《串行通信及其接口》课件

串行通信及其接口课程目标理解串行通信的基本概念和工作原理。掌握常见的串行通信接口标准及其应用。能够使用串行通信接口进行数据传输和设备控制。什么是串行通信串行通信是一种数据传输方式，数据一位一位地依次传输，数据在一条线上按顺序进行传输，一次只传输一个数据位。与并行通信相比，串行通信使用更少的线路，成本更低，但传输速度更慢。串行通信在数据传输距离较远或传输速率要求不高的情况下应用广泛。串行通信原理1数据位包含实际要传输的信息。2起始位用于通知接收器数据传输的开始。3停止位用于通知接收器数据传输的结束。4校验位用于检测数据传输过程中的错误。同步串行通信时钟信号同步串行通信使用一个公共时钟信号，由发送方和接收方共享。此时钟信号控制数据的传输和接收。数据同步发送方和接收方通过同步时钟信号保持数据传输的同步，确保数据在正确的时间被发送和接收。异步串行通信独立时钟发送方和接收方使用各自的时钟，无需同步。起始位和停止位每个数据帧包含起始位和停止位，用于帧同步。校验位可选校验位用于检测数据传输错误。差分串行通信抗干扰能力强差分信号在传输过程中，由于两条线路上的信号相位相反，因此共模噪声会被抵消，从而提高抗干扰能力。传输距离远差分信号可以传输更远的距离，因为它们对噪声的敏感度更低。数据传输速率高差分信号的上升和下降时间更快，因此可以实现更高的数据传输速率。串行通信接口标准RS-232早期应用于计算机与外设的串行通信RS-485工业领域常用，可实现多点通信USB通用串行总线，适用于各种设备CAN总线汽车电子领域，实现节点间通信RS-232通信接口RS-232是EIA（电子工业联盟）制定的串行通信接口标准，它是一种常用的异步串行通信接口，常用于计算机与外设之间的通信，例如鼠标、键盘、打印机等。RS-232接口引脚定义2数据引脚TD(TransmitData):发送数据RD(ReceiveData):接收数据3控制引脚RTS(RequesttoSend):请求发送CTS(CleartoSend):清除发送4接地引脚GND(Ground):接地RS-232接口电气特性信号类型电压范围逻辑电平数据信号-15Vto-3V逻辑“1”数据信号+3Vto+15V逻辑“0”RS-232通信线缆9针连接器最常见的RS-232连接器，通常用于台式机和笔记本电脑。25针连接器较老的连接器，通常用于工业设备和服务器。数据线缆RS-232线缆用于连接设备，通常采用屏蔽线以减少干扰。RS-232通信协议1异步串行通信协议基于异步通信方式，使用起始位、数据位、校验位和停止位来进行数据传输。2数据格式灵活支持多种数据位长度、校验位类型和停止位数量，以满足不同的应用需求。3简单易用相对其他协议，RS-232协议较为简单，易于实现和使用。RS-422和RS-485通信接口RS-422和RS-485是两种常用的串行通信接口标准，它们在工业控制、仪器仪表等领域得到了广泛应用。RS-422和RS-485通信接口相比RS-232接口具有更高的传输速率、更长的传输距离和更强的抗干扰能力。RS-422和RS-485电气特性RS-422采用差分信号传输,抗干扰能力强最大传输距离可达1.2km支持多点通信,可连接多台设备RS-485采用差分信号传输,抗干扰能力强最大传输距离可达1.2km支持多点通信,可连接多台设备RS-422和RS-485通信线缆RS-422和RS-485通信线缆采用屏蔽双绞线，具有较强的抗干扰能力。RS-422线缆通常采用两根屏蔽双绞线，用于传输差分信号，而RS-485线缆通常采用四根屏蔽双绞线，用于传输差分信号和地线。RS-422线缆主要用于点对点通信，而RS-485线缆可以实现多点通信，即多个设备可以共用一条通信线缆。RS-422和RS-485线缆的传输距离可达1.2公里。USB通信接口普及型接口USB接口几乎成为所有现代设备的标配，便于连接各种外设。高速传输USB接口支持多种传输速度，从低速到高速，甚至超高速，满足不同应用需求。灵活扩展USB接口可以轻松扩展，通过集线器和扩展卡连接更多设备。USB接口拓扑结构1总线型所有设备连接到一条总线上，通过总线进行通信。2星型所有设备都连接到一个中心集线器，通过集线器进行通信。3树型多个集线器级联，形成树状结构，提高了连接设备的数量。USB通信协议通用串行总线协议USB协议是一种开放式标准，用于在计算机和其他电子设备之间传输数据。层次化结构USB协议采用层次化结构，包括物理层、数据链路层、传输层和应用层。灵活性和可扩展性USB协议支持多种设备类型，并可扩展以适应未来的技术发展。CAN总线通信接口控制器局域网络(CAN)是一种广泛应用于汽车、工业自动化和医疗设备等领域的串行通信协议。它是一种高效、可靠、实时性强的通信协议，被广泛应用于各种应用场景。CAN总线物理层2数据线CAN总线使用两根数据线进行差分信号传输，提高抗干扰能力。1电源线为CAN总线提供电源，确保正常工作。1地线提供电流回流路径，保证电气安全。CAN总线数据链路层帧格式CAN数据帧包含起始符、仲裁域、控制域、数据域、CRC校验、ACK应答、帧结束符等字段。仲裁机制CAN总线采用优先级仲裁机制，优先级高的节点可以抢占总线控制权，保证重要信息优先传输。CAN总线通信协议报文格式CAN报文由帧头、仲裁域、数据域和帧尾组成，用于数据传输和节点间通信。错误处理协议包含错误检测机制，识别并处理传输过程中的错误，确保数据完整性和可靠性。同步机制CAN总线采用同步通信机制，确保所有节点共享同一时钟信号，协调数据传输。I2C总线通信接口I2C（Inter-IntegratedCircuit）总线是一种双线式同步串行通信协议，常用于微控制器和外围设备之间的数据交换。它具有简单、易于实现、成本低廉的特点，广泛应用于嵌入式系统中。I2C总线物理层信号线描述SDA串行数据线，双向SCL串行时钟线，双向I2C总线通信协议起始条件发送器拉低SDA线，然后拉低SCL线，表示开始传输数据。数据传输数据以字节为单位传输，每个字节由8位数据位组成，从MSB到LSB。应答信号接收器在接收到一个字节后，会拉低SDA线，以应答发送器。停止条件发送器拉高SDA线，然后拉高SCL线，表示结束传输数据。SPI总线通信接口灵活的控制SPI接口支持多种数据传输模式，包括全双工和半双工，以及各种时钟极性和相位配置，为开发者提供高度灵活的控制选项。广泛的应用SPI接口广泛应用于各种应用场景，包括微控制器与外设之间的通信，以及不同外设之间的互联，例如传感器、存储器和显示器。SPI总线物理层4线SPI总线使用四根信号线：时钟（SCK）、数据输入（MOSI）、数据输出（MISO）和选择信号（SS）。1主设备SPI总线通常有一个主设备和一个或多个从设备。1从设备主设备控制总线的时钟频率和数据传输方向。1选择信号选择信号用于选择与主设备进行通信的特定从设备。SPI总线通信协议时钟同步主设备通过时钟信号控制