电子系统设计与实践第九讲单片机通信技术
单片机的通信接口及通信协议概述
单片机的通信接口及通信协议概述随着科技的快速发展，单片机已经成为许多电子产品的核心部分。
而单片机的通信接口及通信协议则扮演着连接与控制外围设备的重要纽带。
本文将对单片机的通信接口及通信协议进行概述，帮助读者了解单片机通信的基本原理与应用。
一、串行通信接口串行通信接口是单片机与外部设备进行数据传输的一种常用方式。
它通过将数据一位一位地顺序传送，使得通信过程更加可靠。
常见的串行通信接口有UART、SPI和I2C。
1. UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter，通用异步收发器）：UART是一种最基本的串行通信接口，实现简单，广泛应用于单片机的串口通信。
UART通过将数据以异步的方式进行传输，即发送端和接收端的时钟不同步，可以实现双向通信。
2. SPI（Serial Peripheral Interface，串行外围接口）：SPI是一种同步的串行通信接口，适用于单片机与外部设备之间的高速数据传输。
SPI通信主要通过四根线进行，分别是时钟线、数据输入线、数据输出线和片选线。
SPI可以支持单主单从、单主多从和多主多从的通信方式。
3. I2C（Inter-Integrated Circuit，集成电路互连）：I2C是一种双线制的串行通信接口，适用于单片机与多个外部设备之间进行数据传输。
I2C接口通常有两根线，即串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL）。
I2C采用主从模式，其中主机由单片机担任，从机可以是各种外围设备。
二、并行通信接口并行通信接口是一种同时传输多个位的通信方式，可以实现更高的数据传输速率。
常见的并行通信接口有GPIO（General PurposeInput/Output，通用输入输出）、外部总线接口等。
1. GPIO：GPIO是单片机通用的输入输出引脚，可以用来与外部设备进行并行通信。
通过对GPIO引脚的电平控制，单片机可以进行数据的输入和输出。
单片机中的网络通信技术
单片机中的网络通信技术网络通信技术在现代社会中起着举足轻重的作用，不仅在计算机等大型设备中应用广泛，而且在嵌入式系统中也扮演着重要角色。
尤其是在单片机领域，网络通信技术的应用为传感器网络、智能家居等领域开辟了广阔的发展空间。
本文将探讨单片机中的网络通信技术，包括其原理、应用以及未来的发展趋势。
一、网络通信技术原理在单片机中使用的网络通信技术一般分为有线和无线两种类型。
有线网络通信技术常用的有以太网、串口通信等，而无线网络通信技术则包括蓝牙、Wi-Fi、ZigBee等。
无论是有线还是无线通信，其基本原理都是实现数据的传输和接收。
有线通信技术中，以太网是最常见的一种。
它通过物理层和数据链路层完成数据传输，使用RJ45接口将单片机与网络连接，将数据以数据帧的形式传输。
串口通信则采用串行通信的方式，将数据一个一个地传输，常见的有RS232和RS485。
无线通信技术中，蓝牙是广泛应用的一种技术。
它通过无线电波进行数据传输，常用于手机与周边设备的连接。
Wi-Fi则是无线局域网的一种技术，通过无线电波将数据传输到局域网中的其他设备。
ZigBee 是一种低功耗、近距离的无线通信技术，适用于物联网等领域。
二、单片机中的网络通信应用单片机中的网络通信技术广泛应用于各个领域，为嵌入式系统的智能化提供了支持。
以下是几个常见的应用案例：1. 传感器网络：通过无线网络通信技术，将传感器节点连接起来，实现数据的采集和传输。
这种应用在农业、环境监测等领域有着广泛的应用，实现了数据的实时监测和远程控制。
2. 智能家居：通过网络通信技术，将家居设备进行互联，实现远程控制和智能化管理。
比如通过手机App远程控制家里的灯光、空调等设备，提高了生活的便利性和舒适度。
3. 工业控制：单片机中的网络通信技术可以应用于工业控制系统中，实现分布式控制和远程监测。
传感器节点和执行器节点通过网络连接，实现工控系统的自动化控制。
三、单片机网络通信技术的发展趋势随着物联网的发展，单片机中的网络通信技术也在不断进步和演进。
单片机串行通信
单片机串行通信在现代电子技术的领域中，单片机串行通信扮演着至关重要的角色。
