單片機通信原理

1、 技術工程部 吳明輝1 1、單片機的內部結構單片機的內部結構中央處理器（中央處理器（CPUCPU）運算器、控制器以及若干寄存器運算器、控制器以及若干寄存器 CPU CPU內部數(shù)據(jù)存儲器（內部數(shù)據(jù)存儲器（RAMRAM） 數(shù)據(jù)存儲、通用工作寄存器、堆棧、位地址數(shù)據(jù)存儲、通用工作寄存器、堆棧、位地址 內存內存 內部程序存儲器（內部程序存儲器（ROMROM） 用于存放程序、原始數(shù)據(jù)或表格用于存放程序、原始數(shù)據(jù)或表格 硬盤硬盤 定時器定時器/ /計數(shù)器計數(shù)器 實現(xiàn)定時或計數(shù)功能，并以其定時或計數(shù)結果對計算機實現(xiàn)定時或計數(shù)功能，并以其定時或計數(shù)結果對計算機進進 行控制，實現(xiàn)多種控制功能。行控制，實現(xiàn)多種控

2、制功能。 常和中斷系統(tǒng)共同使用常和中斷系統(tǒng)共同使用 并行并行I/OI/O口口 數(shù)據(jù)的輸入輸出數(shù)據(jù)的輸入輸出 特殊功能管腳特殊功能管腳 串行口串行口 實現(xiàn)和其它設備之間的串行數(shù)據(jù)傳送實現(xiàn)和其它設備之間的串行數(shù)據(jù)傳送 可上位機軟件聯(lián)合使用程可上位機軟件聯(lián)合使用程序的驗證序的驗證 中斷控制系統(tǒng)中斷控制系統(tǒng) 即外中斷即外中斷2 2個，定時中斷個，定時中斷2 2個，串行中斷個，串行中斷1 1個，全部中斷分個，全部中斷分為高級和低級共二個優(yōu)先級別為高級和低級共二個優(yōu)先級別51 51 定時與控制部件定時與控制部件時鐘電路為單片機產生時鐘脈沖序列時鐘電路為單片機產生時鐘脈沖序列“心臟心臟” 單片機與外界的信息

3、交換稱為通信。常見的通信方式有串口通信，單片機與外界的信息交換稱為通信。常見的通信方式有串口通信，CANCAN通信，通信，I2CI2C通信等，接下來一一介紹：通信等，接下來一一介紹：串口通信（串口通信（RS232RS232）：）： RS-232-C RS-232-C接口（又稱接口（又稱 EIA RS-232-CEIA RS-232-C）是目前最常用的一種串行通訊接）是目前最常用的一種串行通訊接口。它是在口。它是在19701970年由美國電子工業(yè)協(xié)會（年由美國電子工業(yè)協(xié)會（EIAEIA）聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調制解）聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調制解調器廠家及計算機終端生產廠家共同制定的用于串行通訊的標準。由于調器廠

4、家及計算機終端生產廠家共同制定的用于串行通訊的標準。由于串行通訊方式具有使用線路少、成本低，特別是在遠程傳輸時，避免了串行通訊方式具有使用線路少、成本低，特別是在遠程傳輸時，避免了多條線路特性的不一致而被廣泛采用。在串行通訊時，要求通訊雙方都多條線路特性的不一致而被廣泛采用。在串行通訊時，要求通訊雙方都采用一個標準接口，使不同的設備可以方便地連接起來進行通訊。采用一個標準接口，使不同的設備可以方便地連接起來進行通訊。 接口的電氣特性接口的電氣特性 在在RS-232-CRS-232-C中任何一條信號線的電壓均為負邏輯關系。即中任何一條信號線的電壓均為負邏輯關系。即：邏：邏 輯輯“1”1”，-5

