单片机通信原理

1、 技术工程部 吴明辉1 1、单片机的内部结构单片机的内部结构中央处理器（中央处理器（CPUCPU）运算器、控制器以及若干寄存器运算器、控制器以及若干寄存器 CPU CPU内部数据存储器（内部数据存储器（RAMRAM） 数据存储、通用工作寄存器、堆栈、位地址数据存储、通用工作寄存器、堆栈、位地址 内存内存 内部程序存储器（内部程序存储器（ROMROM） 用于存放程序、原始数据或表格用于存放程序、原始数据或表格 硬盘硬盘 定时器定时器/ /计数器计数器 实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对计算机实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对计算机进进 行控制，实现多种控制功能。行控制，实现多种控

2、制功能。 常和中断系统共同使用常和中断系统共同使用 并行并行I/OI/O口口 数据的输入输出数据的输入输出 特殊功能管脚特殊功能管脚 串行口串行口 实现和其它设备之间的串行数据传送实现和其它设备之间的串行数据传送 可上位机软件联合使用程可上位机软件联合使用程序的验证序的验证 中断控制系统中断控制系统 即外中断即外中断2 2个，定时中断个，定时中断2 2个，串行中断个，串行中断1 1个，全部中断分个，全部中断分为高级和低级共二个优先级别为高级和低级共二个优先级别51 51 定时与控制部件定时与控制部件时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列“心脏心脏” 单片机与外界的信息

3、交换称为通信。常见的通信方式有串口通信，单片机与外界的信息交换称为通信。常见的通信方式有串口通信，CANCAN通信，通信，I2CI2C通信等，接下来一一介绍：通信等，接下来一一介绍：串口通信（串口通信（RS232RS232）：）： RS-232-C RS-232-C接口（又称接口（又称 EIA RS-232-CEIA RS-232-C）是目前最常用的一种串行通讯接）是目前最常用的一种串行通讯接口。它是在口。它是在19701970年由美国电子工业协会（年由美国电子工业协会（EIAEIA）联合贝尔系统、调制解）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。由于调器厂

4、家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。在串行通讯时，要求通讯双方都多条线路特性的不一致而被广泛采用。在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。 接口的电气特性接口的电气特性 在在RS-232-CRS-232-C中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即：逻：逻 辑辑“1”1”，-5

5、-15V-5 -15V；逻辑；逻辑“0”0”，+5 +15V+5 +15V 。噪声容限为。噪声容限为2V2V。即要求。即要求接收器能识别低至接收器能识别低至+3V+3V的信号作为逻辑的信号作为逻辑“0”0”，高到，高到-3V-3V的信号作为逻辑的信号作为逻辑“1”1”接口的物理结构接口的物理结构 一些设备与一些设备与PCPC机连接的机连接的RS-232-CRS-232-C接口接口, ,因为不使用对方的传因为不使用对方的传送控制信号送控制信号, ,只需三条接口线只需三条接口线, ,即即“发送数据发送数据”、“接收数据接收数据”和和“信号地信号地”。所以采用所以采用DB-9DB-9的的9 9芯插头

6、座，传输线采用屏蔽双绞线。芯插头座，传输线采用屏蔽双绞线。传输电缆长度传输电缆长度 美国美国DECDEC公司曾通过实验得出以下实验结果。其中公司曾通过实验得出以下实验结果。其中1 1号电缆为屏号电缆为屏蔽电缆，型号为蔽电缆，型号为DECP.NO.9107723DECP.NO.9107723内有三对双绞线，每对由内有三对双绞线，每对由22# AWG22# AWG组成，其外组成，其外覆以屏蔽网。覆以屏蔽网。2 2号电缆为不带屏蔽的电缆。型号为号电缆为不带屏蔽的电缆。型号为DECP.NO.9105856-04DECP.NO.9105856-04是是22#AWG22#AWG的四芯电缆。附表的四芯电缆。

7、附表2 DEC2 DEC 公司的实验结果。公司的实验结果。 单片机单片机RS232RS232硬件图硬件图串行通信在软件设置里需要做多项设置，最常见的设置包括串行通信在软件设置里需要做多项设置，最常见的设置包括波特率波特率（BaudRate）、奇偶校验（）、奇偶校验（ParityCheck）和停止位（）和停止位（StopBit）。）。波特率波特率：是指从一设备发到另一设备的波特率，即每秒钟多少位元：是指从一设备发到另一设备的波特率，即每秒钟多少位元bitspersecond(bit/s)。典型的波特率是。典型的波特率是300,1200,2400,9600,115200,19200等等bit/s。

