【大學課件】單片機原理與接口技術課件 單片機系統(tǒng)常用串行擴展技術

單片機系統(tǒng)常用串行擴展技術單片機系統(tǒng)常用串行擴展技術是將多個單片機通過串行接口連接起來，實現數據傳輸和系統(tǒng)擴展的功能。串行擴展技術可以有效降低系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)可靠性，并簡化系統(tǒng)設計。課程內容簡介單片機系統(tǒng)基本概念介紹單片機的基本結構、工作原理和常用的開發(fā)工具，以及如何進行單片機程序的編寫和調試。單片機常用外圍接口深入講解單片機常用的外圍接口，包括串行通信、并行通信、定時器/計數器、中斷系統(tǒng)、模擬量輸入/輸出等。串行擴展技術重點介紹單片機系統(tǒng)常用的串行擴展技術，包括UART、SPI、I2C等協(xié)議，以及它們在實際應用中的應用。單片機應用實例通過具體的應用實例，例如智能家居、工業(yè)控制、機器人等，展示單片機在各個領域的應用。串行通信的重要性串行通信是一種高效且經濟的通信方式，廣泛應用于各種電子設備和系統(tǒng)中。它允許不同設備之間進行數據交換，實現數據傳輸、控制和信息共享等功能，在現代嵌入式系統(tǒng)中扮演著不可或缺的角色。串行通信的基本概念數據傳輸方式串行通信一次只傳輸一位數據，按順序依次發(fā)送，就像一個接一個地傳遞信息。信號線數量相比并行通信，串行通信只需要少量的信號線，節(jié)省了硬件成本和連接空間。傳輸距離串行通信信號在傳輸過程中不易衰減，可以實現更長的傳輸距離，尤其適合遠距離數據傳輸。應用場景串行通信廣泛應用于各種領域，例如計算機網絡、通信設備、數據采集等，為數據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準，適用于連接各種外設，例如鍵盤、鼠標和打印機。以太網以太網是一種廣泛使用的網絡通信協(xié)議，用于在局域網和廣域網中連接設備。藍牙藍牙是一種短距離無線通信技術，常用于連接移動設備、耳機和可穿戴設備。Wi-FiWi-Fi是一種無線網絡通信技術，可讓設備通過無線電波連接到互聯(lián)網。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。數據傳輸UART使用異步方式進行數據傳輸，即不需要同步時鐘信號。應用范圍UART廣泛應用于各種嵌入式系統(tǒng)，例如單片機系統(tǒng)、傳感器接口和通信模塊。特點UART協(xié)議簡單，易于實現，并且成本低廉。UART特點及相關術語1異步通信UART是一種異步通信協(xié)議，不需要統(tǒng)一的時鐘信號，發(fā)送和接收數據可以通過自己的時鐘信號控制。2簡單易用UART協(xié)議相對簡單，使用簡單，不需要復雜的硬件電路，易于實現。3低成本UART協(xié)議在硬件實現上相對簡單，成本較低。4廣泛應用UART協(xié)議廣泛應用于各種嵌入式系統(tǒng)，如工業(yè)控制、數據采集、通信等領域。UART收發(fā)器原理分析1數據發(fā)送將數據轉換成串行信號2數據接收將串行信號轉換成數據3數據格式轉換將并行數據轉換為串行數據，反之亦然4數據傳輸通過物理介質傳輸數據，例如電纜或無線電波UART收發(fā)器是單片機系統(tǒng)中常用的串行通信接口，它通過將數據轉換成串行信號進行傳輸，再將接收到的串行信號轉換成數據。UART收發(fā)器的工作原理是通過數據格式轉換、數據傳輸以及數據發(fā)送和接收等步驟完成數據通信的。UART通信幀格式UART通信幀格式是數據在串行通信線路上傳輸的基本單元，它包含起始位、數據位、奇偶校驗位、停止位等字段，用于保證數據傳輸的完整性和可靠性。