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  • UART串行通信原理电路设计

    千次阅读 2020-03-21 21:29:35
    转自:https://www.eda365.com/thread-230399-1-1.html

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  • 串行通信方式是数据传输的一种方式。这种方式操作简单,连接少,传输距离远,因而在信息传送,尤其是在远距离的传送中得到了广泛的应用。目前常用的串行通信方式有RS -232 C,RS - 422 A,RS - 423 A及RS - 485 A等...

    串行通信方式是数据传输的一种方式。这种方式操作简单,连接少,传输距离远,因而在信息传送,尤其是在远距离的传送中得到了广泛的应用。目前常用的串行通信方式有RS -232 C,RS - 422 A,RS - 423 A及RS - 485 A等。RS - 232 C是通用串行接口,以电平形式传输信号,只需3根线就可在两个设备之间交换信息,最高传输速率为20 Kb/s,此时允许设备之间的最远距离为15 m。为了改进RS - 232C传输速率低,传输距离短的不足,EIA又推出了RS - 422 A,RS - 423 A.RS - 485 A等。RS - 422 A采用差分形式传输信号,每个通道用两根信号线,在电路中规定只有一个发送器,其最高传输速率为10 Mb/s,在此速率下的最远传输距离为120 m;若将波特率降到90 Kb/s,则通信距离可延长至1200 m。RS - 423A采用不平衡差分形式传送信号。RS - 485A则允许多个发送器的存在。它们都有一些共同的特点,即传输速率低,传输速率和传输距离相互影响,对传输介质要求高,一般要求用屏蔽电缆。当传输距离较远或连接的设备较多时,会增加系统的成本。

    随着计算机应用的不断发展,在有些场合需要高速度、远距离传输信号,同时又要尽量降低成本。为满足这一要求,本节以单片机之间的串行通信为例,介绍一个可以实现高速度、远距离的串行通信装置。

    一、单片机串口的特点

    目前多数单片机都配有串行接口,如51单片机和MCS - 96等系列单片机都配有一个全双工的串行接口,可以同时收、发信号。以51单片机串口为例,共有4种串行工作方式,波特率可由软件设置,并在片内定时器产生,接收或发送均可工作在中断或查询方式,使用比较灵活。该接口一般通过接口电路工作在RS - 232C或RS - 422A方式,因此,它具有RS - 232 C或RS - 422A的特点。其4种工作方式如下。

    1.方式O

    同步移位寄存方式,其波特率为fosc/12。fsc为振荡器的振荡频率,数据由RxD端输入,同步移位脉冲由TxD端输出,发/收均为8位数据。一般利用这种方式扩展并行接口、键盘或显示接口等。

    2.方式1

    串行工作方式,RxD接收,TxD发送,每帧信息为10位,包括1位起始位、8位数据位和1位停止位,其收/发的波特率为:

    式中:SMOD=1或0,由软件设定;N为软件设置的定时器自装载常数,其值为0~255。当SMOD-1.N-255时,波特率最高,为fosc/192;当SMOD=0,N=O时,波特率最低,为:

    3.方式2

    串行工作方式,每帧11位数据,包括1位起始位、8位数据位、1位可编程位、1位停止位,发送时可编程位应根据需要设定为O或1。其收/发的波特率为:

    当SMOD=1时,可得最大波特率为fosc/32;当SMOD-0时,可得最小波特率为fosc/64。

    4.方式3

    串行通信方式,发送格式同方式2,收/发波特率同方式1,即这种方式所能得到的最大波特率为fosc/192,最小波特率为ose/98 304。

    比较3种串行工作方式可知,方式2的波特率最高。对于51单片机,当选fosc=12 MHz(51单片机最高晶振)时,可得

    这些值远高于目前常用的串口的波特率,因此在单片机(51单片机等)之间串行通信时,在晶振选定的情况下,只有选方式2,方可得到最高的波特率。而要远距离收/发信号,还必须在电路上采取一定的措施。为此,介绍一个可以远距离收/发信号的电路。