它就像是信息传递的“高速公路”，让单片机能够与外部设备或其他单片机进行高效、准确的数据交流。
串行通信，简单来说，就是数据一位一位地按顺序传输。
相较于并行通信，它所需的数据线更少，这在硬件设计上带来了极大的便利，降低了成本，也减少了布线的复杂性。
想象一下，如果每次传输数据都需要同时通过很多根线，那得是多么繁琐和容易出错！而串行通信则巧妙地解决了这个问题。
单片机串行通信有两种常见的方式：同步串行通信和异步串行通信。
异步串行通信就像是两个不太合拍的朋友在交流。
发送方和接收方各自按照自己的节奏工作，但他们通过事先约定好的一些规则来确保信息能被正确理解。
比如，规定好每个数据的位数（通常是 5 到 8 位）、起始位和停止位的形式。
起始位就像是一个打招呼的信号，告诉接收方“我要开始发数据啦”；而停止位则表示这一轮数据传输结束。
在异步通信中，双方不需要严格同步时钟，这使得它在很多应用场景中都非常灵活。
同步串行通信则更像是两个默契十足的伙伴。
发送方和接收方共用一个时钟信号，数据的传输在这个时钟的控制下有序进行。
这样可以保证数据传输的准确性和稳定性，但也对时钟的同步要求较高。
在实际应用中，单片机串行通信常用于与各种外部设备进行通信，比如传感器、显示屏、计算机等。
以传感器为例，单片机通过串行通信获取传感器采集到的温度、湿度、压力等数据，然后进行处理和控制。
为了实现串行通信，单片机通常会配备专门的串行通信接口。
比如常见的 UART（通用异步收发器）、SPI（串行外设接口）和 I2C（集成电路总线）等。
UART 是一种应用广泛的异步串行通信接口。
它的硬件实现相对简单，只需要两根数据线：发送线（TXD）和接收线（RXD）。
通过设置合适的波特率（即数据传输的速率），就可以实现单片机与其他设备之间的异步通信。
SPI 则是一种同步串行通信接口，它通常需要四根线：时钟线（SCK）、主机输出从机输入线（MOSI）、主机输入从机输出线（MISO）和片选线（CS）。
单片机的通信接口技术与应用实践
单片机的通信接口技术与应用实践单片机是一种集成了微处理器、存储器和各种外设功能的微型计算机系统，广泛应用于各种电子设备中。
通信接口技术是单片机系统中非常重要的一部分，它可以实现单片机与外部设备之间的数据传输、信息交换等功能。
本文将探讨单片机的通信接口技术及其应用实践。
一、串行通信接口串行通信是一种逐位传输数据的通信方式，相对于并行通信，串行通信更节省资源、线路简单，适合于距离较远的通信。
常见的串行通信接口包括USART（通用异步同步收发器）、SPI（串行外围接口）、I2C（Inter-Integrated Circuit）等。
通过这些接口，单片机可以与外部设备进行数据传输。
例如，在用单片机控制LCD显示屏时，可以通过串行通信接口将要显示的内容发送给LCD显示屏，实现信息展示功能。
另外，在智能家居系统中，单片机可以通过串行通信接口与各种传感器进行数据交互，实现温度控制、灯光调节等功能。
二、并行通信接口并行通信是指在数据总线上同时传输若干位二进制数据的通信方式，速度快，但要求线路繁琐。
在单片机系统中，一般使用并行总线接口（如地址总线、数据总线、控制总线）与外部设备进行通信，实现数据的读写操作。
举例来说，当单片机需要读取外部存储器中的数据时，可以通过并行通信接口将地址信息和控制信号发送给外部存储器，同时接收存储器返回的数据信息。
这种方式适合于对数据传输速度有高要求的场景。
三、通信接口的应用实践在实际项目中，单片机的通信接口技术是非常关键的，通过灵活运用各种通信接口，可以实现单片机与外部设备的数据交互、信息传输等功能。
例如，在物联网项目中，单片机可以通过无线通信接口（如蓝牙、Wi-Fi）与手机、电脑等设备连接，实现远程控制、数据采集等功能。
此外，单片机的通信接口技术在工业控制、自动化设备、医疗器械等领域也有着广泛的应用。
通过通信接口，单片机可以与各类传感器、执行器、显示器等设备连接，实现设备之间的信息交换，提高系统的智能化程度和效率。
电子系统课程设计单片机
04
单片机实践项目
数字钟设计
数字钟功能
使用单片机实现一个数字时钟 ，能够显示时、分、秒，具有 调整时间、闹钟等基本功能。
时钟芯片
选择合适的时钟芯片，如 DS1302或DS1307，以提供稳 定的时钟信号。
显示模块
