《串行输入输出接口》课件

串行输入输出接口串行输入输出接口是计算机系统常见的数据传输方式。它通过两条线路进行单向数据传输,为硬件设备间提供可靠的数据交换。本节将深入介绍串行接口的特点和应用场景。课程目标和大纲学习目标掌握串行输入输出接口的基础知识,了解各种常见的串行通信标准及其特点。课程大纲包括串行通信基础、同步和异步通信、常见串行标准、RS-232/RS-422/RS-485、I2C、SPI、CAN总线等内容。实践训练通过编程实践,学习如何使用串行接口进行数据收发和信号控制。串行通信基础通信设备串行通信的主要设备包括主机、从机以及串行通信接口卡等。它们通过特定的线缆连接形成通信链路。通信协议串行通信采用预先商定的一系列规则和格式,确保数据能正确传输和接收,如同步、异步等。数据流向串行通信的数据可以单向传输,也可以双向传输,根据通信需求选择合适的数据流方式。同步和异步通信同步通信要求发送方和接收方时钟频率一致,通过时钟信号来准确识别数据的起始和结束。异步通信发送方和接收方的时钟独立运行,通过开始位和停止位来标记数据传输,不需时钟同步。时序特性同步通信时间关系严格,延迟和抖动较小;异步通信时间关系松散,延迟和抖动较大。握手机制同步通信无需握手,异步通信需要通过握手信号来确认数据传输。常见串行通信标准RS-232历史最悠久的串行通信标准，广泛应用于计算机外设和小型设备之间的数据交换。RS-422/485支持双线差分传输，提高抗干扰能力和传输距离。常用于工业控制、测量等领域。I2C总线由飞利浦公司开发的简单双线串行总线，用于芯片之间的低速数据交换。应用广泛。SPI总线全双工同步串行总线，用于芯片间的高速数据传输。在嵌入式系统中广泛使用。RS-232接口RS-232是一种常见的串行通信接口标准,主要用于连接计算机与外围设备。它采用异步传输,利用单根信号线进行全双工通信。RS-232接口具有简单、便捷等优点,广泛应用于工控系统、测量仪器等领域。通过了解其引脚定义、电气特性及通信模式,可以实现RS-232设备之间的有效连接和数据交换。RS-232引脚定义和电气特性RS-232引脚定义RS-232标准定义了25个引脚,其中最常用的有9个引脚。这些引脚用于传输数据、握手信号和电源。主要引脚包括:TXD(传输数据)、RXD(接收数据)、RTS(请求发送)、CTS(清除发送)、DCD(载波检测)、DTR(数据终端就绪)和DSR(数据设备就绪)等。RS-232电气特性RS-232使用负极性逻辑电平,即逻辑"1"为-3V至-15V之间,逻辑"0"为+3V至+15V之间。传输距离最长可达15米,传输速率最高可达20kbps。通过使用调制解调器,可以实现远距离传输。RS-232通信模式1点对点单台设备与单台设备之间的直接连接2广播单台设备向多台设备同步发送数据3半双工通信设备轮流发送和接收数据4全双工通信设备可以同时发送和接收数据RS-232串行通信支持多种工作模式,包括点对点、广播、半双工和全双工。点对点模式是最基础的,单台设备与单台设备之间进行直接通信。广播模式则允许一台设备同时向多台设备发送数据。半双工和全双工模式则定义了数据传输的方向,前者是轮流发送和接收,后者则可以同时进行。RS-232数据帧格式起始位数据位校验位停止位指示通信开始的标志位8位数据检验数据是否正确的位指示通信结束的标志位RS-232数据帧包含四个部分:起始位、数据位、校验位和停止位。起始位和停止位用于界定数据帧的范围,数据位携带实际的通信数据,校验位用于检测数据是否传输正确。这种帧格式确保了RS-232串行通信的可靠性和完整性。RS-232握手信号1RTS/CTS信号请求发送(RTS)和清除发送(CTS)信号用于控制数据发送流。当设备准备好接收数据时,它会设置CTS信号。2DTR/DSR信号数据终端就绪(DTR)和数据设备就绪(DSR)信号用于指示设备是否已准备好开始通信。