    二、组成框图

    1.信号的表示

    (1)1的表示

    当TxD输出1时,通过收/发电路后,在总线上出现高阻信号,接收器通过收/发电路将高阻信号变为1,送RxD接收。当串口不工作时,TxD为1,对应总线为高阻态。

    (2)0的表示

    用一个周期的矩形波表示0,矩形波的周期为振荡周期的32或64倍。当TxD输出0时,通过收/发电路后,在串行总线上出现一个周期的矩形波。该信号通过接收器收/发电路转换后,在RxD端又变为0。

    2.收/发电路的组成框图

    收/发电路的组成框图如图1 - 17所示。该装置由控制电路、分频器、输出驱动、差动输入、耦合变压器等组成。控制电路由一片GAL电路或由门电路组成,输出驱动采用三态门,差动输入利用三片运放组成两级比较电路,分频器提供控制电路工作的基准和状态变化的条件,耦合变压器用来实现信号的输入或输出。

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    三、工作原理

    1.信号输出

    当TxD为1时,A,B两线信号为0,C线信号为1,三态门关闭,输出高阻信号;当TxD为0时,C线为0,三态门打开,A线由0变1,A’输出高电平,B线保持为0,B’输出低电平。持续32或16个振荡周期后,电路状态改变,A线由1变O,B线由0变1,C线继续为0,A’输出低电平,B,输出高电平。经过32或16个振荡周期后,0发送完毕,电路恢复原态,通过耦合变压器,在串行总线上有一个矩形波出现。

    2.信号输入

    串行总线上的信号经耦合变压器,送到接收器的差动输入电路。

    当总线上出现高阻信号时,运放Ai的输出为O。该信号分别送到运放A2和A3的输入端,经过比较后,A2和A3的输出也为0,经过控制电路后,使RxD为1。

    当总线上出现矩形波信号时,若前半周T+为高电平,后半周T+为低电平,则:

    ①前半周

    T+=1,T-=O

    经A1差动放大后,其输出为低电平。经过A2和A3后,A2的输出保持为0;而A3的输出则由O变1。这两个信号都送至控制电路,并使RxD由1变O,同时开始定时。

    ②后半周

    T+ =0.T_=1

    经Ai后,A1输出变为高电平,再经A2和A3的比较,A2的输出由0变1,A3则输出O,再经控制电路后,维持RxD为0这一状态,直到定时时间或输入信号改变。

    控制电路保证只有E线先由O变1,接着F线由0变1时,RxD才会由1变O,并持续32/64个振荡周期,否则RxD保持为1。

    3.可靠性措施

    (1)本装置输出时

    收/发电路的输入端与输出端连在一起,因此当本装置输出时,输入端同样也有响应。为便于区分输入端的信号是来自装置自身还是来自总线,输出信号经变压器倒相后输出。这样外来信号就与内部信号有180。的相位差,而接收装置只对其中一种信号有响应,因而输入电路只对来自总线的信号作出响应。

    (2)干扰信号引入时

    当干扰信号经过总线串入时,运放A1,A2和A3的输出端也要改变,但干扰信号一般都是不规则信号,不会与本装置输入电路要求的矩形波信号完全一样。所以,尽管输入电路有输出,但不会引起控制电路的状态发生变化,也就不会影响RxD的状态。

    本例介绍的串行通信装置,组成简单,成本低,操作方便,只需两根线就可在两个设备之间交换信息;利用高阻差分电路作输入端,只要两根线上有信号差,输出就有变化,可在1 200 m范围内以187.5 Kb/s的速率可靠地传输信息;对传输线的要求低,普通双绞线就可连接两个设备,不需要屏蔽电缆,对导线无特殊要求,当传输距离较远时,可以大大降低系统的成本;采用独特的信号传输方式和结构,有很强的抗干扰能力,利用本装置不影响单片机串口的操作方式。因此,本装置是实现单片机之间高速度、远距离串行通信的一种比较理想的装置。若给PC机配上这类装置,还可实现PC机与单片机之间的高速度、远距离串行通信。

