《微控制器的串行通信》课件.ppt

微控制器的串行通信欢迎来到微控制器串行通信课程。本课程将深入探讨微控制器中各种串行通信协议的工作原理、特点及应用场景，包括UART、SPI、I2C、CAN和USB等主流协议。我们将通过理论与实践相结合的方式，帮助您全面掌握微控制器串行通信技术。

课程概述1课程目标本课程旨在帮助学习者全面理解微控制器中各种串行通信协议的原理与应用，掌握不同协议的选择标准，并能够独立设计和实现基于串行通信的嵌入式系统。通过理论学习和实践操作，培养学习者解决通信问题的能力。2主要内容我们将详细介绍UART/USART、SPI、I2C、CAN和USB等主流串行通信协议的工作原理、特点和应用场景。同时，课程将包含丰富的实例和案例研究，帮助学习者将理论知识应用到实际项目中。学习成果

串行通信简介定义串行通信是一种数据传输方式，其中数据以单个比特的形式按顺序在单一通道上传输。与并行通信不同，串行通信通过减少通信线路数量，降低了系统复杂度和成本，同时提高了传输可靠性和距离。优势串行通信具有线路简单、抗干扰能力强、传输距离长等优点。随着技术的发展，现代串行通信的速度已经能够满足大多数应用需求，因此在各类电子设备中广泛应用。应用领域串行通信在嵌入式系统、物联网设备、工业控制、汽车电子、通信设备等众多领域扮演着重要角色。几乎所有现代电子设备内部都采用某种形式的串行通信来连接不同功能模块。

串行vs并行通信串行通信串行通信通过单一数据线一位一位地顺序传输数据。优点包括线路简单、成本低、抗干扰能力强、传输距离长；缺点是在相同时钟频率下传输速率相对较低。随着技术发展，通过提高时钟频率和采用差分信号等技术，现代串行通信已达到极高速度。并行通信并行通信通过多条数据线同时传输多位数据。优点是在相同时钟频率下传输速率高；缺点包括线路复杂、成本高、易受干扰、传输距离受限，且存在时钟偏斜问题。随着频率提高，并行总线间的串扰和时序问题日益突出。

串行通信的基本原理数据编码串行通信首先需要将并行数据转换为串行比特流。数据编码方式包括NRZ（非归零码）、曼彻斯特编码等，不同的编码方式具有不同的带宽效率和时钟恢复能力。现代通信多采用差分信号提高抗干扰能力。数据传输编码后的数据按照特定的协议规则在物理媒介上传输。传输可以是单向的或双向的，可以是同步的或异步的。传输速率由发送方和接收方共同约定，通常以比特每秒（bps）为单位。时钟同步同步串行通信需要发送方和接收方共享时钟信号，确保数据采样的准确性。异步串行通信则不共享时钟，而是通过起始位、停止位和预先约定的波特率来实现同步。不同协议采用不同的同步机制。

常见的串行通信协议UART/USART通用异步收发器，是一种简单的点对点全双工通信协议，广泛用于设备调试和低速通信。USART增加了同步模式，提供更灵活的通信选项。SPI串行外设接口，是一种同步全双工主从通信协议，具有高速、简单的特点，常用于微控制器与外设如传感器、显示器、存储器等的通信。I2C集成电路总线，是一种两线制半双工同步通信协议，支持多主多从，广泛用于微控制器与低速外设如EEPROM、传感器等的通信。CAN控制器局域网，是一种差分信号多主通信协议，具有高可靠性和抗干扰能力，广泛应用于汽车电子和工业控制领域。

UART/USART通信定义UART（通用异步收发器）是一种将并行数据转换为串行数据进行传输的硬件电路。USART（通用同步异步收发器）则在UART基础上增加了同步通信模式。这两种接口在几乎所有微控制器中都有内置，是最基础的串行通信接口。特点UART通信只需要两根信号线（发送TX和接收RX）即可实现全双工通信，无需共享时钟，设置灵活。它的优点是接口简单、广泛支持；缺点是仅支持点对点通信，速度相对较低，典型波特率为9600至115200bps，通信距离有限。

UART通信原理空闲状态UART通信在空闲状态下，发送线保持高电平。这是通信开始前的默认状态，也是每个数据帧传输完成后的状态。起始位发送通信开始时，发送方首先发送一个低电平位（起始位），这使接收方能够检测到通信的开始，并开始数据采样准备。数据位传输起始位之后，按照预先设定的数据格式（通常为5-9位），依次发送数据位。数据可以是LSB（最低位）优先或MSB（最高位）优先，现代系统多采用LSB优先。校验位（可选）数据位之后可以跟随一个校验位，用于简单的错误检测。常见的校验方式包括奇校验、偶校验和无校验。停止位发送最后发送1个或2个高电平位（停止位），表示当前数据帧结束。停止位也为接收方提供了处理接收数据的时间。

UART信号线TX（发送）TX线用于发送数据，连接到接收方的RX端。在空闲状态下保持高电平。发送方通过在此线上产生电平变化来传输比特流。在实际应用中，TX线通常由MCU的UART发送引脚直接驱动。RX（接收）RX线用于接收