选择合适的显示模块，如LED或 LCD显示屏，用于显示时间信 息。
按键模块
设计按键模块，实现时间的调 整和闹钟的设置。
单片机应用前景展望
智能家居领域
随着人们对家居生活品质要求的提高，单片机将在智能家居领域发挥 更大的作用，实现家居设备的智能化、远程控制等功能。
工业自动化领域
在工业自动化生产中，单片机可以用于控制机械臂、传感器等设备， 提高生产效率和产品质量。
医疗电子领域
随着医疗技术的不断发展，单片机将在医疗电子领域发挥重要作用， 如用于医疗器械的控制、数据采集等。
扬声器
选择合适的扬声器，如蜂鸣器或小型音箱， 用于播放电子琴的音符。
按键模块
设计按键模块，实现不同音符的选择和播放。
音效处理
根据需要添加音效处理模块，如滤波器或音 效芯片，以提高音质。
步进电机控制系统设计
01
步进电机驱动器
选择合适的步进电机驱动器，如 A4988或DRV8825，以驱动步 进电机。
另一款流行的单片机开发软件，提供丰富的开发工具和调试功能。
其他开发环境
如Code:Blocks、Visual Studio等也可用于单片机开发，但需配置 相关插件或工具链。
03
单片机应用设计
输入/输出接口设计
总结词
输入/输出接口是单片机与外部设备进 行信息交互的桥梁，其设计至关重要。
详细描述
单片机多级通信系统设计及实现
单片机多级通信系统设计及实现一、引言随着信息技术的飞速发展，多级通信系统已经成为现代社会中不可或缺的一部分。
而单片机作为一种集成电路芯片，具有体积小、功耗低、成本低等优势，广泛应用于各种通信系统中。
本文将介绍单片机多级通信系统的设计原理和实现方法，并以一个实例来详细说明。
二、设计原理1. 系统结构单片机多级通信系统由多个通信节点组成，每个节点可以是一个传感器、执行器、显示设备等。
通信节点之间通过无线或有线网络连接，在网络中实现相互之间的数据传输。
2. 通信协议为了保证通信节点之间的数据传输顺利进行，需要设计一种通信协议。
常见的通信协议包括UART、SPI、I2C等。
根据系统需求选择合适的通信协议，并在单片机中实现通信协议的收发功能。
3. 数据采集与处理单片机作为多级通信系统的核心，需要负责数据的采集与处理。
可以通过外部传感器或其他设备采集数据，并通过单片机进行处理和分析。
处理后的数据可以通过通信协议发送给其他节点，也可以通过显示设备进行展示。
三、实现方法以一个智能家居系统为例进行说明，该系统包括多个传感器和执行器节点。
设计思路如下：1. 系统硬件设计选择合适的单片机作为主控芯片，并根据系统需求设计相应的外围电路。
每个传感器节点需要连接传感器元件，并通过模拟输入口或数字输入口与单片机相连；执行器节点需要连接执行器，并通过数字输出口与单片机相连。
2. 系统软件设计编写单片机的软件程序，包括通信协议的实现和数据处理的算法。
在程序中实现通信协议的收发功能，并设置合适的传输速率和数据格式。
针对每个传感器节点和执行器节点，编写相应的数据采集和处理的代码。
3. 系统调试与优化将程序下载到单片机中，并通过调试工具进行系统调试。
测试每个节点的数据采集、处理和通信功能是否正常。
根据测试结果进行相应的优化，以提高系统的稳定性和可靠性。
四、总结本文介绍了单片机多级通信系统的设计原理和实现方法。
通过合理的系统结构、选择合适的通信协议、数据采集与处理等步骤，可以设计实现一个高效稳定的多级通信系统。
单片机无线通信系统的设计与实现
单片机无线通信系统的设计与实现单片机无线通信系统是一种基于无线通信技术的物联网系统，其主要功能是实现设备之间的数据传输与交互。
该系统一般由发送端和接收端两个部分组成，其中发送端负责将数据编码成无线信号并进行发送，而接收端则负责接收无线信号并将其解码成数据。
本文将介绍如何设计和实现一个基于单片机的无线通信系统。
首先我们需要选择无线模块，常用的模块有NRF24L01、CC1101、ESP8266等，这些模块都有各自的优缺点。
以NRF24L01为例，它具有高传输速度、较小的功耗和较远的传输距离等优势，且价格较为实惠，因此在本次设计中我们选择了NRF24L01。
其次，我们需要对单片机进行编程，以实现无线通信功能。
在程序设计时，我们需要考虑以下几个方面：1. 确定发送与接收地址在NRF24L01中，每个模块都有一个唯一的地址，以实现模块间的通信。
因此我们需要在程序中定义发送与接收模块的地址。