5、-15V-5 -15V；邏輯；邏輯“0”0”，+5 +15V+5 +15V 。噪聲容限為。噪聲容限為2V2V。即要求。即要求接收器能識別低至接收器能識別低至+3V+3V的信號作為邏輯的信號作為邏輯“0”0”，高到，高到-3V-3V的信號作為邏輯的信號作為邏輯“1”1”接口的物理結構接口的物理結構 一些設備與一些設備與PCPC機連接的機連接的RS-232-CRS-232-C接口接口, ,因為不使用對方的傳因為不使用對方的傳送控制信號送控制信號, ,只需三條接口線只需三條接口線, ,即即“發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)”、“接收數(shù)據(jù)接收數(shù)據(jù)”和和“信號地信號地”。所以采用所以采用DB-9DB-9的的9 9芯插頭

6、座，傳輸線采用屏蔽雙絞線。芯插頭座，傳輸線采用屏蔽雙絞線。傳輸電纜長度傳輸電纜長度 美國美國DECDEC公司曾通過實驗得出以下實驗結果。其中公司曾通過實驗得出以下實驗結果。其中1 1號電纜為屏號電纜為屏蔽電纜，型號為蔽電纜，型號為DECP.NO.9107723DECP.NO.9107723內有三對雙絞線，每對由內有三對雙絞線，每對由22# AWG22# AWG組成，其外組成，其外覆以屏蔽網。覆以屏蔽網。2 2號電纜為不帶屏蔽的電纜。型號為號電纜為不帶屏蔽的電纜。型號為DECP.NO.9105856-04DECP.NO.9105856-04是是22#AWG22#AWG的四芯電纜。附表的四芯電纜。

7、附表2 DEC2 DEC 公司的實驗結果。公司的實驗結果。 單片機單片機RS232RS232硬件圖硬件圖串行通信在軟件設置里需要做多項設置，最常見的設置包括串行通信在軟件設置里需要做多項設置，最常見的設置包括波特率波特率（BaudRate）、奇偶校驗（）、奇偶校驗（ParityCheck）和停止位（）和停止位（StopBit）。）。波特率波特率：是指從一設備發(fā)到另一設備的波特率，即每秒鐘多少位元：是指從一設備發(fā)到另一設備的波特率，即每秒鐘多少位元bitspersecond(bit/s)。典型的波特率是。典型的波特率是300,1200,2400,9600,115200,19200等等bit/s。

8、一般通信兩端設備都要設為相同的波特率，但有些設備也可以設置為自。一般通信兩端設備都要設為相同的波特率，但有些設備也可以設置為自動檢測波特率。動檢測波特率。奇偶校驗奇偶校驗：是用來驗證數(shù)據(jù)的正確性。奇偶校驗既可以做奇校驗（：是用來驗證數(shù)據(jù)的正確性。奇偶校驗既可以做奇校驗（OddParity）也可以做偶校驗（）也可以做偶校驗（EvenParity）。奇偶校驗是通過修改每一發(fā)送字節(jié)（也）。奇偶校驗是通過修改每一發(fā)送字節(jié)（也可以限制發(fā)送的字節(jié)）來工作的。在偶校驗中，因為奇偶校驗位會被相應的置可以限制發(fā)送的字節(jié)）來工作的。在偶校驗中，因為奇偶校驗位會被相應的置1或或0（一般是最高位或最低位），所以數(shù)據(jù)會

9、被改變以使得所有傳送的數(shù)位（一般是最高位或最低位），所以數(shù)據(jù)會被改變以使得所有傳送的數(shù)位（含字符的各數(shù)位和校驗位）中含字符的各數(shù)位和校驗位）中“1”的個數(shù)為偶數(shù)；在奇校驗中，所有傳送的數(shù)的個數(shù)為偶數(shù)；在奇校驗中，所有傳送的數(shù)位（含字符的各數(shù)位和校驗位）中位（含字符的各數(shù)位和校驗位）中“1”的個數(shù)為奇數(shù)。奇偶校驗可以用于接受的個數(shù)為奇數(shù)。奇偶校驗可以用于接受方檢查傳輸是否發(fā)送生錯誤方檢查傳輸是否發(fā)送生錯誤如果某一字節(jié)中如果某一字節(jié)中“1”的個數(shù)發(fā)生了錯誤，那么的個數(shù)發(fā)生了錯誤，那么這個字節(jié)在傳輸中一定有錯誤發(fā)生。如果奇偶校驗是正確的，那么要么沒有發(fā)這個字節(jié)在傳輸中一定有錯誤發(fā)生。如果奇偶校驗是正

