【大学课件】单片机原理及应用 串行接口及串行通信技术

单片机原理及应用-串行接口及串行通信技术串行通信是一种在数据传输中将数据逐位发送的方式，广泛应用于嵌入式系统、计算机网络和工业自动化。本节课程将深入探讨单片机的串行接口，以及串行通信技术的原理、实现和应用。单片机简介微型计算机单片机是将中央处理器(CPU)、内存、输入/输出(I/O)接口和外设集成在一个芯片上的微型计算机。嵌入式系统单片机通常用于嵌入式系统，即那些与特定应用程序紧密集成并执行特定任务的系统。广泛应用从家用电器和汽车到工业自动化和医疗设备，单片机在各种领域都有广泛的应用。单片机的组成部分1中央处理器(CPU)控制和执行程序，处理数据，是单片机的核心。2存储器存储程序和数据，包括程序存储器(ROM)和数据存储器(RAM)。3输入/输出接口与外部世界交互，接收外部信息，控制外部设备。4定时器/计数器提供定时功能，用于控制时间间隔和计数事件。CPU及其功能中央处理单元(CPU)单片机的大脑，执行指令、控制运算、处理数据、协调各部件运作。CPU从存储器中读取指令，并根据指令执行相应操作，比如算术运算、逻辑运算、数据传输、程序跳转等。存储器类型及特点ROM只读存储器，用于存储程序和数据，程序运行过程中无法修改。RAM随机存取存储器，可读写，存储程序和数据，断电后数据丢失。EEPROM电可擦除可编程只读存储器，可反复擦写，存储程序和数据。外部存储器外部存储器，如SD卡、U盘等，用于存储大量数据。输入/输出接口外部数据交互输入/输出接口是单片机与外部世界进行数据交换的桥梁，负责接收来自外部传感器、按钮等设备的数据，并将单片机内部处理后的数据输出到外部显示设备、执行机构等。多种接口类型单片机拥有多种类型的输入/输出接口，包括通用I/O口、串行接口、并行接口等，不同的接口类型适用于不同的应用场景。数据传输方式输入/输出接口可以采用多种数据传输方式，包括并行数据传输、串行数据传输，以及各种协议标准。电路设计输入/输出接口的电路设计需要考虑接口类型、数据传输方式、驱动能力、抗干扰能力等因素，确保接口的可靠性和稳定性。定时计数器定时器功能定时器可以精确地测量时间间隔，并根据设定时间进行计数。它们在单片机系统中扮演着重要角色，用于实现各种定时、延时、计数和控制功能。计数器功能计数器可以对外部脉冲信号进行计数，用于测量事件发生的频率或数量。例如，可以通过计数器测量电机转速或按键的按下次数。中断系统中断请求外设发出中断请求信号，通知单片机处理。中断响应单片机停止当前程序执行，转而处理中断服务程序。中断优先级多个中断同时发生时，根据优先级决定哪个中断先处理。中断返回中断服务程序执行完毕后，返回原程序继续执行。单片机的编程1语言选择C语言是单片机编程的常用语言，它简洁高效，易于移植，并提供丰富的库函数。2开发环境KeilC51是常见的单片机开发环境，它提供编译器、调试器、模拟器等工具，方便开发者进行程序编写和调试。3编程步骤首先，编写代码，并使用编译器将其转换成目标代码，然后将目标代码下载到单片机内部，最后进行运行调试。程序存储与运行1程序存储将程序代码写入单片机的存储器中2程序加载将存储器中的程序代码加载到CPU中3程序执行CPU逐条读取指令并执行单片机程序存储是指将编写好的程序代码写入单片机内部的存储器中，以便后续执行。程序加载则是将存储器中的程序代码加载到CPU中，供CPU读取和执行。程序执行是指CPU按照程序代码中的指令一步步执行，完成预定的功能。开发环境与编程软件集成开发环境(IDE)IDE提供代码编辑器、编译器、调试器等工具，方便开发者编写、调试和运行程序。汇编语言汇编语言是直接操作单片机硬件的语言，可实现精确控制，但编写难度较大。C语言C语言是一种结构化编程语言，具有可移植性强、效率高等优点，适合开发复杂程序。仿真器仿真器可以模拟单片机硬件环境，方便开发者测试和调试程序。串行通信基础知识数据传输方式串行通信将数据一位一位地按顺序传输。数据流数据以连续的位流形式发送和接收。通信协议定义数据格式、同步机制等通信规则。串行接口标准RS-2321标准接口RS-232是一种通用的串行通信标准，定义了数据信号、控制信号和机械接口规范。2信号传输RS-232采用差分信号传输，使用两条线来传输数据，提高抗干扰能力。3数据传输RS-232支持全双工通信，可以同时发送和接收数据，提高通信效率。4应用广泛RS-232广泛应用于计算机、外设、工业控制等领域，是串行通信的经典标准。RS-232接口电路RS-232接口电路通常包含一个串行接口控制器(UART)、一个电平转换器和一个连接器。UART将并行数据转换为串行数据，并执行信号处理和控制功能。电平转换器将UART输出的TTL电平转换为RS-232标准的电平，反之亦然。连接器通常为DB-9或DB-25类型，用于连接RS-232设备。接口电路还包括其他元件，例如电压调节器、晶振、滤波器等，以确保信号的可靠传输。异步串行通信协议异步串行通信协议异步串行通信协议是一种常用的通信方式，它使用起始位和停止位来标识数据的开始和结束，并且不需要统一的时钟信号，每个数据位可以在不同的时间发送。