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    1 硬件原理
        目前国内使用较多的为MCS-51系列的单片机,因此选用的单片机实验对象为一片AT89C51,图1是硬件原理图,由于要实现符合RS232C的串行通信,还应该用一片ICL232CPE(MAX232)作为串行通信的电平转换电路。在实验过程中,为了查看通信是否成功,除了让单片机对上位机回送数据外,还在单片机外围扩展了几片锁存器,几个LED发光二极管和几个小键盘。串行通信是采用最简单的TxD,RxD,GND三线制连接,注意TxD和RxD两边应该交叉连线。


      上位机是一台普通的PC机,共有2个串行口COM1,COM2,其运行RedHat8.0,实际上,如果不要求运行Gnome或KDE等图形界面,Linux对系统硬件的要求相当低。
      实验证明,此电路简单可靠,非常适用于测试串行通信。

    2 串行通信程序设计
      串行通信程序包括下位机单片机和上位机PC机的程序。单片机接收上位机传来的数据,放到片内RAM里面,再将RAM内数据同时发送到外部扩展锁存器和上位机,由此可以判断通信是否成功。此程序由汇编语言写成,初始化时波特率设置为4 800 b/s,通信方式为8-N-1。
      上位机程序的编写是关键部分,因为要对串口硬件设备进行操作,有2种方法,一是利用Linux内核自带的串口驱动程序,另外一种方法就是直接读写串口硬件端口,下面分别介绍。 
    2.1 利用串口驱动程序的编程方法
      利用Linux自身的串口驱动程序进行编程,实际上就是调用驱动程序的一系列函数,完成串口通信参数的设置,数据的发送和接收。在这种方法中,Linux给每个串口都分配一个文件索引号,有相应的文件名称,实际上是将硬件设备看成一种特殊的文件,如COM1,COM2对应的文件分别为/dev/ttyS0,/dev/ttyS1,操作这2个串口实际上就是操作这2个文件,而对硬件设备文件的操作与对普通文件的操作并没有什么不同,都可以使用相同的文件I/O调用函数(open,write,read,close),不同之处在于用系统调用open()打开串口得到相应设备的文件描述符以后,先要对其进行初始化,设置一些特定的参数,如波特率、数据位、输入输出方式等,这些参数存放在structtermios中,函数tcsetattr()可以设置串口的structtermios,tcgetattr()可以得到串口的struct termios。设置完通信参数后就可用read和write对串口文件进行读写了。运行程序时要注意用户是否有对要操作的串口文件进行读写的权力,可以用chmod命令进行文件权限修改。
      初始化函数如下:


      初始化以后就开始发送和接收数据,先将一个字符串发送给单片机,单片机接收到数据后,将数据返回给上位机。但需要注意的是,由于上位机速度比单片机快得多,一次不能发送过多的数据,否则极有可能使发送缓冲区溢出而丢失数据,发送过后,还需等待一段时间,使单片机将数据完全发送到上位机后,再进行读取。


    2.2 直接读写串口硬件端口的方法
      在使用这个方法的时候,必须对串口通信的硬件原理有一些了解。PC机的串口是由通用异步收发器8250UART(或16550)为核心构成的,寄存器基地址分别是0x3f8(COM1)和0x2f8(COM2),还有其他的一些用于控制的寄存器。有很多寄存器是与Modem相关的,而在使用三线制进行通信时用不到,只用关心与通信相关的寄存器,比起使用为通用功能编写的串口设备驱动程序来,直接读写相关寄存器效率更高。

      初始化后,就可以进行数据的收发了,接受数据之前必须保证接收数据就绪,这可以通过0x2fd的D0来判断,发送数据之前必须保证发送寄存器为空,这可以通过0x2fd的D5来判断,代码如下:


