《串行接口》课件

串行接口课程目标理解串行接口的概念掌握串行接口的基本定义、特点和分类。掌握串行接口的工作原理深入理解串行接口的数据传输机制、通信方式和协议。了解常见的串行接口协议学习RS-232、RS-485、CAN、I2C和SPI等常用接口协议。串行接口的特点数据传输方式串行接口一次只传输一位数据，数据位按顺序逐个发送。线路简单串行接口只需要一根数据线和一根地线，简化了连接和布线。传输距离远串行接口可以采用差分信号传输，减小信号衰减，提高抗干扰能力，适合长距离传输。成本低廉串行接口的硬件实现相对简单，成本较低。串行接口的分类同步串行接口同步串行接口使用一个公共时钟信号来同步发送和接收数据。这使得数据传输更加可靠，但同时也增加了硬件的复杂性。异步串行接口异步串行接口没有使用公共时钟信号。发送方和接收方各自使用自己的时钟信号来控制数据传输。这使得硬件更加简单，但也增加了数据传输的错误率。串行接口的基本工作原理1数据发送发送端将数据转换为串行信号，通过传输线发送至接收端。2数据传输串行信号以比特流的形式在传输线上进行传输。3数据接收接收端接收串行信号，并将其转换为原始数据。异步通信vs同步通信1同步通信发送方和接收方使用相同的时钟信号进行同步，确保数据传输的准确性。2异步通信发送方和接收方使用各自独立的时钟信号，通过起始位和停止位来识别数据帧。串行接口通信方式同步通信发送方和接收方使用同一个时钟信号进行同步，数据传输效率高。异步通信发送方和接收方使用各自的时钟信号，数据传输效率相对较低，但实现更简单。串行接口数据帧结构串行接口数据帧结构主要包含起始位、数据位、校验位和停止位等。起始位用于标识数据帧的开始，停止位用于标识数据帧的结束。数据位包含传输的数据信息，校验位用于检测数据传输过程中的错误。数据帧的结构根据不同的协议而有所不同，例如RS-232、CAN、I2C等协议都具有不同的数据帧格式。数据帧的结构决定了数据在串行接口中的传输方式，并保证数据传输的完整性和可靠性。串行接口握手机制确认确保双方已准备好进行数据传输同步协调发送方和接收方的时钟信号控制管理数据传输过程，包括数据流向和错误处理常见串行接口协议RS-232用于短距离通信，主要用于计算机与外设之间的通信。RS-422用于长距离通信，支持多点通信，主要用于工业控制领域。RS-485用于长距离通信，支持多点通信，主要用于工业控制领域。CAN总线用于汽车、工业自动化等领域，支持多点通信，具有较高的可靠性。RS-232接口标准RS-232是电子工业联盟（EIA）制定的串行通信接口标准，广泛用于计算机、外设和仪器仪表等设备之间的数据传输。RS-232接口采用DB-9或DB-25针连接器，用于连接不同的设备，例如计算机与调制解调器、打印机、鼠标等。RS-232接口使用异步串行通信方式，传输数据采用单向或双向传输方式，数据以异步的方式发送和接收。RS-232物理层RS-232标准定义了数据传输的物理层，包括连接器、信号电压、传输速率等。它是一种串行通信标准，使用平衡传输方式，信号通过两根线来传输，一根用于发送，另一根用于接收。RS-232标准规定了信号电压范围，发送数据使用负电压，接收数据使用正电压，并且定义了数据传输速率，通常在110bps到115.2kbps之间。RS-232信号定义1数据信号(D)传输实际数据，分为发送数据(TxD)和接收数据(RxD)两种。2控制信号(C)控制数据传输，包括请求发送(RTS)，清除发送(CTS)，数据载波检测(DCD)，数据终端就绪(DSR)等。3地信号(GND)作为信号参考点，保证信号传输的稳定性。RS-232引脚定义数据信号TD(TransmitData):传输数据RD(ReceiveData):接收数据控制信号RTS(RequesttoSend):请求发送CTS(CleartoSend):允许发送DTR(DataTerminalReady):数据终端准备就绪DSR(DataSetReady):数据设备准备就绪接地信号GND(Ground):接地RS-232通信过程数据发送发送设备将数据转换为串行信号，并通过RS-232接口发送到接收设备。信号传输串行信号通过电缆传输到接收设备。数据接收接收设备接收串行信号，并将数据转换为可读的格式。