串行通信介紹

串行通信 Serial Communication

介紹

嵌入式電子產(chǎn)品全部是關(guān)于互連電路（處理器或其他集成電路）以創(chuàng)建共生系統(tǒng)。 為了讓這些單獨(dú)的電路交換他們的信息，他們必須共享一個(gè)通用的通信協(xié)議。 已經(jīng)定義了數(shù)百種通信協(xié)議來實(shí)現(xiàn)這種數(shù)據(jù)交換，并且通常每種協(xié)議都可以分為兩類：并行或串行。

并行與串行

并行接口同時(shí)傳輸多個(gè)位。 他們通常需要數(shù)據(jù)總線 - 通過八根，十六根或更多的電線進(jìn)行傳輸。 數(shù)據(jù)以巨大的1和0的巨大沖擊波傳輸。

一個(gè)8位數(shù)據(jù)總線，由一個(gè)時(shí)鐘控制，每個(gè)時(shí)鐘脈沖發(fā)送一個(gè)字節(jié)。 使用9根導(dǎo)線。

串行接口每次只傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)。 這些接口可以在一根電線上工作，通常不會(huì)超過四根。

串行接口示例，每個(gè)時(shí)鐘脈沖發(fā)送一位。 只需要2根電線！

將兩個(gè)接口想象成一串汽車：一個(gè)并行接口將是8+車道的大型高速公路，而串行接口更像是一條雙線農(nóng)村鄉(xiāng)村公路。 在一段時(shí)間內(nèi)，大型高速公路可能會(huì)讓更多的人到達(dá)目的地，但是這個(gè)雙向農(nóng)村地區(qū)的服務(wù)宗旨和成本只是建立資金的一小部分。

并行通信當(dāng)然有其好處。 它快速，簡(jiǎn)單并且相對(duì)容易實(shí)施。 但它需要更多的輸入/輸出（I / O）線。 如果你曾經(jīng)將一個(gè)項(xiàng)目從一個(gè)基本的Arduino Uno移動(dòng)到一個(gè)Mega，那么你就知道微處理器上的I / O線可能很珍貴，而且很少。 所以，我們經(jīng)常選擇串行通信，犧牲潛在的引腳傳輸速度。

異步串行

多年來，已經(jīng)制作了數(shù)十種串行協(xié)議來滿足嵌入式系統(tǒng)的特殊需求。 USB（通用串行總線）和以太網(wǎng)是幾個(gè)更為人熟知的計(jì)算串行接口。其他非常常見的串行接口包括SPI，I2C和今天要討論的串行標(biāo)準(zhǔn)。每個(gè)串行接口都可以分為兩組：同步或異步。

同步串行接口總是將其數(shù)據(jù)線與時(shí)鐘信號(hào)配對(duì)，因此同步串行總線上的所有器件共享一個(gè)公共時(shí)鐘。這使得更簡(jiǎn)單，通常更快的串行傳輸，但它也需要通信設(shè)備之間至少一個(gè)額外的電線。同步接口的例子包括SPI和I2C。

異步意味著數(shù)據(jù)在沒有外部時(shí)鐘信號(hào)支持的情況下傳輸。這種傳輸方式非常適合最小化所需的線路和I / O引腳，但這確實(shí)意味著我們需要付出一些額外的努力來可靠地傳輸和接收數(shù)據(jù)。這里討論的串行協(xié)議是異步傳輸?shù)淖畛Ｒ娦问?。?shí)際上，這是很常見的，當(dāng)大多數(shù)人說“串行”時(shí)，他們正在談?wù)撨@個(gè)協(xié)議。

無(wú)時(shí)鐘串行協(xié)議廣泛用于嵌入式電子產(chǎn)品中。

串行規(guī)則

異步串行協(xié)議有許多內(nèi)置的規(guī)則機(jī)制，這些機(jī)制有助于確保健壯且無(wú)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)傳輸。這些機(jī)制，我們用來避開外部時(shí)鐘信號(hào)，是:

數(shù)據(jù)位,

同步比特,

奇偶校驗(yàn)位,

和波特率。

通過各種各樣的信號(hào)機(jī)制，您將發(fā)現(xiàn)沒有一種方法可以串行發(fā)送數(shù)據(jù)。該協(xié)議是高度可配置的。關(guān)鍵部分是確保串行總線上的兩個(gè)設(shè)備都配置為使用完全相同的協(xié)議。

波特率

波特率指定通過串行線路發(fā)送數(shù)據(jù)的速度。它通常以每秒比特?cái)?shù)（bps）為單位表示。如果反轉(zhuǎn)波特率，則可以發(fā)現(xiàn)傳輸單個(gè)位需要多長(zhǎng)時(shí)間。此值決定發(fā)送器將串行線路保持高/低電平的時(shí)間或接收設(shè)備采樣線路的時(shí)間。

波特率可以是任何合理的值。唯一的要求是兩臺(tái)設(shè)備的運(yùn)行速度相同。最常見的波特率之一，特別是對(duì)于速度不重要的簡(jiǎn)單工具，其波特率為9600 bps。其他“標(biāo)準(zhǔn)”波特率分別為1200,2400,4800,19200,38400,57600和115200。

波特率越高，發(fā)送/接收的數(shù)據(jù)越快，但數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣扔邢?。你通?？床坏剿俣瘸^115200--這對(duì)于大多數(shù)微控制器來說速度很快。太高了，你會(huì)在接收端看到錯(cuò)誤，因?yàn)闀r(shí)鐘和采樣周期不能跟上。

構(gòu)建數(shù)據(jù)

每個(gè)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊（通常是一個(gè)字節(jié)）實(shí)際上是以一個(gè)數(shù)據(jù)包或一個(gè)比特幀發(fā)送的。 通過將同步和奇偶校驗(yàn)位添加到我們的數(shù)據(jù)來創(chuàng)建幀。

一個(gè)串行幀。 幀中的一些符號(hào)具有可配置的位大小。

我們來詳細(xì)介紹這些框架的每個(gè)部分。

數(shù)據(jù)塊

每個(gè)串行數(shù)據(jù)包的真正價(jià)值在于它攜帶的數(shù)據(jù)。 我們不明確地稱這塊數(shù)據(jù)為塊，因?yàn)樗拇笮]有具體說明。 每個(gè)數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)量可以設(shè)置為5到9位。 當(dāng)然，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)大小是您的基本8位字節(jié)，但其他大小有其用途。 7位數(shù)據(jù)塊可以比8更有效，特別是如果您只是傳輸7位ASCII字符。

在達(dá)成字符長(zhǎng)度之后，這兩種串行設(shè)備也必須同意其數(shù)據(jù)的字節(jié)順序。 數(shù)據(jù)最重要的位（msb）發(fā)送到最少，反之亦然？ 如果沒有另外說明，通?？梢约僭O(shè)數(shù)據(jù)首先傳輸最低有效位（LSB）。

同步位

同步位是每個(gè)數(shù)據(jù)塊傳輸?shù)膬蓚€(gè)或三個(gè)特殊位。 它們是起始位和停止位。 與其名稱一樣，這些位標(biāo)記數(shù)據(jù)包的開始和結(jié)束。 始終只有一個(gè)起始位，但停止位的數(shù)量可以配置為一個(gè)或兩個(gè)（盡管它通常保持為一個(gè)）。

