【大学课件】单片机的串行通信技术

单片机的串行通信技术单片机串行通信技术是一种高效的数据传输方式，广泛应用于各种嵌入式系统。它使用一根数据线进行数据传输，相比并行通信，串行通信节省了引脚数量，降低了硬件成本。什么是串行通信1数据传输方式单片机将数据按位顺序依次传输，通过一根或两根线进行通信。2数据传输方向可以是单向或双向，根据应用场景选择合适的通信方式。3通信媒介可以使用电线、光纤或无线电波等媒介进行数据传输。4应用广泛广泛应用于各种电子设备，包括传感器、显示器、存储器等。串行通信的特点线路简单只需要两根线就可以实现数据传输，相比并行通信，线路更简洁，成本更低。传输距离远串行通信可以采用差分信号传输，抗干扰能力强，适用于远距离数据传输。传输速度快串行通信可以采用高速传输技术，适用于高速数据传输场景，例如高速数据采集和控制。数据传输效率高串行通信一次只传输一位数据，但数据传输效率并不低，因为只需要一根数据线，减少了线路损耗。串行通信的分类同步串行通信发送方和接收方使用同一个时钟信号，保持同步。异步串行通信发送方和接收方使用各自的时钟信号，通过起始位和停止位进行同步。同步串行通信同步时钟同步串行通信使用一个单独的时钟信号来同步发送方和接收方。数据传输数据在时钟信号的控制下进行传输，确保数据在正确的时间点被读取。由于数据在时钟信号的控制下进行传输，因此无需使用起始位和停止位来同步发送方和接收方。异步串行通信数据传输无需时钟信号同步发送方和接收方无需使用相同的时钟信号，各自分别控制数据传输速率。每个字节独立传输每个数据字节的传输都是独立的，无需考虑其他字节的传输状态。接收机与发送机的同步问题时钟信号接收机和发送机需要使用相同的时钟信号来保证数据传输的同步性。同步方式同步串行通信通过同步时钟信号来保证接收机和发送机保持一致，而异步串行通信则依靠起始位和停止位来实现同步。同步重要性同步问题是串行通信中一个重要的问题，它直接影响着数据传输的准确性和可靠性。起始位、数据位与停止位起始位起始位是一个逻辑低电平信号，它表示数据帧的开始，接收方收到起始位后，开始接收数据位。数据位数据位是实际传输的数据，包含要发送的信息，数据位数根据具体的通信协议而有所不同。停止位停止位是结束数据帧的信号，通常为逻辑高电平，表示数据传输结束，接收方收到停止位后，停止接收数据。波特率的概念波特率是指每秒传输的比特数单位波特率（bps）影响因素通信速率和传输效率波特率越高，传输速度越快，但是数据传输的可靠性可能降低。选择合适的波特率需要权衡通信速度和可靠性之间的平衡。常见的串行通信协议UART通用异步接收/发送器，应用广泛。SPI同步串行外设接口，数据传输速度快。I2C双线串行总线，适用于通信距离短、数据量小的场合。CAN控制器局域网络，用于工业自动化领域。UART协议11.通用异步接收/发送器UART是通用异步接收/发送器的缩写，是一种常用的串行通信协议。22.异步数据传输数据传输不需要同步时钟，发送方和接收方可以以不同的速度运行。33.简单易用UART协议结构简单，易于实现，并且广泛应用于各种微控制器。44.应用广泛UART协议被广泛应用于各种应用场景，如人机交互、数据采集等。UART通信原理1数据封装将数据转换为串行数据流2串行传输通过单根数据线传输数据3数据接收接收串行数据流并还原数据4数据解析解析数据帧，提取有效数据UART通信通过将数据转换为串行数据流，再通过单根数据线传输数据，接收端再还原数据，最终解析数据帧提取有效数据。UART通信帧格式起始位每个UART帧以一个逻辑低电平的起始位开始，用于标识数据传输的开始。数据位紧随起始位的是数据位，通常为5、6、7或8位，表示要传输的数据信息。奇偶校验位可选的奇偶校验位用于检测数据传输过程中的错误，确保数据完整性。停止位帧的最后以一个或多个逻辑高电平的停止位结束，表示数据传输的结束。UART通信编程实例1配置串口设置波特率、数据位、奇偶校验、停止位等参数。2发送数据使用UART发送函数将数据发送到串口。3接收数据使用UART接收函数从串口读取数据。4处理数据根据接收到的数据执行相应的操作。UART通信编程实例通常涉及配置串口参数、发送数据和接收数据等操作。在实际应用中，还需要考虑数据处理、错误处理等问题，以确保通信的可靠性和稳定性。