1起始位標記數據幀的開始8數據位包含實際傳輸的數據1奇偶校驗位用于校驗數據傳輸的完整性1停止位標記數據幀的結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)議版本和通信參數設置。UART收發(fā)流程分析1發(fā)送將數據寫入發(fā)送緩沖區(qū)2校驗進行奇偶校驗或CRC校驗3串行化將數據轉換為串行數據4發(fā)送通過TX引腳發(fā)送串行數據UART發(fā)送流程包括數據寫入、校驗、串行化和發(fā)送等步驟。數據先被寫入發(fā)送緩沖區(qū)，然后進行校驗，并轉換為串行數據。最后，通過TX引腳將串行數據發(fā)送出去。UART接收流程包括接收、反串行化、校驗和處理等步驟。接收到的串行數據首先被反串行化為字節(jié)數據，然后進行校驗，最后將數據傳遞給接收緩沖區(qū)。UART收發(fā)程序設計1初始化首先，需要初始化UART模塊，包括設置波特率、數據位、停止位、校驗位等參數，并配置接收中斷和發(fā)送中斷。2數據發(fā)送數據發(fā)送時，將數據寫入UART發(fā)送緩沖區(qū)，并設置發(fā)送標志位，UART模塊會根據配置自動進行數據發(fā)送。3數據接收數據接收時，當UART模塊接收到數據后，會將數據存入接收緩沖區(qū)，并觸發(fā)接收中斷，程序可以根據需要讀取接收緩沖區(qū)數據。4數據處理數據接收完成后，需要對接收到的數據進行處理，例如校驗、解析等，并將處理后的數據用于其他應用程序。UART通信應用舉例UART通信廣泛應用于各種嵌入式系統(tǒng)中，例如工業(yè)控制系統(tǒng)、數據采集系統(tǒng)、醫(yī)療設備、智能家居等。例如，利用UART通信協(xié)議，可以將單片機與電腦連接，實現數據的傳輸和控制；還可以實現單片機之間的通信，構建多機系統(tǒng)。SPI串行通信協(xié)議1定義一種同步串行通信協(xié)議2特點高數據傳輸率，簡單3應用數據采集，存儲器，外設SPI協(xié)議是一種同步串行通信協(xié)議，在單片機系統(tǒng)中得到廣泛應用，可以實現數據傳輸率高，操作簡單。SPI特點及相關術語數據傳輸方式SPI是一種同步串行通信協(xié)議，數據傳輸過程中，雙向數據通信都需要時鐘信號的同步。通信模式SPI支持四種數據傳輸模式：主機模式、從機模式、全雙工模式和半雙工模式。數據傳輸速率SPI通信協(xié)議的傳輸速率主要取決于時鐘信號的頻率，最高可達幾十兆赫茲。通信距離SPI通信協(xié)議一般用于短距離通信，最遠距離可達幾米。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時鐘信號主設備產生時鐘信號3數據傳輸主設備控制數據傳輸4同步傳輸同步傳輸數據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備之間的數據傳輸。主設備控制數據傳輸，并發(fā)送時鐘信號，從設備同步接收數據。SPI收發(fā)流程分析主設備發(fā)起通信主設備發(fā)送起始信號，并選擇從設備。從設備響應請求從設備接收信號后，會進行應答，表示已準備好進行數據傳輸。數據傳輸主設備向從設備發(fā)送數據，從設備接收數據，完成數據交換。通信結束主設備發(fā)送停止信號，結束通信過程。SPI收發(fā)程序設計1初始化首先，設置SPI模塊工作模式，包括時鐘頻率、數據格式等參數。2發(fā)送數據將要發(fā)送的數據寫入SPI發(fā)送緩沖區(qū)，等待發(fā)送。3接收數據當SPI發(fā)送完成后，從接收緩沖區(qū)讀取接收到的數據。4數據處理對接收到的數據進行必要的處理，例如校驗等。SPI通信應用舉例SPI通信是一種同步串行通信協(xié)議，廣泛應用于各種嵌入式系統(tǒng)，例如傳感器數據采集、LCD顯示驅動、SD卡讀寫等。