起始位總是由從1到0的空閑數(shù)據(jù)線指示，而停止位將通過將線保持為1轉(zhuǎn)換回空閑狀態(tài)。

奇偶位

奇偶校驗(yàn)是一種非常簡(jiǎn)單的低級(jí)錯(cuò)誤檢查。 它有兩種：奇數(shù)或偶數(shù)。 為了產(chǎn)生奇偶校驗(yàn)位，數(shù)據(jù)字節(jié)的所有5-9位被相加，并且和的均勻性決定該位是否被設(shè)置。 例如，假設(shè)奇偶校驗(yàn)設(shè)置為偶數(shù)，并將其添加到數(shù)據(jù)字節(jié)（如奇數(shù)個(gè)1（5））的數(shù)據(jù)字節(jié)中，則奇偶校驗(yàn)位將設(shè)置為1.相反，如果奇偶校驗(yàn)?zāi)Ｊ皆O(shè)置為奇數(shù) ，奇偶校驗(yàn)位將為0。

奇偶校驗(yàn)是可選的，不是非常廣泛的使用。 它可能有助于跨嘈雜的媒體進(jìn)行傳輸，但它也會(huì)減慢數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，并要求發(fā)送者和接收者都執(zhí)行錯(cuò)誤處理（通常，必須重新發(fā)送失敗的接收數(shù)據(jù)）。

9600 8N1（一個(gè)例子）

9600 8N1 - 9600波特，8個(gè)數(shù)據(jù)位，無(wú)奇偶校驗(yàn)和1個(gè)停止位 - 是最常用的串行協(xié)議之一。 那么，一個(gè)或兩個(gè)9600 8N1數(shù)據(jù)會(huì)是什么樣子呢？ 舉個(gè)例子吧！

傳輸ASCII字符'O'和'K'的設(shè)備必須創(chuàng)建兩個(gè)數(shù)據(jù)包。 O（大寫）的ASCII值為79，分解為8位二進(jìn)制值01001111，而K的二進(jìn)制值為01001011.剩下的就是追加同步位。

沒有具體說明，但是假定數(shù)據(jù)首先傳輸?shù)阶畹臀弧?注意兩個(gè)字節(jié)在從右到左讀取時(shí)是如何發(fā)送的。

由于我們以9600bps的速度傳輸數(shù)據(jù)，因此將每個(gè)比特位保持在高位或低位的時(shí)間為每比特1 /（9600bps）或104μs。

對(duì)于發(fā)送的每個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，實(shí)際上有10位被發(fā)送：一個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位和一個(gè)停止位。 所以，在9600bps時(shí)，我們實(shí)際上是每秒發(fā)送9600比特或每秒960（9600/10）字節(jié)。

現(xiàn)在您已經(jīng)知道如何構(gòu)建串行數(shù)據(jù)包了，我們可以轉(zhuǎn)到硬件部分。 在那里我們將看到1和0以及波特率如何在信號(hào)電平上實(shí)現(xiàn)！

布線和硬件

串行總線只包含兩條線 - 一條用于發(fā)送數(shù)據(jù)，另一條用于接收數(shù)據(jù)。 因此，串行設(shè)備應(yīng)該有兩個(gè)串行引腳：接收器，RX和發(fā)送器TX。

請(qǐng)注意，這些RX和TX標(biāo)簽是與設(shè)備本身相關(guān)的。所以來自一個(gè)設(shè)備的RX應(yīng)該到達(dá)另一個(gè)設(shè)備的TX，反之亦然。如果您習(xí)慣將VCC連接到VCC，GND連接到GND，MOSI連接到MOSI等，這很奇怪，但是如果您仔細(xì)想想，這很有意義。發(fā)射機(jī)應(yīng)該與接收機(jī)通話，而不是與其他發(fā)射機(jī)通話。

兩個(gè)設(shè)備都可以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的串行接口是全雙工或半雙工。全雙工意味著兩個(gè)設(shè)備可以同時(shí)發(fā)送和接收。半雙工通信意味著串行設(shè)備必須輪流發(fā)送和接收。

