷連接問(wèn)題檢查連接線、插頭和接地是否完好，以及信號(hào)線是否正確連接。通信參數(shù)錯(cuò)誤確認(rèn)波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位和停止位設(shè)置是否一致。硬件故障檢查串行接口芯片、晶振、電平轉(zhuǎn)換電路等是否正常工作。軟件錯(cuò)誤檢查通信協(xié)議、數(shù)據(jù)格式、程序代碼等是否正確。串行接口的電路設(shè)計(jì)硬件選擇選擇合適的串行接口芯片，例如MAX232或FT232等，根據(jù)應(yīng)用需求確定數(shù)據(jù)傳輸速率、信號(hào)電平等。電路連接將串行接口芯片連接到單片機(jī)的TXD、RXD、GND等引腳，并根據(jù)信號(hào)電平需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。電路調(diào)試?yán)檬静ㄆ骰蜻壿嫹治鰞x等工具，觀察波形，驗(yàn)證串行接口電路是否正常工作。串行通信軟件編程1編程語(yǔ)言選擇合適的編程語(yǔ)言，例如C語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言等，實(shí)現(xiàn)串行通信功能。2數(shù)據(jù)格式定義數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷剑〝?shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、校驗(yàn)碼等。3通信協(xié)議根據(jù)串行通信協(xié)議，編寫(xiě)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的代碼。4調(diào)試測(cè)試使用調(diào)試工具進(jìn)行測(cè)試，確保程序的正確性和穩(wěn)定性。串行通信封裝與調(diào)試封裝的目的將串行通信功能封裝成函數(shù)或類，方便調(diào)用，減少重復(fù)代碼?？商岣叽a可讀性和可維護(hù)性，有利于團(tuán)隊(duì)合作開(kāi)發(fā)。調(diào)試方法使用邏輯分析儀或示波器觀察串行數(shù)據(jù)信號(hào)，驗(yàn)證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。使用串口調(diào)試助手軟件，發(fā)送和接收測(cè)試數(shù)據(jù)，驗(yàn)證程序邏輯的正確性。單片機(jī)與串行通信綜合實(shí)踐1項(xiàng)目選題根據(jù)實(shí)際需求，選擇一個(gè)合適的項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)踐。2方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)整體方案，包括硬件電路、軟件程序、通信協(xié)議等。3電路搭建根據(jù)方案圖，搭建實(shí)物電路，并進(jìn)行測(cè)試調(diào)試。4程序編寫(xiě)編寫(xiě)單片機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的功能，并進(jìn)行調(diào)試驗(yàn)證。5系