10、確的，那么要么沒有發(fā)生錯誤要么發(fā)生了偶數(shù)個的錯誤。生錯誤要么發(fā)生了偶數(shù)個的錯誤。停止位停止位：是在每個字節(jié)傳輸之后發(fā)送的，它用來幫助接受信號方硬件重同步。：是在每個字節(jié)傳輸之后發(fā)送的，它用來幫助接受信號方硬件重同步。 串口串口RS485RS485什么是什么是RS-485RS-485接口？它比接口？它比RS-232-CRS-232-C接口相比有何特點？接口相比有何特點？ 答：答： 由于由于RS-232-CRS-232-C接口標準出現(xiàn)較早，難免有不足之處，主要有以下四接口標準出現(xiàn)較早，難免有不足之處，主要有以下四點：點： （1 1） 接口的信號電平值較高，易損壞接口電路的芯片，又因為與接口的信號電

11、平值較高，易損壞接口電路的芯片，又因為與TTLTTL 電電平不兼容故需使用電平轉換電路方能與平不兼容故需使用電平轉換電路方能與TTLTTL電路連接。電路連接。 （2 2） 傳輸速率較低，在異步傳輸時，波特率為傳輸速率較低，在異步傳輸時，波特率為20Kbps20Kbps。 （3 3） 接口使用一根信號線和一根信號返回線而構成共地的傳輸形式，接口使用一根信號線和一根信號返回線而構成共地的傳輸形式，這種共地傳輸容易產生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱。這種共地傳輸容易產生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱。 （4 4） 傳輸距離有限，最大傳輸距離標準值為傳輸距離有限，最大傳輸距離標準值為5050英尺，實際上也

12、只能英尺，實際上也只能 用用在在5050米左右。米左右。 針對針對RS-232-CRS-232-C的不足，于是就不斷出現(xiàn)了一些新的接口標準，的不足，于是就不斷出現(xiàn)了一些新的接口標準，RS-485RS-485就是就是其中之一。其中之一。它具有以下特點：它具有以下特點： 1. RS-4851. RS-485的電氣特性：邏輯的電氣特性：邏輯“1”1”以兩線間的電壓差為以兩線間的電壓差為+ +（2626） V V表示；表示；邏輯邏輯“0”0”以兩線間的電壓差為以兩線間的電壓差為- -（2626）V V表示。接口信號電平比表示。接口信號電平比RS-232-CRS-232-C降低了，就不易損壞接口電路的芯

13、片，降低了，就不易損壞接口電路的芯片， 且該電平與且該電平與TTLTTL電平兼容，可方便與電平兼容，可方便與TTLTTL 電路連接。電路連接。 2. RS-4852. RS-485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps 10Mbps 3. RS-4853. RS-485接口是采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗共模干能力增強接口是采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗共模干能力增強，即抗噪聲干擾性好。，即抗噪聲干擾性好。 4. RS-4854. RS-485接口的最大傳輸距離標準值為接口的最大傳輸距離標準值為40004000英尺，實際上可達英尺，實際上可達 30003000米，米，

14、另外另外RS-232-CRS-232-C接口在總線上只允許連接接口在總線上只允許連接1 1個收發(fā)器，即單站能力。而個收發(fā)器，即單站能力。而RS-485RS-485接口在總線上是允許連接多達接口在總線上是允許連接多達128128個收發(fā)器。即具有多站能力個收發(fā)器。即具有多站能力, ,這樣用戶可以這樣用戶可以利用單一的利用單一的RS-485RS-485接口方便地建立起設備網絡。接口方便地建立起設備網絡。 因因RS-485RS-485接口具有良好的抗噪聲干擾性，長的傳輸距離和多站能力等上述優(yōu)接口具有良好的抗噪聲干擾性，長的傳輸距離和多站能力等上述優(yōu)點就使其成為首選的串行接口。點就使其成為首選的串行接口