8、一般通信两端设备都要设为相同的波特率，但有些设备也可以设置为自。一般通信两端设备都要设为相同的波特率，但有些设备也可以设置为自动检测波特率。动检测波特率。奇偶校验奇偶校验：是用来验证数据的正确性。奇偶校验既可以做奇校验（：是用来验证数据的正确性。奇偶校验既可以做奇校验（OddParity）也可以做偶校验（）也可以做偶校验（EvenParity）。奇偶校验是通过修改每一发送字节（也）。奇偶校验是通过修改每一发送字节（也可以限制发送的字节）来工作的。在偶校验中，因为奇偶校验位会被相应的置可以限制发送的字节）来工作的。在偶校验中，因为奇偶校验位会被相应的置1或或0（一般是最高位或最低位），所以数据会

9、被改变以使得所有传送的数位（一般是最高位或最低位），所以数据会被改变以使得所有传送的数位（含字符的各数位和校验位）中含字符的各数位和校验位）中“1”的个数为偶数；在奇校验中，所有传送的数的个数为偶数；在奇校验中，所有传送的数位（含字符的各数位和校验位）中位（含字符的各数位和校验位）中“1”的个数为奇数。奇偶校验可以用于接受的个数为奇数。奇偶校验可以用于接受方检查传输是否发送生错误方检查传输是否发送生错误如果某一字节中如果某一字节中“1”的个数发生了错误，那么的个数发生了错误，那么这个字节在传输中一定有错误发生。如果奇偶校验是正确的，那么要么没有发这个字节在传输中一定有错误发生。如果奇偶校验是正

10、确的，那么要么没有发生错误要么发生了偶数个的错误。生错误要么发生了偶数个的错误。停止位停止位：是在每个字节传输之后发送的，它用来帮助接受信号方硬件重同步。：是在每个字节传输之后发送的，它用来帮助接受信号方硬件重同步。 串口串口RS485RS485什么是什么是RS-485RS-485接口？它比接口？它比RS-232-CRS-232-C接口相比有何特点？接口相比有何特点？ 答：答： 由于由于RS-232-CRS-232-C接口标准出现较早，难免有不足之处，主要有以下四接口标准出现较早，难免有不足之处，主要有以下四点：点： （1 1） 接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与接口的信号电

11、平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTLTTL 电电平不兼容故需使用电平转换电路方能与平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTLTTL电路连接。电路连接。 （2 2） 传输速率较低，在异步传输时，波特率为传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps20Kbps。 （3 3） 接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。 （4 4） 传输距离有限，最大传输距离标准值为传输距离有限，最大传输距离标准值为5050英尺，实际上也

12、只能英尺，实际上也只能 用用在在5050米左右。米左右。 针对针对RS-232-CRS-232-C的不足，于是就不断出现了一些新的接口标准，的不足，于是就不断出现了一些新的接口标准，RS-485RS-485就是就是其中之一。其中之一。它具有以下特点：它具有以下特点： 1. RS-4851. RS-485的电气特性：逻辑的电气特性：逻辑“1”1”以两线间的电压差为以两线间的电压差为+ +（2626） V V表示；表示；逻辑逻辑“0”0”以两线间的电压差为以两线间的电压差为- -（2626）V V表示。接口信号电平比表示。接口信号电平比RS-232-CRS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯

13、片，降低了，就不易损坏接口电路的芯片， 且该电平与且该电平与TTLTTL电平兼容，可方便与电平兼容，可方便与TTLTTL 电路连接。电路连接。 2. RS-4852. RS-485的数据最高传输速率为的数据最高传输速率为10Mbps 10Mbps 3. RS-4853. RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。，即抗噪声干扰性好。 4. RS-4854. RS-485接口的最大传输距离标准值为接口的最大传输距离标准值为40004000英尺，实际上可达英尺，实际上可达 30003000米，米，

14、另外另外RS-232-CRS-232-C接口在总线上只允许连接接口在总线上只允许连接1 1个收发器，即单站能力。而个收发器，即单站能力。而RS-485RS-485接口在总线上是允许连接多达接口在总线上是允许连接多达128128个收发器。即具有多站能力个收发器。即具有多站能力, ,这样用户可以这样用户可以利用单一的利用单一的RS-485RS-485接口方便地建立起设备网络。接口方便地建立起设备网络。 因因RS-485RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。点就使其成为首选的串行接口

15、。 因为因为RS485RS485接口组成的半双工网络，一般只接口组成的半双工网络，一般只需二根连线，所以需二根连线，所以RS485RS485接口均采用屏蔽双绞线传输。接口均采用屏蔽双绞线传输。 RS485RS485接口连接器采接口连接器采用用DB-9DB-9的的9 9芯插头座，与智能终端芯插头座，与智能终端RS485RS485接口采用接口采用DB-9DB-9（孔），与键盘连接（孔），与键盘连接的键盘接口的键盘接口RS485RS485采用采用DB-9DB-9（针）。（针）。 RS485RS485硬件图硬件图CANCAN通信通信CAN通信硬件接口电性通信硬件接口电性一一 报文传送由以下四种帧类型报