使用SPI通信協(xié)議可以實現單片機與外部器件之間的快速、可靠的數據傳輸，同時簡化系統(tǒng)設計，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，廣泛應用于電子設備中，例如傳感器、內存、顯示器等。特點速度較慢，通常在100kbps到400kbps之間簡單易用，僅需兩條信號線支持多個設備共享同一總線低功耗，適用于電池供電設備應用I2C協(xié)議廣泛用于微控制器、嵌入式系統(tǒng)和各種電子設備，可用于控制和讀取傳感器、內存、顯示器、時鐘、溫度傳感器和各種其他外圍設備。I2C特點及相關術語雙向通信I2C總線支持雙向數據傳輸，數據可以在兩個方向上進行傳輸，方便了主控芯片與從機之間的通信。雙線制I2C協(xié)議僅使用兩條信號線進行數據傳輸，分別是時鐘線（SCL）和數據線（SDA），簡化了通信線路，節(jié)省了硬件資源。低成本I2C協(xié)議的實現相對簡單，不需要額外的硬件電路，降低了通信模塊的成本。多設備支持通過使用不同的設備地址，I2C總線可以連接多個從機設備，方便了系統(tǒng)擴展和功能擴展。I2C工作原理及通信幀格式1起始條件I2C總線上的SCL和SDA信號均為高電平，然后SDA信號下降沿2設備地址發(fā)送器發(fā)送目標器件的7位地址，最高位為R/W位，表示讀或寫操作3應答信號目標器件收到地址后，如果地址匹配，則在SDA線上拉高應答信號4數據傳輸發(fā)送器發(fā)送數據，接收器接收數據，每個字節(jié)數據傳輸結束后，需要進行應答5結束條件發(fā)送器在SDA線上發(fā)送停止條件，表示數據傳輸結束I2C通信是一種雙向串行通信協(xié)議，它利用兩條信號線，即數據線SDA和時鐘線SCL，通過發(fā)送數據包的形式進行數據傳輸。通信幀格式包含起始條件、設備地址、應答信號、數據傳輸和結束條件等。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設備地址發(fā)送器發(fā)送7位設備地址，最后一位為R/W位。3數據傳輸發(fā)送器發(fā)送或接收數據。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、設備地址、數據傳輸和停止條件。起始條件用于表示開始數據傳輸，設備地址用于指定目標設備，數據傳輸用于發(fā)送或接收數據，停止條件用于結束數據傳輸。I2C收發(fā)程序設計1I2C收發(fā)程序設計程序設計是根據I2C協(xié)議，使用單片機編程語言實現I2C通信功能，包含發(fā)送數據、接收數據以及其他I2C操作。2程序設計步驟包括初始化I2C總線，選擇器件地址，設置數據方向，發(fā)送或接收數據，最后校驗數據傳輸結果。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支持的語言進行編寫，根據具體項目需求選擇最合適的語言。I2C通信應用舉例I2C通信廣泛應用于各種嵌入式系統(tǒng)，特別適合連接多種外圍設備，如傳感器、存儲器、顯示器等。例如，使用I2C通信協(xié)議，可以通過單片機控制溫度傳感器，讀取溫度數據，并將數據顯示在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、實時性強和抗干擾能力強等特點。CAN總線廣泛應用于汽車、工業(yè)自動化、航空航天等領域。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)中的非關鍵數據傳輸。LIN總線通常用于汽車空調、門窗控制、座椅控制等模塊的通信。串行通信的發(fā)展趨勢高速化數據傳輸速率不斷提高，滿足高速數據交換的需求，如高速數據采集和控制應用。智能化串行通信協(xié)議不斷完善，支持更智能的功能，如數據加密、錯誤檢測和糾正等。標準化不同廠家之間相互兼容，提高了應用的便捷