15、。 因為因為RS485RS485接口組成的半雙工網絡，一般只接口組成的半雙工網絡，一般只需二根連線，所以需二根連線，所以RS485RS485接口均采用屏蔽雙絞線傳輸。接口均采用屏蔽雙絞線傳輸。 RS485RS485接口連接器采接口連接器采用用DB-9DB-9的的9 9芯插頭座，與智能終端芯插頭座，與智能終端RS485RS485接口采用接口采用DB-9DB-9（孔），與鍵盤連接（孔），與鍵盤連接的鍵盤接口的鍵盤接口RS485RS485采用采用DB-9DB-9（針）。（針）。 RS485RS485硬件圖硬件圖CANCAN通信通信CAN通信硬件接口電性通信硬件接口電性一一 報文傳送由以下四種幀類型報

16、文傳送由以下四種幀類型數(shù)據(jù)幀：數(shù)據(jù)幀： 數(shù)據(jù)幀攜帶數(shù)據(jù)從發(fā)送器至接收器。數(shù)據(jù)幀攜帶數(shù)據(jù)從發(fā)送器至接收器。遠程幀：遠程幀： 總線單元發(fā)出遠程幀，請求發(fā)送具有同一識別符的數(shù)據(jù)幀?？偩€單元發(fā)出遠程幀，請求發(fā)送具有同一識別符的數(shù)據(jù)幀。錯誤幀：錯誤幀： 任何單元檢測到一總線錯誤時就發(fā)送錯誤幀。任何單元檢測到一總線錯誤時就發(fā)送錯誤幀。超載幀：超載幀： 用來在先行的和后續(xù)的數(shù)據(jù)幀（或遠程幀）之間提供一附加的延用來在先行的和后續(xù)的數(shù)據(jù)幀（或遠程幀）之間提供一附加的延時。時。二二 幀格式介紹幀格式介紹1 1 數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)幀由數(shù)據(jù)幀由7 7個不同的位場組成，即幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、個不同的位場組成，

17、即幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、CRCCRC場場、應答場、幀結束。、應答場、幀結束。2 2 遠程幀遠程幀遠程幀由遠程幀由6 6個不同的位場組成，即幀起始、仲裁場、控制場、個不同的位場組成，即幀起始、仲裁場、控制場、CRCCRC場、應答場場、應答場、幀結束。、幀結束。3 3 錯誤幀錯誤幀錯誤幀由兩個不同的場組成。第一個場是錯誤標志，用做為不同站提供錯誤錯誤幀由兩個不同的場組成。第一個場是錯誤標志，用做為不同站提供錯誤標志的疊加；第二個場是錯誤界定符。標志的疊加；第二個場是錯誤界定符。4 4 超載幀超載幀超載幀包括兩個位場：超載標志和超載界定符。超載幀包括兩個位場：超載標志和超載界定符。三三 幀

18、格式中重點部分介紹幀格式中重點部分介紹1 1 幀起始幀起始幀起始標志數(shù)據(jù)幀和遠程幀的起始，由一個單獨的幀起始標志數(shù)據(jù)幀和遠程幀的起始，由一個單獨的“顯性顯性”位組成。由控制位組成。由控制芯片完成。芯片完成。2 2 仲裁場仲裁場仲裁場包括標識符和遠程發(fā)送請求位（仲裁場包括標識符和遠程發(fā)送請求位（RTRRTR）。）。對于對于CAN2.0ACAN2.0A標準，標識符的長度為標準，標識符的長度為1111位。位。RTRRTR位在數(shù)據(jù)幀中必須是顯性位位在數(shù)據(jù)幀中必須是顯性位，而在遠程幀必須為隱性位。，而在遠程幀必須為隱性位。對于對于CAN2.0CAN2.0，標準格式和擴展格式的仲裁場不同。在標準格式中，仲