16、文传送由以下四种帧类型数据帧：数据帧： 数据帧携带数据从发送器至接收器。数据帧携带数据从发送器至接收器。远程帧：远程帧： 总线单元发出远程帧，请求发送具有同一识别符的数据帧。总线单元发出远程帧，请求发送具有同一识别符的数据帧。错误帧：错误帧： 任何单元检测到一总线错误时就发送错误帧。任何单元检测到一总线错误时就发送错误帧。超载帧：超载帧： 用来在先行的和后续的数据帧（或远程帧）之间提供一附加的延用来在先行的和后续的数据帧（或远程帧）之间提供一附加的延时。时。二二 帧格式介绍帧格式介绍1 1 数据帧数据帧数据帧由数据帧由7 7个不同的位场组成，即帧起始、仲裁场、控制场、数据场、个不同的位场组成，

17、即帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRCCRC场场、应答场、帧结束。、应答场、帧结束。2 2 远程帧远程帧远程帧由远程帧由6 6个不同的位场组成，即帧起始、仲裁场、控制场、个不同的位场组成，即帧起始、仲裁场、控制场、CRCCRC场、应答场场、应答场、帧结束。、帧结束。3 3 错误帧错误帧错误帧由两个不同的场组成。第一个场是错误标志，用做为不同站提供错误错误帧由两个不同的场组成。第一个场是错误标志，用做为不同站提供错误标志的叠加；第二个场是错误界定符。标志的叠加；第二个场是错误界定符。4 4 超载帧超载帧超载帧包括两个位场：超载标志和超载界定符。超载帧包括两个位场：超载标志和超载界定符。三三 帧

18、格式中重点部分介绍帧格式中重点部分介绍1 1 帧起始帧起始帧起始标志数据帧和远程帧的起始，由一个单独的帧起始标志数据帧和远程帧的起始，由一个单独的“显性显性”位组成。由控制位组成。由控制芯片完成。芯片完成。2 2 仲裁场仲裁场仲裁场包括标识符和远程发送请求位（仲裁场包括标识符和远程发送请求位（RTRRTR）。）。对于对于CAN2.0ACAN2.0A标准，标识符的长度为标准，标识符的长度为1111位。位。RTRRTR位在数据帧中必须是显性位位在数据帧中必须是显性位，而在远程帧必须为隐性位。，而在远程帧必须为隐性位。对于对于CAN2.0CAN2.0，标准格式和扩展格式的仲裁场不同。在标准格式中，仲

19、裁场由，标准格式和扩展格式的仲裁场不同。在标准格式中，仲裁场由1111位标识符和远程发送请求位组成。在扩展格式中，仲裁场由位标识符和远程发送请求位组成。在扩展格式中，仲裁场由2929位标识符和位标识符和替代远程请求位（替代远程请求位（SRRSRR） 、标志位（、标志位（IDEIDE）和远程发送请求位组成。）和远程发送请求位组成。仲裁场的作用之一是说明数据帧或远程帧发送目的地；之二是指出数据帧或仲裁场的作用之一是说明数据帧或远程帧发送目的地；之二是指出数据帧或远程帧。仲裁场的数据由软件编程配置远程帧。仲裁场的数据由软件编程配置SJA1000SJA1000完成。完成。3 3 控制场控制场控制场由控

20、制场由6 6个位组成，说明数据帧中有效数据的长度。控制场的数据由软件个位组成，说明数据帧中有效数据的长度。控制场的数据由软件编程配置编程配置SJA1000SJA1000完成。完成。4 4 数据场数据场 数据场由数据帧中的发送数据组成。它可以为数据场由数据帧中的发送数据组成。它可以为0808个字节。数据场的数据个字节。数据场的数据由软件编程配置由软件编程配置SJA1000SJA1000完成。完成。5 CRC5 CRC场场 CRCCRC场包括场包括CRCCRC序列，这部分由序列，这部分由SJA1000SJA1000控制芯片完成。控制芯片完成。6 6 应答场应答场 应答场长度为两个位，包括应答间隙和