一些串行總線可能只能通過發(fā)送和接收設(shè)備之間的單個(gè)連接而脫離。例如，我們的支持串行的液晶顯示屏都是耳朵，并且沒有任何數(shù)據(jù)可以傳輸回控制設(shè)備。這就是所謂的單工串行通信。所有你需要的是從主設(shè)備的TX到聽眾的RX線路的單線。

硬件實(shí)現(xiàn)

我們已經(jīng)從概念方面介紹了異步串行。 我們知道我們需要哪些導(dǎo)線。 但是，串行通信如何在信號(hào)級(jí)實(shí)際實(shí)現(xiàn)？ 實(shí)際上，它有多種方式。 串行信號(hào)有各種標(biāo)準(zhǔn)。 我們來看幾個(gè)更流行的串行：邏輯電平（TTL）和RS-232硬件實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)微控制器和其他低電平集成電路進(jìn)行串行通信時(shí)，他們通常以TTL（晶體管 - 晶體管邏輯）電平進(jìn)行通信。 TTL串行信號(hào)存在于微控制器的電壓供應(yīng)范圍之間 - 通常為0V至3.3V或5V。 處于VCC電平（3.3V，5V等）的信號(hào)表示空閑線路，值為1或停止位。 0V（GND）信號(hào)表示一個(gè)起始位或一個(gè)數(shù)值為0的數(shù)據(jù)位。

RS-232可以在一些更古老的計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備上找到，就像TTL系列的頭部翻轉(zhuǎn)一樣。 RS-232信號(hào)通常介于-13V和13V之間，但該規(guī)范允許+/- 3V至+/- 25V之間的任何值。 在這些信號(hào)上，低電壓（-5V，-13V等）表示空閑線路，停止位或值為1的數(shù)據(jù)位。高RS-232信號(hào)表示啟動(dòng)位或0- 值數(shù)據(jù)位。 這與TTL系列相反。

在兩種串行信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)之間，TTL更容易實(shí)現(xiàn)到嵌入式電路中。 然而，低電壓水平在長(zhǎng)傳輸線上更容易損失。 RS-232或更復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn)如RS-485，更適合長(zhǎng)距離串行傳輸。

將兩個(gè)串行設(shè)備連接在一起時(shí)，確保其信號(hào)電壓匹配很重要。 您不能直接將TTL串行設(shè)備與RS-232總線連接。 你必須改變這些信號(hào)！

接下來，我們將探討微控制器用于在串行接口上并行總線上轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的工具。UART！

UART

這個(gè)串行謎題的最后一部分是找到一些東西來創(chuàng)建串行數(shù)據(jù)包并控制這些物理硬件線路。 輸入U(xiǎn)ART。

通用異步接收器/發(fā)送器（UART）是負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)串行通信的電路塊。 本質(zhì)上，UART充當(dāng)并行和串行接口之間的媒介。 在UART的一端是一條八線左右的數(shù)據(jù)線（加上一些控制引腳），另一端是兩條串行線 - RX和TX。

超簡(jiǎn)化的UART接口。 一端并行，另一端串行。

UART確實(shí)作為獨(dú)立IC存在，但它們更常見于微控制器內(nèi)部。 你必須檢查你的微控制器的數(shù)據(jù)表，看它是否有任何UART。 有些沒有，有的有一個(gè)，有的有很多。 例如，基于“老忠實(shí)”ATmega328的Arduino Uno只有一個(gè)UART，而基于ATmega2560的Arduino Mega則有四個(gè)UART。

由于首字母縮寫詞中的R和T指示，UART負(fù)責(zé)發(fā)送和接收串行數(shù)據(jù)。 在發(fā)送端，UART必須創(chuàng)建數(shù)據(jù)包（附加同步和奇偶校驗(yàn)位），并將該數(shù)據(jù)包以精確定時(shí)（根據(jù)設(shè)置的波特率）從TX線路發(fā)出。 在接收端，UART必須根據(jù)預(yù)期的波特率對(duì)RX線進(jìn)行采樣，挑出同步位并將數(shù)據(jù)吐出。