19、裁場由，標準格式和擴展格式的仲裁場不同。在標準格式中，仲裁場由1111位標識符和遠程發(fā)送請求位組成。在擴展格式中，仲裁場由位標識符和遠程發(fā)送請求位組成。在擴展格式中，仲裁場由2929位標識符和位標識符和替代遠程請求位（替代遠程請求位（SRRSRR） 、標志位（、標志位（IDEIDE）和遠程發(fā)送請求位組成。）和遠程發(fā)送請求位組成。仲裁場的作用之一是說明數(shù)據(jù)幀或遠程幀發(fā)送目的地；之二是指出數(shù)據(jù)幀或仲裁場的作用之一是說明數(shù)據(jù)幀或遠程幀發(fā)送目的地；之二是指出數(shù)據(jù)幀或遠程幀。仲裁場的數(shù)據(jù)由軟件編程配置遠程幀。仲裁場的數(shù)據(jù)由軟件編程配置SJA1000SJA1000完成。完成。3 3 控制場控制場控制場由控

20、制場由6 6個位組成，說明數(shù)據(jù)幀中有效數(shù)據(jù)的長度。控制場的數(shù)據(jù)由軟件個位組成，說明數(shù)據(jù)幀中有效數(shù)據(jù)的長度?？刂茍龅臄?shù)據(jù)由軟件編程配置編程配置SJA1000SJA1000完成。完成。4 4 數(shù)據(jù)場數(shù)據(jù)場 數(shù)據(jù)場由數(shù)據(jù)幀中的發(fā)送數(shù)據(jù)組成。它可以為數(shù)據(jù)場由數(shù)據(jù)幀中的發(fā)送數(shù)據(jù)組成。它可以為0808個字節(jié)。數(shù)據(jù)場的數(shù)據(jù)個字節(jié)。數(shù)據(jù)場的數(shù)據(jù)由軟件編程配置由軟件編程配置SJA1000SJA1000完成。完成。5 CRC5 CRC場場 CRCCRC場包括場包括CRCCRC序列，這部分由序列，這部分由SJA1000SJA1000控制芯片完成?？刂菩酒瓿?。6 6 應答場應答場 應答場長度為兩個位，包括應答間隙和

21、應答界定符。由應答場長度為兩個位，包括應答間隙和應答界定符。由SJA1000SJA1000控制芯片控制芯片自動完成。自動完成。7 7 幀結束幀結束 每一個數(shù)據(jù)幀和遠程幀均由一標志序列界定，這個標志序列由每一個數(shù)據(jù)幀和遠程幀均由一標志序列界定，這個標志序列由7 7個個“隱性隱性”位組成。這部分由位組成。這部分由SJA1000SJA1000控制芯片自動完成?？刂菩酒詣油瓿?。總之，仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場由軟件編程配置總之，仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場由軟件編程配置SJA1000SJA1000完成；幀起始、完成；幀起始、CRCCRC場、應答場、幀結束由場、應答場、幀結束由CANCAN總線控制芯片總線控制芯

22、片SJA1000SJA1000自動完成。自動完成。收發(fā)器、控制器收發(fā)器、控制器光耦隔離光耦隔離 I2CI2C通信通信一一. . 技術性能技術性能: :工作速率有工作速率有100K100K和和400K400K兩種；兩種；支持多機通訊；支持多機通訊；支持多主控模塊，但同一時刻只允許有一個主控；支持多主控模塊，但同一時刻只允許有一個主控； 由數(shù)據(jù)線由數(shù)據(jù)線SDASDA和時鐘和時鐘SCLSCL構成的串行總線；構成的串行總線；每個電路和模塊都有唯一的地址；每個電路和模塊都有唯一的地址； 每個器件可以使用獨立電源每個器件可以使用獨立電源二二. . 寫通訊過程寫通訊過程: :1. 1. 主控在檢測到總線空閑