SPI协议定义SPI(SerialPeripheralInterface)是一种同步串行通信协议，用于微处理器和外围设备之间的数据传输。特点SPI协议使用四线通信，分别为时钟信号(SCK)、数据输入(MISO)、数据输出(MOSI)和片选信号(CS)。SPI通信原理1串行外设接口SPI(SerialPeripheralInterface)是同步串行通信接口，广泛应用于单片机与外设之间的数据传输。2数据传输SPI通信采用主从模式，主设备控制时钟和数据传输方向，从设备被动接收指令并进行数据交换。3通信协议SPI使用四条信号线进行通信，包括时钟信号(SCK)、数据输入信号(MOSI)、数据输出信号(MISO)和片选信号(CS)。SPI通信特点与应用高速数据传输SPI协议支持高达数十兆赫兹的传输速度，适用于高性能应用场景。简单易用SPI协议拥有简洁的通信协议和简单的硬件接口，易于实现和使用。广泛应用SPI广泛应用于各种电子设备中，例如传感器、存储设备、显示器、音频设备等。SPI通信编程实例1示例一：数据传输使用SPI协议，将单片机上的数据传输到外部设备，例如传感器或存储器。2示例二：控制外设通过SPI协议控制外部设备，例如LCD显示屏、EEPROM或DAC转换器。3示例三：多机通信在多个单片机之间建立SPI通信，实现数据交换或协同工作。I2C协议双线通信I2C协议仅使用两根数据线：SDA和SCL，用于数据传输和时钟同步。多主机多个主机设备可以连接到同一个I2C总线，实现多个设备之间的数据交换。多从机一个I2C总线上可以连接多个从机设备，每个从机都有唯一的地址，用于识别。低速I2C协议的传输速率通常较低，适用于对传输速度要求不高的场合。I2C通信原理双线制通信I2C总线仅使用两根线，一根数据线（SDA）和一根时钟线（SCL）。主从模式I2C总线上存在一个主设备和一个或多个从设备。主设备发起通信主设备通过发送起始信号，选择从设备，并进行读写操作。同步时钟信号主设备控制时钟线，所有设备同步数据传输。地址码识别每个从设备都有一个唯一的地址码，用于主设备识别和访问。I2C通信帧格式起始条件SCL为高电平，SDA为低电平，表示开始传输数据。地址字节发送器发送一个7位的地址字节，其中最高位表示读写方向。SDA在每个时钟脉冲的下降沿发生数据变化。读/写字节发送器发送数据字节，接收器接收数据字节，SDA在每个时钟脉冲的下降沿发生数据变化。应答位接收器在每个数据字节传输后发送一个应答位，表示数据接收成功。SDA在每个时钟脉冲的下降沿发生数据变化。I2C通信编程实例1初始化配置I2C模块，设置I2C地址和通信速度2发送数据使用I2C协议发送数据到目标设备3接收数据从目标设备接收数据并进行处理4结束完成通信，释放I2C资源可以使用C语言或汇编语言编写I2C通信程序，需要根据具体的单片机型号和I2C器件进行调整。其他串行通信协议RS-232RS-232是一种常用的串行通信协议，广泛应用于计算机和外设之间的数据传输。RS-485RS-485是一种平衡式的串行通信协议，具有抗干扰能力强、传输距离远的特点。LIN总线LIN总线是一种低成本、低速的串行通信协议，主要用于汽车电子控制系统。CAN总线协议汽车电子应用CAN总线广泛应用于汽车电子系统中，例如发动机控制、安全气囊、防抱死系统等，确保了车辆的稳定性和安全性。工业自动化在工业自动化领域，CAN总线用于控制电机、传感器、执行器等，提高生产效率和自动化程度。医疗设备CAN总线应用于医疗设备，例如医疗仪器、手术机器人等，提高了医疗设备的可靠性和安全性。1-Wire总线协议单线通信1-Wire协议是一种串行通信协议，只需要一条数据线即可实现双向通信。简单易用该协议不需要额外的地址线或控制线，简化了硬件设计，易于实现。应用广泛1-Wire协议被广泛应用于温度传感器、压力传感器、EEPROM等各种应用中。并行通信与串行通信的比较并行通信并行通信使用多条数据线同时传输数据，速度快，但成本高，线缆复杂。串行通信串行通信使用一条数据线逐位传输数据，速度慢，但成本低，线缆简单。应用场景并行通信常用于高速数据传输，如内存与CPU之间的通信；串行通信常用于低速数据传输，如单片机与外设之间的通信。串行通信在单