    3 结语
      实验表明,此系统采用的2种方法都完全实现了LinuxPC机与单片机之间点对点的通信,方法简单可靠,基本上在需要用到PC机与单片机串行通信的场合均可采用此种方法。随着近年来Linux在国内应用范围的日益壮大,在工业控制、数据采集等领域也必将越来越多的采用Linux,本文可以算作是一个有益的尝试。当然在实际应用中还需要考虑一些问题,比如进行出错处理的问题,可以在一个要发送的字符串后再发送一个校验和,当收到返回的校验和与发送的校验和不一致时再进行重发,再比如所采用的RS232C传输距离很短,并且抗干扰能力很差,这时需要将总线转换成差分传输的RS485/RS422。另外,稍加改进,就可实现PC机与多片51单片机的串行通信,这时由于共用一条总线,必须给每个单片机分配一个地址,然后由PC机对总线进行仲裁,只有获得总线使用权的单片机才能与上位机进行通信,这里不再赘述。
      总之,本文只是为Linux PC和单片机串行通信提供了一个典型的范例,要应用到实际的项目中去,还需要根据实际的情况具体考虑,灵活应用,最终才能形成一个可靠的基于Linux平台的系统。

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  • 串行通信(一):I2C

    2020-07-08 11:21:24
    工作原理: I2C是一种串行总线的外设接口,采用同步方式串行接受或发送数据,两个设备在同一个时钟下工作。 I2C总线只需要两根线:SDA-->串行数据线;SCL-->串行时钟线。SDA线和SCL线都是双向 I/O线,接口...

    Ⅰ. 工作原理:

                             
    I2C全称为Inter-Integrated Circuit(内部集成电路),是一种串行总线的外设接口,采用同步方式串行接收或发送数据,两个设备在同一个时钟下工作。
    I2C总线只需要两根线:SDA-->串行数据线SCL-->串行时钟线
    SDA线和SCL线都是双向 I/O线,接口电路为开漏输出,必须通过上拉电阻接到电源VCC,总线空闲时,两根线都是高电平。
    这里阐明两个概念,解释为什么需要上拉电阻:

           

    1.推挽输出结构是由两个MOS或者三极管互补输出组成,同一时刻,只有一个导通,另一个截止;推挽输出最大的优点是:可以真正的输出高电平和低电平,且在两种电平下都具有驱动能力。但一个缺点是:推挽输出不能实现“线与“。如果两个推挽输出结构相连在一起,比如A、B两个结构;A结构上面的MOS导通,下面的MOS截止;同时B结构上面的MOS截止,下面的MOS导通,那么电流会直接从VDD-->A结构上面的MOS-->B结构下面的MOS-->GND。整个通路电阻很小,会发生短路。

    2.开漏输出最主要的特性是高电平没有驱动能力,需要借助外部上拉电阻接到高电平才能输出高电平。当MOS管截止,那么电流会从VDD-->MOS上拉电阻-->负载-->GND。这一特性可以实现”线与“功能。

    3.线与即多个信号线直接连接在一起,只有当所有信号全部为高电平时,合在一起的总线才为高电平;只要任意一个或多个信号为低电平,则总线为低电平。 

    IIC只有两根线(SCL和SDA),假设主设备A需要启动I2C, 他需要在SCL高电平时, 将SDA由高电平转换为低电平作为启动信号。主设备A在把SDA拉高后, 它需要再检查一下SDA的电平。
    SDA是高电平, 说明主设备A可以占用总线, 然后主设备A将SDA拉低, 开始通信.
    SDA是低电平, 说明已经有其他主设备将SDA拉低了, 由于 1 & 0 = 0 那么主设备A在检查SDA电平时, 会发现不是高电平, 而是低电平. 说明其他主设备抢占总线的时间比它早, 主设备A只能放弃占用总线, 如果是高电平, 则可以占用。