21、应答界定符。由应答场长度为两个位，包括应答间隙和应答界定符。由SJA1000SJA1000控制芯片控制芯片自动完成。自动完成。7 7 帧结束帧结束 每一个数据帧和远程帧均由一标志序列界定，这个标志序列由每一个数据帧和远程帧均由一标志序列界定，这个标志序列由7 7个个“隐性隐性”位组成。这部分由位组成。这部分由SJA1000SJA1000控制芯片自动完成。控制芯片自动完成。总之，仲裁场、控制场、数据场由软件编程配置总之，仲裁场、控制场、数据场由软件编程配置SJA1000SJA1000完成；帧起始、完成；帧起始、CRCCRC场、应答场、帧结束由场、应答场、帧结束由CANCAN总线控制芯片总线控制芯

22、片SJA1000SJA1000自动完成。自动完成。收发器、控制器收发器、控制器光耦隔离光耦隔离 I2CI2C通信通信一一. . 技术性能技术性能: :工作速率有工作速率有100K100K和和400K400K两种；两种；支持多机通讯；支持多机通讯；支持多主控模块，但同一时刻只允许有一个主控；支持多主控模块，但同一时刻只允许有一个主控； 由数据线由数据线SDASDA和时钟和时钟SCLSCL构成的串行总线；构成的串行总线；每个电路和模块都有唯一的地址；每个电路和模块都有唯一的地址； 每个器件可以使用独立电源每个器件可以使用独立电源二二. . 写通讯过程写通讯过程: :1. 1. 主控在检测到总线空闲

23、的状况下，首先发送一个主控在检测到总线空闲的状况下，首先发送一个STARTSTART信号掌管总线信号掌管总线；2. 2. 发送一个地址字节发送一个地址字节( (包括包括7 7位地址码和一位位地址码和一位R/W)R/W)；3. 3. 当被控器件检测到主控发送的地址与自己的地址相同时发送一个应答当被控器件检测到主控发送的地址与自己的地址相同时发送一个应答信号信号(ACK)(ACK)；4. 4. 主控收到主控收到ACKACK后开始发送第一个数据字节；后开始发送第一个数据字节；5. 5. 被控器收到数据字节后发送一个被控器收到数据字节后发送一个ACKACK表示继续传送数据，发送表示继续传送数据，发送N

24、ACKNACK表表示传送数据结束；示传送数据结束；6. 6. 主控发送完全部数据后，发送一个停止位主控发送完全部数据后，发送一个停止位STOPSTOP，结束整个通讯并且释，结束整个通讯并且释放总线；放总线；三三. . 读通讯过程读通讯过程: :1. 1. 主控在检测到总线空闲的状况下，首先发送一个主控在检测到总线空闲的状况下，首先发送一个STARTSTART信号掌管总线信号掌管总线；2. 2. 发送一个地址字节发送一个地址字节( (包括包括7 7位地址码和一位位地址码和一位R/W)R/W)；3. 3. 当被控器件检测到主控发送的地址与自己的地址相同时发送一个应答当被控器件检测到主控发送的地址与

25、自己的地址相同时发送一个应答信号信号(ACK)(ACK)；4. 4. 主控收到主控收到ACKACK后释放数据总线，开始接收第一个数据字节；后释放数据总线，开始接收第一个数据字节；5. 5. 主控收到数据后发送主控收到数据后发送ACKACK表示继续传送数据，发送表示继续传送数据，发送NACKNACK表示传送数据表示传送数据结束；结束；6. 6. 主控发送完全部数据后，发送一个停止位主控发送完全部数据后，发送一个停止位STOPSTOP，结束整个通讯并且释，结束整个通讯并且释放总线；放总线；四四. . 总线信号时序分析总线信号时序分析1. 1. 总线空闲状态总线空闲状态SDASDA和和SCLSCL两

26、条信号线都处于高电平，即总线上所有的器件都释放总线，两条信两条信号线都处于高电平，即总线上所有的器件都释放总线，两条信号线各自的上拉电阻把电平拉高；号线各自的上拉电阻把电平拉高；2. 2. 启动信号启动信号STARTSTART时钟信号时钟信号SCLSCL保持高电平，数据信号保持高电平，数据信号SDASDA的电平被拉低的电平被拉低( (即负跳变即负跳变) )。启动信号必。启动信号必须是跳变信号，而且在建立该信号前必修保证总线处于空闲状态；须是跳变信号，而且在建立该信号前必修保证总线处于空闲状态；3. 3. 停止信号停止信号STOPSTOP时钟信号时钟信号SCLSCL保持高电平，数据线被释放，使得保持高电平，数据线被释放，使得SDASDA返回高电平返回高电平( (即正跳变即正跳变) )，停，停止信号也必须是跳变信号。止信号也必须是跳变信号。4. 4. 数据传送数据传送SCLSCL线呈现高电平期间，线呈现高电平期间，SDASDA线上的电平必须保持稳定，低电平表示线上的电平必须保持稳定，低电平表示0(0(此时的线此时