RS-422和RS-485接口RS-422接口RS-422接口是一种平衡传输接口，能够实现更长的传输距离。RS-485接口RS-485接口是一种多点传输接口，支持多个设备共享同一总线。RS-422与RS-485的对比特性RS-422RS-485传输距离最长1200米最长4000米数据传输率最高10Mbps最高10Mbps驱动器数量单端驱动差分驱动接收器数量单端接收差分接收抗干扰性较强更强应用场景工业控制，数据采集长距离通信，网络控制CAN总线标准控制器局域网络，简称CAN一种串行通信协议，用于实时控制应用高速数据传输，最高速率可达1MbpsCAN总线物理层CAN总线物理层定义了信号传输的介质和信号电平。它采用差分信号传输方式，即通过两根线之间的电压差来表示信号。CAN总线物理层主要包含以下几个方面：物理介质：双绞线信号电平：差分信号传输速率：最高可达1Mbps传输距离：标准CAN总线最大传输距离为40米，高速CAN总线最大传输距离为100米CAN数据帧格式CAN数据帧分为标准帧和扩展帧，它们具有不同的格式。标准帧最多可支持11位标识符，而扩展帧最多可支持29位标识符。CAN数据帧包含以下字段：起始符（SOF）：标识帧的开始。标识符（Identifier）：用于识别消息类型。数据长度码（DLC）：指示数据字段中的字节数。数据字段（Data）：实际传输的数据。CRC校验（CRC）：用于检测数据传输错误。ACK应答（ACK）：由接收节点发送，表示数据已正确接收。帧结束符（EOF）：标识帧的结束。CAN总线仲裁机制优先级分配CAN总线使用了一种基于数据帧ID的优先级分配机制，ID越小，优先级越高。仲裁过程多个节点同时发送数据帧时，会进行仲裁，优先级高的节点可以优先发送数据。位域比较仲裁过程通过逐位比较数据帧ID来确定优先级，从最高位开始比较，直到出现差异。CAN总线应用领域1汽车行业CAN总线广泛应用于汽车电子控制系统，例如发动机控制、变速箱控制、ABS系统等。2工业自动化CAN总线用于工业设备控制、数据采集、过程控制等，例如机器人控制、PLC系统等。3航空航天CAN总线应用于飞机、卫星等航空航天设备的控制和数据传输，例如飞行控制系统、姿态控制系统等。4医疗设备CAN总线用于医疗设备的控制和数据传输，例如医疗仪器、诊断设备等。I2C总线标准双线制I2C总线使用两条信号线：SDA（串行数据）和SCL（串行时钟）。低速I2C总线是一种低速通信协议，通常用于短距离通信。主从式I2C总线采用主从式通信模式，一个设备为主设备，其他设备为从设备。多路复用I2C总线支持多个从设备，每个设备都有唯一的地址。I2C物理层定义I2C总线采用双线制，分别为串行数据线SDA和串行时钟线SCL。SDA用于数据传输，SCL用于同步时钟信号，并提供数据传输控制。I2C总线支持多达1024个从设备，每个从设备都有唯一的地址。I2C通信模式开始条件SCL信号高电平，SDA信号由高电平向低电平下降，表示开始传输数据。停止条件SCL信号高电平，SDA信号由低电平向高电平上升，表示停止数据传输。重复开始条件在停止条件后，可以立即发送开始条件，继续进行数据传输，用于同一地址的多个数据传输。I2C从设备寻址7位地址每个I2C从设备都有一个唯一的7位地址，用于识别。地址范围地址范围从0x00到0x7F，共128个地址。地址分配地址分配由设备制造商决定，通常在产品手册中指定。SPI总线标准同步串行通信SPI使用同步串行通信协议，主设备控制时钟信号，确保数据同步传输。全双工通信主设备可以同时发送和接收数据，实现全双工通信。广泛应用SPI广泛应用于各种嵌入式系统中，例如传感器、存储器和显示器。SPI物理层定义SPI总线采用同步串行通信方式，使用4根信号线进行数据传输。这4根信号线分别是：SCK（时钟信号）MOSI（主设备输出，从设备输入）MISO（主设备输入，从设备输出）CS（片选信号）SPI总线支持全双工通信，即主设备和从设备可以同时发送和接收数据。SPI通信流程1起始信号主设备发送时钟信号2数据传输主设备发送数据，从设备接收数据3结束信号主设备停止时钟信号SPI主从设备通信1主设备SPI主设备发起通信，控制数据传输和时钟信号。2从设备SPI从设备响应主设备的请求