2. 设置无线模块的工作模式NRF24L01支持不同的通信模式，如接收模式、发射模式、波特率等，我们需要根据需求设置无线模块的工作模式。
3. 编写发送程序在发送端的程序中，我们需要先将需要发送的数据编码为无线信号，再通过NRF24L01将其发送出去。
4. 编写接收程序在接收端的程序中，我们需要等待接收到无线信号，并将其解码为原始数据。
接收完成后，我们可以根据需求对数据进行处理或存储。
以上四个方面是单片机无线通信系统程序设计的关键之处。
当然，如果需要更好的通信质量或者功能，还需要考虑通信协议的设计，如数据加密、错误检测、重传机制等。
最后，我们需要搭建硬件平台，将单片机与无线模块进行连接，这里我们需要注意硬件连接的正确性与稳定性。
总之，单片机无线通信系统的设计与实现需要同时考虑软硬件两方面的因素，只有在程序、电路和信号传输等方面都达到适用的标准，才能保证该系统的稳定性、安全性和持久性。
电子系统设计课程设计通信
电子系统设计课程设计通信一、课程目标知识目标：1. 学生能够理解通信电子系统的基本原理，掌握系统设计的基本流程和方法。
2. 学生能够掌握常用电子元器件的原理及在通信系统中的应用。
3. 学生能够运用所学的理论知识，分析并解决实际通信电子系统设计中的问题。
技能目标：1. 学生能够运用相关软件工具进行通信电子系统的原理图绘制和电路仿真。
2. 学生能够独立完成一个小型的通信电子系统设计与搭建，具备实际操作能力。
3. 学生能够通过团队协作，进行项目报告撰写和成果展示，提高沟通与表达能力。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对电子工程领域的兴趣，激发他们探索未知、创新实践的热情。
2. 培养学生具备良好的团队合作精神，尊重他人意见，学会倾听和沟通。
3. 培养学生关注社会发展，认识到通信技术在国家和民生中的重要作用，增强社会责任感。
本课程结合电子系统设计与通信技术，注重理论联系实际，培养学生具备实际操作和创新能力。
针对高中年级学生的特点，课程内容以实用性为主，注重培养学生的动手实践能力和团队协作精神。
在教学过程中，要求教师关注学生的学习进度，及时调整教学策略，确保课程目标的实现。
通过本课程的学习，使学生能够掌握通信电子系统设计的基本方法，提高他们在实际工程应用中的竞争力。
二、教学内容本课程教学内容主要包括以下几部分：1. 通信电子系统基本原理：介绍通信系统的基本概念、分类及性能指标，分析模拟通信与数字通信的区别及联系。
2. 常用电子元器件：讲解常用电子元器件的原理、特性及其在通信系统中的应用，如放大器、滤波器、调制器等。
3. 通信电子系统设计方法：学习通信电子系统设计的基本流程、方法及注意事项，包括系统需求分析、方案设计、电路仿真等。
4. 电路设计与仿真：教授如何使用相关软件工具（如Multisim、Protel等）进行原理图绘制、电路仿真及PCB设计。
5. 实践项目：分组进行通信电子系统设计与搭建，培养学生动手实践能力，包括小型无线电发射与接收系统、信号发生器等。
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电子系统设计与实践
（3）按传输速率分 低速率，数十KB/S以下，如RS232 中速率，数百KB以上，如I2C ，RS485，CAN 高速率，数MB/S以上，如USB,SPI,以太网 （4）按传输距离分 近 距 离 （ 芯 片 间 ） ， 数 十 厘 米 内 ， 如 I2C 、 SPI 、 OneWire 中距离，十几米内，如RS232、USB，LIN 远距离，RS485达1200米，CAN十公里
SP485 芯片引脚图
电子系统设计与实践 RS485:
电子系统设计与实践
UART传输距离: RS-232距离？ RS232只能传输15米 RS485距离？ RS485最远可以传输1200米。 UART传输速率: RS-232:最高256 Kb/s RS-485:最高10 Mb/s 实际传输速率跟传输距离有关
电子系统设计与实践
1. RS232 RS232电平标准：
为什么要这样设置电平？
电子系统设计与实践
RS232与TTL比较：
可以延长传输线 提高抗干扰能力 RS232是非差分传输方式 注意:RS232只能一对一通信!!!
