《串行通信》课件

串行通信概述串行通信是一种常见的数据传输方式,通过一条信号线依次传输每一位数据。这种简单高效的通信方式被广泛应用于各种电子设备和计算机系统之间的数据交换。什么是串行通信数据传输方式串行通信是指数据传输过程中，一次只发送一个比特的数据信号。这种方式允许数据通过一条单独的线路逐个比特地传输。应用场景串行通信在计算机系统、微控制器、传感器和其他电子设备之间广泛应用。它提供了一种简单、可靠和节省资源的通信方式。串行通信的特点连续传输串行通信采用一位接一位的顺序传输数据,相比并行通信,减少了线路需求。时序依赖在串行通信中,发送方与接收方的时钟必须准确同步,保证正确解析数据。单工/半双工串行通信通常采用简单的单向或半双工传输方式,降低了硬件复杂度。成本低廉由于线路需求少,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数据获取从传感器或其他信源获取待传输的数据信号。数据编码将数据信号编码为数字比特流,以符合串行通信规范。数据传输通过单根信号线将编码后的数字比特流逐个发送至接收端。数据解码接收端将接收到的比特流解码还原为原始数据信号。同步串行通信数据同步同步串行通信要求发送方和接收方的时钟频率保持一致,并通过额外的同步信号来维持时钟同步。定义数据帧数据采用固定长度的数据帧传输,每个数据帧包含起始位、数据位和停止位等。数据处理效率由于带有额外的同步信号和帧结构,同步串行通信的数据传输效率略低于异步方式。异步串行通信自同步异步通信不需要主从设备之间的同步时钟信号,而是通过数据本身携带的开始和停止位来确定数据帧的边界。灵活性强异步通信不受传输速率和字长的限制,可以自由选择合适的参数,适应不同应用场景的需求。无需复杂硬件异步通信的硬件电路相对简单,仅需要基本的UART模块即可,无需额外的同步电路。延迟敏感由于没有同步机制,异步通信对时延和抖动较为敏感,需要仔细设计硬件和软件。同步和异步通信的区别时序同步同步通信中，发送端和接收端必须通过额外的时钟线或编码信号保持严格的时间同步，确保数据能按时正确传输。无需时序同步异步通信中，发送端和接收端无需共享时钟信号，而是在数据帧内包含起始位和停止位，让接收端自行检测和解析数据。通信效率不同同步通信效率较高，但需要额外的硬件支持。异步通信效率略低，但更加灵活简单。两种方式各有优缺点。串行通信接口设计硬件设计串行通信接口的硬件设计需要考虑时钟源、接收缓存、发送缓存等关键部件。此外,还要注意电平转换、防止失真的信号调理电路,以及电磁兼容性的问题。软件设计软件层面上,需要实现串口的初始化、数据的收发控制、错误处理等功能。同时还需要考虑数据帧的格式、波特率的设置、以及数据流控制等问题。协议选择根据通信需求的特点,如数据量大小、传输速率要求、同步异步需求等,选择合适的串行通信协议,如RS-232、RS-485、SPI、I2C等。系统集成将串行通信接口集成到整体系统中,需要考虑与其他模块的配合、系统性能和可靠性。同时还要进行充分的测试验证。常见串行通信协议RS-232协议RS-232是业界广泛应用的异步串行通信协议,用于短距离端到端通信,广泛应用于计算机外围设备连接。RS-485协议RS-485是一种多点总线型串行通信协议,支持多主多从拓扑,适用于工业现场总线和高噪音环境。SPI协议SPI是一种同步串行通信协议,采用主从结构,常用于微控制器与外围设备之间的通信。I2C协议I2C是一种双向两线串行通信总线协议,支持多主多从拓扑,广泛应用于嵌入式系统的内部通信。RS-232协议RS-232是一种广泛应用的串行通信协议,主要用于短距离的点对点数据传输。它定义了信号电压电平、接口和线缆规格、数据格式等通信标准,广泛应用于计算机、工业控制等领域。RS-232通过异步串行通信方式进行数据传输,可靠性和速度较高,在简单场景下应用广泛。但由于电压电平要求较高,传输距离受限,逐渐被新型协议如RS-485和UART取代。RS-232物理层规范电压电平RS-232规定了+3到+15V表示逻辑0，-3到-15V表示逻辑1。信号波形信号采用非对称双极性编码，且具有较快的电压跃变。接口连接使用9或25芯D型连接器以串行方式将设备互连。通信线缆通常使用双绞线缆实现有线传输，传输距离最长可达15米。RS-232数据帧格式1数据长度RS-232数据帧通常由1个起始位、5-8个数据位、1个停止位和可选的奇偶校验位组成。2起始位和停止位起始位用于指示数据帧的开始,停止位用于指示数据帧的结束。3奇偶校验位奇偶校验位可用于检测数据帧中的传输错误,增加通信的可靠性。4波特率RS-232数据帧以固定的波特率传输,通常范围为300-115200bps。RS-232传输特性波特率RS-232支持多种不同波特率，从110bps到115.2Kbps不等。用户可根据实际需求选择合适的传输波特率。传输距离RS-232最大传输距离为15米。如果需要更远距离的传输，则需要采用信号放大器或使用其他接口如RS-485。信号极性RS-232使用正负电压作为信号。逻辑"1"对应-3V到-15V之间的电压，逻辑"0"对应+3V到+15V之间的电压。数据帧格式RS-232数据帧由起始位、数据位、校验位和停止位组成。用户可根据实际需求配置不同的帧格式。