內(nèi)部UART框圖（由Exar ST16C550數(shù)據(jù)表提供）

更高級(jí)的UART可能會(huì)將其接收到的數(shù)據(jù)放入緩沖區(qū)，直到微控制器獲得它。 UART通常會(huì)以先進(jìn)先出（FIFO）的方式釋放其緩沖數(shù)據(jù)。 緩沖區(qū)可以小至幾位，或者可以大至數(shù)千字節(jié)。

軟件UART

如果一個(gè)微控制器沒有UART（或者沒有足夠的），串行接口可能會(huì)被比特沖突 - 直接由處理器控制。 這就是SoftwareSerial所采用的Arduino庫(kù)。 比特沖突是處理器密集型的，通常不像UART那么精確，但它在一個(gè)緊湊的環(huán)境中工作。

常見的陷阱

這就是關(guān)于串行通信的一切。 留下幾個(gè)常見的錯(cuò)誤，這對(duì)任何經(jīng)驗(yàn)級(jí)別的工程師來說都很容易：

RX到TX，TX到RX

似乎很簡(jiǎn)單。 盡可能多地希望他們的標(biāo)簽匹配，請(qǐng)務(wù)必跨越串行設(shè)備之間的RX和TX線路。

FTDI Basic編程Pro Mini。 注意RX和TX交叉！

波特率不匹配

波特率就像串行通信的語(yǔ)言。如果兩個(gè)設(shè)備不能以相同的速度說話，數(shù)據(jù)可能會(huì)被誤解，或者完全被忽略。如果所有接收設(shè)備在接收線上看到的都是垃圾，請(qǐng)檢查確保波特率匹配。

數(shù)據(jù)以9600 bps傳輸，但以19200 bps傳輸。 波特不匹配=垃圾。

主線爭(zhēng)奪

串行通信旨在允許只有兩個(gè)設(shè)備通過一條串行總線進(jìn)行通信。 如果多個(gè)設(shè)備試圖在同一條串行線路上傳輸，則可能會(huì)遇到總線爭(zhēng)用。 敦敦敦...

例如，如果您將GPS模塊連接至Arduino，則可以將該模塊的TX線連接至Arduino的RX線。 但是，Arduino RX引腳已連接到USB至串行轉(zhuǎn)換器的TX引腳，無(wú)論何時(shí)您編程Arduino或使用串行監(jiān)視器時(shí)都會(huì)使用該引腳。 這就設(shè)定了GPS模塊和FTDI芯片同時(shí)嘗試在同一條線路上傳輸?shù)臐撛谇闆r。

兩個(gè)發(fā)送器發(fā)送給一個(gè)接收器會(huì)導(dǎo)致總線爭(zhēng)用的可能性。

試圖在同一行上同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的兩臺(tái)設(shè)備很糟糕！ 在“最好”的情況下，這兩款設(shè)備都不會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)。 在最壞的情況下，這兩款器件的發(fā)射線路都工作（盡管這很罕見，并且通常受到保護(hù)）。

將多個(gè)接收設(shè)備連接到單個(gè)傳輸設(shè)備可能是安全的。 沒有真正的規(guī)格，但它會(huì)起作用。 例如，如果將串行LCD連接到Arduino，最簡(jiǎn)單的方法可能是將LCD模塊的RX線連接到Arduino的TX線。 Arduino的TX已連接到USB編程器的RX線，但仍然只剩下一個(gè)設(shè)備控制傳輸線。

像這樣分配TX線路從固件的角度來看仍然是危險(xiǎn)的，因?yàn)槟悴荒芴暨x哪個(gè)設(shè)備聽到什么傳輸。 液晶顯示器最終會(huì)收到不適合它的數(shù)據(jù)，這可能會(huì)命令它進(jìn)入未知狀態(tài)。

一般情況下 - 一個(gè)串行總線，兩個(gè)串行設(shè)備！