3DCD信号数据载波检测(DCD)信号用于确认已建立通信连接。当数据载波存在时,DCD信号被激活。RS-232电缆连接识别接口引脚首先确认RS-232接口上的各个引脚定义,如TXD、RXD、GND等。选择合适的电缆根据设备接口类型,选择带有相应公头或母头的串行数据线。进行交叉连接通常需要将发送端(TXD)与接收端(RXD)相互连接,并连接接地线(GND)。配置硬件握手信号如果需要进行硬件流控,还需要连接RTS/CTS或DTR/DSR引脚。RS-232编程实践1初始化串口通过编程设置串口参数,如波特率、数据位、停止位和校验位,以确保正确的通信协议。2发送数据使用编程命令将数据从主机发送到外围设备,如发送文本字符串或二进制数据。3接收数据编程实现从外围设备接收数据,如读取输入缓冲区中的字符串或二进制数据。RS-422接口RS-422是一种全双工串行通信标准,采用差分信号传输,有较好的噪声抗干扰能力。RS-422接口可以在最高2.5Mbps的速率下实现通信,支持点对点和多点总线拓扑。它广泛应用于工业控制、医疗设备、航空航天等领域。RS-422电气特性RS-422是一种平衡式串行通信接口标准,它采用差分传输技术,具有以下主要电气特性:50Ω传输阻抗+5V驱动电压+/-5V差分电压10Mbps最大数据速率这些电气特性为RS-422提供了高速、抗干扰、长距离传输的能力,使其广泛应用于工业控制、测量等领域。RS-422差分信号信号稳定性高RS-422采用差分信号传输,可有效抑制电磁干扰,确保信号的稳定性和可靠性。传输距离长RS-422可以在几千米的距离内实现可靠通信,远远超过单端信号的传输范围。抗干扰能力强差分信号传输可以大幅降低共模干扰的影响,提高了通信系统的抗干扰能力。RS-485接口RS-485是一种多点半双工串行通信总线标准,被广泛应用于工业自动化、楼宇智能等领域。它采用差分信号传输,具有较强的抗干扰能力,能够在较长距离上可靠传输数据。RS-485允许一条总线上连接多达32台设备,支持最大传输距离达1200米。RS-485通常由收发器芯片实现,设备通过总线上的收发器进行通信。总线两端均需要接入120欧姆的终端电阻,以匹配特性阻抗,防止信号反射。RS-485电气特性RS-485是一种平衡式差分通信接口标准,它使用双绞线电缆实现全双工通信。RS-485电气特性包括高共模抗噪能力、长距离传输、多点总线拓扑等。它采用差分信号传输,电压范围为-7V到+12V,抗噪能力强,同时支持多个发送端和接收端并联连接。RS-485总线拓扑1点对点两个设备直接相连2半双工单向数据传输3总线拓扑多个设备共享总线线4主从结构一主多从设备连接RS-485总线拓扑支持多种连接方式,包括点对点、半双工、总线和主从结构。这种灵活的拓扑结构使得RS-485应用更加广泛,适用于工业自动化、楼宇控制等领域。总线结构可以连接多个设备,主从结构则有一个主控设备管理多个从设备,满足不同应用场景的需求。RS-485收发器1双向通信RS-485收发器可实现全双工通信,使设备可以同时发送和接收数据。2差分信号RS-485使用差分信号传输,抗干扰性强,可传输距离长达1200米。3多点连接RS-485支持32台设备并联在同一总线上,实现多点通信。4自动收发切换RS-485收发器可自动切换到发送或接收模式,无需额外控制。I2C总线I2C总线结构I2C总线由两根串行通信线组成,分别为串行数据线(SDA)和串行时钟线(SCL)。多个设备通过这两根线连接在同一总线上。I2C通信协议I2C通信遵循主从机制,主机控制总线,从机根据主机的命令执行相应的操作。通信过程包括起始信号、从机地址、读/写位、数据传输等步骤。I2C广泛应用I2C总线广泛应用于各种微控制器、传感器、存储器等设备的内部通信,是嵌入式系统中常用的串行通信接口。