数据帧异步串行通信协议使用数据帧来传输数据，每个数据帧包含起始位、数据位、奇偶校验位和停止位。数据位根据需要可以是5位、7位或8位。时序图异步串行通信协议的时序图显示了每个数据位和起始位、停止位的发送时间，以及发送过程中使用的时钟信号。同步串行通信协议同步串行通信同步通信是指接收方和发送方使用同一个时钟信号来同步数据传输。同步通信通常使用特殊的同步字符或信号来标记数据帧的开始和结束。同步通信速度更快，数据传输效率更高，但需要更复杂的硬件和软件。同步通信协议同步通信协议规定了数据帧的格式、时钟同步方式以及错误检测和纠正机制。常用的同步通信协议包括：SDLC、HDLC、BISYNC等。UART及其工作原理UART简介UART是一种用于异步串行通信的通用异步收发器，在单片机与外部设备之间进行数据传输。UART工作原理UART将数据转换为串行数据流，通过数据线发送，同时接收串行数据流并转换为并行数据。UART数据格式起始位：表示数据开始数据位：表示数据内容奇偶校验位：用于检测数据传输错误停止位：表示数据结束UART控制信号发送使能信号接收使能信号数据准备好信号错误信号USART的特点及应用11.灵活性USART可以配置为多种通信模式，例如同步或异步通信，并支持各种数据格式。22.高效性USART支持高传输速率，可以满足各种应用的需求，例如数据采集、控制等。33.多功能性USART可用于多种通信场景，例如与计算机、传感器、外围设备等进行数据交换。44.广泛应用USART在工业自动化、仪器仪表、消费电子等领域得到广泛应用，是重要的串行通信接口。SPI总线通信串行通信SPI是一种同步串行通信协议，用于在主设备和从设备之间传输数据。时钟同步主设备控制时钟信号，确保数据传输同步。四线通信SPI通常使用四条线进行通信，包括时钟、数据输入、数据输出和片选。I2C总线通信I2C总线简介I2C是一种双线式同步串行通信总线，常用于低速数据传输。适用于连接单片机、传感器、存储器等外围设备。工作原理I2C总线使用两根线进行通信：SDA（数据线）和SCL（时钟线）。主设备通过发送时钟信号控制数据传输，从设备根据时钟信号接收数据。I2C总线特点数据传输速率较低，但功耗低、成本低。支持多主设备和多从设备，可扩展性强。CAN总线通信CAN总线架构CAN总线是一种多主系统，支持多个节点设备同时进行通信。通信协议CAN总线使用非破坏性仲裁机制，确保数据传输的可靠性和实时性。应用领域CAN总线广泛应用于汽车电子、工业自动化、航空航天等领域。网络结构CAN总线支持多种网络结构，例如总线型、树型和星型。串行通信技术应用案例串行通信技术在工业控制、智能家居、数据采集、医疗设备等领域都有广泛应用。例如，利用串行通信技术，可以将单片机与传感器连接，实现数据采集和控制；也可以将单片机与计算机连接，进行数据传输和交互。多机通信系统设计系统架构设计确定系统中各个单片机的功能和相互之间的通信方式。例如，一个单片机负责数据采集，另一个负责数据处理和显示。通信协议选择根据系统需求选择合适的通信协议，例如RS-232、SPI、I2C或CAN总线，并制定通信格式和数据传输方式。硬件电路设计设计单片机之间的连接电路，包括信号转换、隔离和保护等。软件编程实现编写单片机程序，实现数据接收、处理、发送等功能，并调试程序以确保系统正常运行。系统测试与调试对整个系统进行测试，验证系统功能和性能，并进行必要的调整和优化。串行通信故障诊断连接问题检查连接线、插头和接地是否完好，以及信号线是否正确连接。通信参数错误确认波特率、数据位、校验位和停止位设置是否一致。硬件故障检查串行接口芯片、晶振、电平转换电路等是否正常工作。软件错误检查通信协议、数据格式、程序代码等是否正确。串行接口的电路设计硬件选择选择合适的串行接口芯片，例如MAX232或FT232等，根据应用需求确定数据传输速率、信号电平等。电路连接将串行接口芯片连接到单片机的TXD、RXD、GND等引脚，并根据信号电平需要进行电平转换。电路调试利用示波器或逻辑分析仪等工具，观察波形，验证串行接口电路是否正常工作。串行通信软件编程1编程语言选择合适的编程语言，例如C语言、汇编语言等，实现串行通信功能。2数据格式定义数据传输的格式，包括数据类型、数据长度、校验码等。3通信协议根据串行通信协议，编写发送和接收数据的代码。4调试测试使用调试工具进行测试，确保程序的正确性和稳定性。串行通信封装与调试封装的目的将串行通信功能封装成函数或类，方便调用，减少重复代码。可提高代码可读性和可维护性，有利于团队合作开发。调试方法使用逻辑分析仪或示波器观察串行数据信号，验证数据传输的正确性。使用串口调试助手软件，发送和接收测试数据，验证程序逻辑的正确性。单片机与串行通信综合实践1项目选题根据实际需求，选择一个合适的项目进行实践。2方案设计设计整体方案，包括硬件电路、软件程序、通信协议等。3电路搭建根据方案图，搭建实物电路，并进行测试调试。4程序编写编写单片机程序，实现项目的功能，并进行调试验证。5系