23、的狀況下，首先發(fā)送一個主控在檢測到總線空閑的狀況下，首先發(fā)送一個STARTSTART信號掌管總線信號掌管總線；2. 2. 發(fā)送一個地址字節(jié)發(fā)送一個地址字節(jié)( (包括包括7 7位地址碼和一位位地址碼和一位R/W)R/W)；3. 3. 當被控器件檢測到主控發(fā)送的地址與自己的地址相同時發(fā)送一個應答當被控器件檢測到主控發(fā)送的地址與自己的地址相同時發(fā)送一個應答信號信號(ACK)(ACK)；4. 4. 主控收到主控收到ACKACK后開始發(fā)送第一個數(shù)據(jù)字節(jié)；后開始發(fā)送第一個數(shù)據(jù)字節(jié)；5. 5. 被控器收到數(shù)據(jù)字節(jié)后發(fā)送一個被控器收到數(shù)據(jù)字節(jié)后發(fā)送一個ACKACK表示繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)，發(fā)送表示繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)，發(fā)送N

24、ACKNACK表表示傳送數(shù)據(jù)結束；示傳送數(shù)據(jù)結束；6. 6. 主控發(fā)送完全部數(shù)據(jù)后，發(fā)送一個停止位主控發(fā)送完全部數(shù)據(jù)后，發(fā)送一個停止位STOPSTOP，結束整個通訊并且釋，結束整個通訊并且釋放總線；放總線；三三. . 讀通訊過程讀通訊過程: :1. 1. 主控在檢測到總線空閑的狀況下，首先發(fā)送一個主控在檢測到總線空閑的狀況下，首先發(fā)送一個STARTSTART信號掌管總線信號掌管總線；2. 2. 發(fā)送一個地址字節(jié)發(fā)送一個地址字節(jié)( (包括包括7 7位地址碼和一位位地址碼和一位R/W)R/W)；3. 3. 當被控器件檢測到主控發(fā)送的地址與自己的地址相同時發(fā)送一個應答當被控器件檢測到主控發(fā)送的地址與

25、自己的地址相同時發(fā)送一個應答信號信號(ACK)(ACK)；4. 4. 主控收到主控收到ACKACK后釋放數(shù)據(jù)總線，開始接收第一個數(shù)據(jù)字節(jié)；后釋放數(shù)據(jù)總線，開始接收第一個數(shù)據(jù)字節(jié)；5. 5. 主控收到數(shù)據(jù)后發(fā)送主控收到數(shù)據(jù)后發(fā)送ACKACK表示繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)，發(fā)送表示繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)，發(fā)送NACKNACK表示傳送數(shù)據(jù)表示傳送數(shù)據(jù)結束；結束；6. 6. 主控發(fā)送完全部數(shù)據(jù)后，發(fā)送一個停止位主控發(fā)送完全部數(shù)據(jù)后，發(fā)送一個停止位STOPSTOP，結束整個通訊并且釋，結束整個通訊并且釋放總線；放總線；四四. . 總線信號時序分析總線信號時序分析1. 1. 總線空閑狀態(tài)總線空閑狀態(tài)SDASDA和和SCLSCL兩

26、條信號線都處于高電平，即總線上所有的器件都釋放總線，兩條信兩條信號線都處于高電平，即總線上所有的器件都釋放總線，兩條信號線各自的上拉電阻把電平拉高；號線各自的上拉電阻把電平拉高；2. 2. 啟動信號啟動信號STARTSTART時鐘信號時鐘信號SCLSCL保持高電平，數(shù)據(jù)信號保持高電平，數(shù)據(jù)信號SDASDA的電平被拉低的電平被拉低( (即負跳變即負跳變) )。啟動信號必。啟動信號必須是跳變信號，而且在建立該信號前必修保證總線處于空閑狀態(tài)；須是跳變信號，而且在建立該信號前必修保證總線處于空閑狀態(tài)；3. 3. 停止信號停止信號STOPSTOP時鐘信號時鐘信號SCLSCL保持高電平，數(shù)據(jù)線被釋放，使得保持高電平，數(shù)據(jù)線被釋放，使得SDASDA返回高電平返回高電平( (即正跳變即正跳變) )，停，停止信號也必須是跳變信號。止信號也必須是跳變信號。4. 4. 數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù)傳送SCLSCL線呈現(xiàn)高電平期間，線呈現(xiàn)高電平期間，SDASDA線上的電平必須保持穩(wěn)定，低電平表示線上的電平必須保持穩(wěn)定，低電平表示0(0(此時的線此時