I2C时序及协议1时钟与数据I2C总线使用时钟线(SCL)和数据线(SDA)进行同步通信。时钟线由主设备产生,数据线双向传输数据。2读写时序I2C使用起始信号、7位或10位地址、读/写位、数据字节、停止信号等组成时序。每个数据传输由主设备发起和控制。3时钟同步从设备可以通过拉低SCL线暂停时钟,让主设备等待,以避免数据溢出。这种时钟同步机制确保了可靠的数据传输。SPI总线SPI（SerialPeripheralInterface）是一种同步串行总线通信协议。它采用主从结构,通过数据线和时钟线在主设备和从设备之间进行全双工通信。SPI通信具有高速、低成本、可靠性强等优点,广泛应用于嵌入式系统、工业控制等领域。SPI总线由4根信号线组成:SCLK（时钟线）、MOSI（主->从数据线）、MISO（从->主数据线）和SS（片选线）。主设备通过SCLK控制数据传输的时序,通过SS选择与哪个从设备通信。SPI时序及协议1开始帧SPI通信以从机设备发出的开始帧开始2数据传输主机和从机在时钟信号下交互数据3停止帧通信结束时主机发送停止帧信号SPI（SerialPeripheralInterface）总线是一种同步串行通信协议,常用于微控制器与外围设备之间的数据交换。SPI采用主从结构,包括开始帧、数据传输和停止帧3个过程。主机提供时钟信号,从机根据时钟信号与主机交互数据。整个通信过程高度同步,确保数据准确无误地传输。CAN总线CAN总线(ControllerAreaNetwork)是一种多主设备的串行通信总线标准,广泛应用于汽车电子系统中。它采用差分信号传输,具有高可靠性和抗干扰性。CAN总线的数据传输速度可达1Mbps,支持多主设备即时通信,设备间发送和接收报文无需主从关系。它可以将分散的控制单元有效集成,提高系统可靠性和可扩展性。CAN物理层和链路层物理层CAN采用双绞线总线方式,使用差分信号传输,可以抑制共模干扰,提高抗噪性能。物理层定义了电平、编码等硬件特性。链路层CAN采用CSMA/CA协议,提供帧格式、仲裁机制和差错控制等功能。链路层确保数据在总线上有序传输,提高通信可靠性。通信特性CAN具有高速、高可靠、低成本等特点,广泛应用于汽车电子、工业自动化等领域。CAN应用实例汽车电子控制系统CAN总线广泛应用于汽车电子控制系统,连接发动机、变速箱、空调等各种车载控制单元,实现高效、可靠的数据通信。医疗设备监控CAN总线技术也被广泛应用于医疗设备,如输液泵、心电监护等,通过多设备之间的互联实现远程监控和数据分析。工业自动化控制CAN总线在工业自动化领域发挥重要作用,连接工厂内各种设备和控制系统,支持实时数据采集和高可靠性控制。串行接口的性能指标1M带宽最大数据传输速率1μs时延从发送到接收之间的延迟时间99.99%可靠性数据传输的准确性和稳定性10y寿命设备的使用寿命和耐用性串行接口的性能指标包括带宽、时延、可靠性和寿命等多个方面。高带宽支持快速传输大容量数据,低时延确保及时响应,可靠性确保数据准确传输,长寿命保证设备持续稳定运行。这些指标反映了接口的整体性能水平。串行接口的应用领域工业自动化串行接口广泛应用于工厂设备、机器人控制系统和传感器网络中,实现高可靠性的数据传输。医疗设备串行通信用于连接医疗设备,如监护仪、CT扫描仪和超声波成像设备,确保安全可靠的数据传输。通信系统串行接口在电信基站、路由器和交换机等通信设备中使用,支持高速高带宽的数据交换。汽车电子汽车中广泛采用串行总线CAN总线,用于连接车载电子系统,实现高效可靠的数据传输。未来发展趋势更高速度和容量随着数据量的不断增加,未来串行通信接口将向更高的传输速率和更大的数据容量发展。光纤和无线通信技术将成为主流。标准化和集成化不同类型的串行接口将进一步标准化和集成,支持更广泛的应用场景。接口芯片集成度将大幅提高,降低成本。智能化和自适应串行接口将更智能化