    Ⅱ.协议信号
     

    起始信号:当 SCL 线是高电平时 ,SDA 线从高电平向低电平切换。 
    停止信号:当 SCL 线是高电平时 ,SDA 线由低电平向高电平切换。
    发送数据8个数据位,先传最高位(MSB),然后释放SDA线(拉高电平)
    SCL为低电平时(0),SDA可进行电平转换;
    SCL为高电平时(1),SDA必须保持不变,接收设备(主设备或从设备)读取数据。
    接收响应:ACK,在第九个周期(可以说是第九个数据位)
    从机设备拉低SDA(0),这表示一个确认位(ACK),答复发送设备,接收完成;如果从机保持SDA为高电平(1),主机认为从机没有确认(NACK)本次数据传输,多字节数据传输过程就会被中止。

    Ⅲ.传输内容和过程

    1)内容:

    地址帧(address frame):一旦主机产生一个起始信号,总线便不在空闲。主机接着发送包含7位从机地址和1位读写标志(R/W)共8个数据位
    数据帧(data frames):由master发往slave的数据(或由slave发往master),每一帧是8-bit的数据
    2)过程:现在的I2C应用里,在起始信号后要发2~3个地址,第1个是设备地址,第2个是设备内的地址(比如寄存器地址、存储空间地址),如果设备内部地址是16位,则发第3个地址,于第2个地址组合起来拼16位地址,然后才是读写数据操作。

    Ⅳ.I2C读写数据步骤

    1:写数据:

    1).发送一个起始信号。 
    2).发送7bit从机地址,即接收设备地址。此处需要注意,发送数据时,无法发送7bit数据,此处需要发送bit地址+1bit读写选择位,即发送7bit+r/w。最低位为1表示读,为0表示写。 (为从器件的的写地址-->Slaver_Addr | 0
    3).产生一个ACK应答信号,此应答信号为从机器件产生的应答。 
    4).发送寄存器地址(想要写入的寄存器地址),8bit数据。 
    5).产生一个ACK应答信号,此应答信号为从机器件产生的应答。 
    6).发送一个数据,8bit数据。 
    7).产生一个ACK应答信号,此应答信号为从机器件产生的应答信号。 
    8).发送一个CRC校验码,此CRC校验值为2、4、6步数据产生的校验码。(可以不校验) 
    9).既可以发送一个应答信号,也可以发送一个无应答信号,均由从机器件产生。 
    10).发送一个停止信号。 

    2:读数据:

    1).发送一个起始信号。 
    2).发送7bit从机地址,即接收设备地址。此处需要注意,发送数据时,无法发送7bit数据,此处发送了7bit地址+1bit读写选择位,即发送7bit+r/w。最低位为1表示读,为0表示写。 (为从器件的的写地址-->Slaver_Addr | 0
    3).产生一个ACK应答信号,此应答信号为从机器件产生的应答。 
    4).发送寄存器地址(想要读取的寄存器地址)。 
    5).产生一个ACK应答信号,此应答信号为从机器件产生的应答。 
    6).再次发送一个起始信号。 
    7).发送7bit从机地址,即接收设备地址。此处需要注意,发送数据时,无法发送7bit数据,此处发送了7bit地址+1bit读写选择位,即发送7bit+r/w。最低位为1表示读,为0表示写。 (为从器件的的读地址-->Slaver_Addr | 1
    8).产生一个ACK应答信号,此应答信号为从机器件产生的应答。 
    9).读取一个字节(8bit)的数据。 
    10).产生一个ACK应答信号,此应答信号为CPU产生。 
    11).读取一个CRC校验码。 (可以不校验) 
    12).产生一个NACK信号。此无应答信号由CPU产生。 
    13).产生一个停止信号。 

    Ⅴ. 附:

    1).I2C读取数据时序图

    2).I2C代码见上传资源 https://download.csdn.net/download/VampireWolf/12587896

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空空如也

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串行通信电路原理