电子系统设计与实践
TTL、RS232转换芯片：
MAX232 5V电源 RS232电平输出（±10V） (TTL Vcc：5V；VOH>=2.4V；VOL<=0.5V；
3 ：TXD:此引脚将计算机的数据发送给外部设备；在你使用Modem时，你 会发现TXD指示灯在闪烁，说明计算机正在通过TXD引脚发送数据。
4 ：DTR:数据终端就绪；当此引脚高电平时，通知Modem可以进行数据传 输，计算机已经准备好。
5 ：GND:逻辑地。 6 ：DSR:数据设备就绪；此引脚高电平时，通知计算机Modem已经准备好，
可以进行数据通讯了。 7 ：RTS:请求发送；此脚由计算机来控制，用以通知Modem马上传送数据
至计算机；否则，Modem将收到的数据暂时放入缓冲区中。 8 ：CTS: 清除发送；此脚由Modem控制，用以通知计算机将欲传的数据
送至Modem。 9 ：RI : Modem通知计算机有呼叫进来，是否接听呼叫由计算机决定。
VIH>=2V；VIL<=0.8V) MAX3232 3.3V电源 RS232电平输出(±6.6V)
电子系统设计与实践
2. 其他传输电平标准
在工业环境中更好的抗噪性和更远的传输距离是一 个很大的优点。 RS422 全双工差分传输 2对信号线 最多10个设备 RS485 半双工差分传输 1对信号线 最多32个设备
电子系统设计与实践
串口DB9：
DB-9
RS232连接方式:
最少三线链接 TXD、RXD、GND
RxD （2） TxD （3） GND （5）
串口DB9引脚定义
1 ：DCD :载波检测。主要用于Modem通知计算机其处于在线状态，即 Modem检测到拨号音，处于在线状态。
2 ：RXD:此引脚用于接收外部设备送来的数据；在你使用Modem时，你会 发现RXD指示灯在闪烁，说明RXD引脚上有数据进入。
电子系统设计与实践
目前不少电子系统都是以微处理器（单片机）为核心，而微处理器 往往通过I2C、SPI、CAN等通信接口同外围电路连接起来，以实现 复杂的电路功能；目前主流的微处理器除拥有I2C、SPI、UART外， 还集成有CAN、LIN、USB、EtherCAT等通信接口。
电子系统设计与实践
一、微处理器通信介绍 1、单片机通信分类 （1）按总线方式分 总线型，如CAN、RS485、I2C、SPI 非总线型，如RS232、USB （2）按工作模式分 全双工，如SPI 半双工，RS232 单工,单收或单发，如OneWire
电子系统设计与实践
COM口是PC上异步串行通信口的简写。由于 历史原因，IBM的PC外部接口配置为RS232， 成为实际上的PC界默认标准。所以，现在PC 机的COM口均为RS232。
电子系统设计与实践
通用异步通信数据格式：
起始位：先发出一个逻辑”0”的信号，表示传输字符的开始。 数据位：紧接着起始位之后。数据位的个数可以是4、5、6、7、
电子系统设计与实践
RS485:
Receiver output
Receiver output enable (低电平有效)
Driver output enable (高电平有效) Driver input
4.75V<Vcc<5.25V
Driver output / Receiver input Inverting Driver output / Receiver input NonInverting
电子系统设计与实践
UART是通用异步收发器的英文缩写，它包括了RS232、 RS449、RS423、RS422和RS485等接口标准规范和总线标准规 范，即UART是异步串行通信接口的总称。 而RS232、RS449、 RS423、RS422与RS485等是对应各种异步串行通信口的接口标 准和总线标准，它规定了通信口的电气特性、传输速率、连接 特性和接口的机械特性等内容。实际上是属于通信网络中的物 理层（最底层）的概念，与通信协议没有直接关系。而通信协 议，是属于通信网络中的数据链路层（上一层）的概念。
电子系统设计与实践
（5）按隔离方式分 光耦隔离，高速光耦 变压器隔离，用铁氧体高频变压器
电子系统设计与实践
2、单片机常用通信接口 UART
RS232, RS485 I2C SPI OneWire LIN CAN USB EtherCAT
二、单片机通信接口
（一）、UART
Universal Asynchronous Receபைடு நூலகம்ver/Transmitter 通用异步收发器
8等，构成一个字符。 奇偶校验位：数据位加上这一位后，使得“1”的位数应为偶数(偶
校验)或奇数(奇校验)，以此来校验数据传送的正确性。 停止位：它是一个字符数据的结束标志。可以是1位、1.5位、2位
的高电平。 空闲位：处于逻辑“1”状态，表示当前线路上没有数据传送。
电子系统设计与实践
波特率：
串行通信每秒传输码位(bit)数 一般：115200、19200、9600、4800、1200 单位：bps