RS-232接口电路RS-232接口电路主要包括以下几个部分:发送端驱动电路接收端缓冲放大电路电平转换电路信号控制电路这些电路模块通过特定的硬件连接和控制逻辑实现RS-232串行通信数据的发送和接收。RS-485协议RS-485是一种基于差分信号的多点通信协议，广泛应用于工业控制、楼宇自控等领域。它支持多台设备以总线拓扑连接，最多可连接32台设备，传输距离可达1200米。RS-485采用双绞线进行半双工通信，在噪音环境下具有良好的抗干扰能力。通信采用异步串行方式，支持全双工和半双工两种通信模式。RS-485物理层规范信号线RS-485使用两条信号线传输数据,一条为差分信号正线(D+),另一条为差分信号负线(D-)。屏蔽为了防止外部电磁干扰,RS-485通常使用带有屏蔽的双绞线电缆。总线拓扑RS-485采用多点总线拓扑结构,最多可连接32个设备,通信距离可达1200米。RS-485数据帧格式1开始位每个数据帧都以一个起始位来标识帧的开始。2数据位数据帧通常包含7位或8位的有效数据。3校验位为提高数据传输的可靠性,数据帧末尾会加入校验位。4停止位数据帧的最后一位是停止位,用于标识一个帧的结束。RS-485传输特性10M最大速率最高可达10Mbps的数据传输速率1.2K最大距离最大传输距离可达1.2km32设备数量最多可挂接32个设备设备RS-485是一种差分信号传输协议,具有高抗干扰性,可靠性强。采用半双工通信模式,允许多台设备挂载在同一总线上进行通信。RS-485具有较高的传输速率和距离,广泛应用于工业控制、自动化系统等领域。RS-485接口电路RS-485接口电路利用差分传输技术,可以实现远距离、高抗干扰的数据通信。它采用双绞线结构,在高噪声环境下性能出色,广泛应用于工业自动化、楼宇控制等领域。RS-485电路主要包括收发器芯片、终端电阻等,通过合理设计可实现稳定可靠的数据传输。同时,RS-485还支持多点通信,可构建高效的分布式控制系统。SPI协议SPI简介SPI(SerialPeripheralInterface)是一种同步串行通信协议,采用主从设备结构,通过4根线缆实现全双工通信。广泛应用于嵌入式设备、IC集成电路等领域。SPI特点SPI通信高速可靠,无需复杂的协议,硬件实现简单。但只能支持点对点通信,不能广播,只能在主从模式下工作。SPI物理层规范同步时钟SPI采用主从模式,主设备提供同步时钟信号,从设备根据时钟信号进行数据传输。数据线SPI使用两根双向数据线,一根用于主设备向从设备发送数据,另一根用于从设备向主设备发送数据。片选信号每个从设备有一个独立的片选信号线,主设备通过此线选择与之通信的从设备。SPI数据帧格式FramingSPI数据帧由多个字节组成,包括起始、数据和停止位。每次传输都由主设备控制。时序规则SPI遵循严格的时序要求,如时钟沿、数据有效边缘等,确保各设备能正确读写数据。主从机制SPI通信中,主设备控制时钟,从设备根据时钟在合适的时间采样数据。SPI传输特性SPI总线拥有灵活的时钟极性、相位和传输模式等特性,可根据设备的具体需求进行配置,以适应不同的通信场景。SPI接口电路SPI（串行外设接口）是一种同步串行数据传输协议，采用主从结构,使用4根信号线进行双向通信。其接口电路包括时钟信号线SCLK、数据输入线MISO、数据输出线MOSI以及片选信号CS,可实现简单高效的数据传输。SPI接口电路设计要注意时钟频率、传输时序、电平切换和总线争用等问题,以确保可靠稳定的数据交换。I2C协议I2C物理层规范I2C总线采用双线式双向通信,一根数据线SDA和一根时钟线SCL,支持多主设备和多从设备并行连接。I2C数据帧格式I2C帧由起始位、从地址、读/写位、数据位和停止位组成,实现单主机对多从机的寻址通信。I2C传输特性I2C总线支持多主从设备并行通信,并提供时钟同步和仲裁机制,确保总线使用的公平性。I2C物理层规范电气规范I2C接口使用开集电路拓扑,多设备可并联连接在总线上。总线上需有上拉电阻,以确保信号完整性。器件可以是标准驱动或强驱动类型。时序规范时钟线(SCL)由主设备产生,从设备同步数据线(SDA)操作。数据必须在时钟沿变化时保持稳定,以确保正确采样。引脚定义SDA为双向数据线,SCL为单向时钟线。此外还有一些可选信号,如RESE信号用于复位总线。连接规范总线上的每个设备将SDA和SCL引脚并联连接。拓扑为串行总线,可支持多主设备和多从设备。I2C数据帧格式1起始信号I2C通信由主机发起,首先产生一个起始信号来引导后续的数据传输。2从机地址主机在总线上发送7位从机地址,通知从机进行响应。3读/写位主机在从机地址后添加1位读/写标志位,指定通信方向。4数据传输主机或从机在地址确认后开始传输8位数据,可能有多个字节。I2C传输特性传输模式同时双向总线通信通信速率标准模式：100kbps，快速模式：400kbps总线容量400pF地址长度7位或10位数据长度每次传输1-255字节I2C总线具有同时双向通信、多主从控制、灵活的地址空间和高度的兼容性的特点。它能支持从低速到高速的多种通信速率,满足不同应用场景的需求。I2C接口电路集成电路接口I2C总线采用开漏输出和上拉电阻的方式来实现双向数据传输,具有简单可靠的特点。主从设备