单片机：串行接口之通信概念

1. 引言

在之前的学习中我们知道51单片机有4个并行接口，即P0、P1、P2、P3。而单片的引号是有限的是宝贵的。对于并行接口来说，传输一个字节，就要链接8个引脚。有点浪费，这次我们学习一下串行接口。传输一个字节只需要一个引脚就能搞定。在学习串行接口之前，我们先回顾一下通信的基本概念。

2. 并行通信与串行通信

计算机的通信方式有两种，一种是并行通信，另外一种是串行通信。

2.1 并行通信

并行通信是指一次同时传输多位信号数据的通信方式。每一位数据都需要一条数据信号线。并行通信传输信号多，线路复杂，成本高，主要用于近距离传输。比如台式电脑机箱内的排线。

比如一次传送8位或16位，相应地就需要8条或16条数据信号线，一般还需要控制信号线，状态信息号线。

2.2 串行通信

串行通信是指多位数据不同时传送，而是一位接一位按顺序传送的通信方式。串行通信传输线少（相比于并行通信，同样的距离并行通信需要8 ~ 10根线，而串行通信只需要1 ~ 2根线），线路简单，成本低，适合远距离通信。

比如一个字节数据，传送时，发送端把它按顺序分成8位，通过发送数据信号线一位一位的发送出去，接收端接收后再把它按顺序组装成一个字节。数据信号线只需要一条或两条（双向）

3. 串行通信制式

串行通信可分为以下3种

1. 单工通信
2. 半双工通信
3. 全双工通信

3.1 单工通信

单工通信：设备A只有发送数据，设备B只有接收数据，两者通过一条数据信号线相连，信息只能由A传给B,即单项传送。

比如：电台发送广播，收音机接收广播。电视台发送新闻，电视接收新闻。

3.2 半双工通信

半双工通信：设备A即可发送数据，又可接收数据。设备B即可发送数据，又可接收数据。但两者也只有一条数据信号线相连。同一时刻信号只能实现一个方向的传送。

比如：对讲机。

3.3 全双工通信

全双工通信：设备A，设备B 通过两根信号线链接，可同时发送数据，也可同时接收数据。实现数据双向传输。现在大多数同学都采用全双工方式。

比如：电话系统，internet网络。

4.串行通信数据传输原理

串行通信中，高电平表示数字1，低电平表示数字0。发送端和接收端要保持相同的时钟周期。发生端发送一个高电平，接收端就能接收到一个数字1。发送端发送一个低电平，接收端就能接收到一个数字0。

4.1 发送过程

发送端发送数据时，先将要发送的数据送入移位寄存器，然后再发送时钟的控制下，将该并行数据逐位移位输出，送到发送数据线上，若数据是1，则发送数据线送高电平，若数据是0，则发送数据线送低电平。通常是在发送时钟的下降沿将移位寄存器的数据串行输出，每个数据位的时间间隔由发送时钟的周期来划分。

4.2 接收过程

接收端接收串行数据时，一般用接收时钟的上升沿对接收数据采集，进行数据位检测，如果检测到高电平，接收未1，如果检测到低电平，接收未0。接收的数据依次移入接收器的移位寄存器中，最后组成并行数据输出。

串行通信传送的距离比较远，数据在线路上传送时容易收到外部环境的干扰，为了避免外部环境干扰，接收端在接收信息时，通常把一个接收时钟通过倍频技术进行16倍频，分成16个周期（接收的的信息分成16份），用中间7、8、9这3个周期对数据采样，如果两次或两次以上采样到高电平，接收为1；如果两次或两次以上采样到低电平接收未0。这样就可以一定程度避免外部脉冲干扰。

5. 异步通信与同步通信

串行通信按信息的格式划分有以下两种

1. 串行异步通信方式
2. 串行同步通信方式

5.1 串行异步通信方式

串行一步通信方式的特点是数据在线路上传送时是以一个字符（字节）为单位，未传输时线路空闲，空闲为高电平。传送一个字符又称为一帧信息。传送时每个字符前加一个低电平的起始位，然后是数据位，低位再前高位在后，数据位后面可带一个奇偶校验位，最后是停止位。停止位用高电位表示。

异步传送时，字符间可以间隔，间隔的位数不固定。由于一次只传送一个字符，因而一次传送的位数比较少，对发送时钟和接收时钟的要求相对不高。线路简单，但传送速度较慢。

问：ASCII使用的有效位数是多少位？
A. 8位 B,7位。
问：ASCII 最后一位通常在型号传输过程中做何使用？

5.2 串行同步通信方式

串行同步通信方式是数据在线路上传送时以字符块为单位，一次传送多个字符（字节），传送时须在前面加一个或两个同步字符（字节），后面加校验字符（字节）。

同步传送时一次连续传送多个字符，传送的位数多，对发送时钟和接收时钟要求较高，往往用一个时钟源控制，控制线路复杂。

6. 串行通信的校验方法

为保证发送和接收的数据正确，通常要对数据的正确性进行校验。

1. 奇偶校验
2. 循环冗余校验

6.1 奇偶校验（Parity Check）

在异步通信中，发送端发送数据之后增加一个校验位，这个校验位可为‘1’ 或‘0’，以保证整个字符（包含校验位）中‘1’的个数为偶数（偶校验）或奇数（奇校验）。接收端接收到数据后，对‘1’的个数进行校验，如果发现和发送端不一致，则说明数据传送过程中出现差错。奇偶校验能够检查出字符中发生的一位错误，但不能自动纠错。

通俗的说法，发送端和接收端提前约定好，发送的数据中1的个数一定是偶数个（偶校验），接收端接收到1的个数不是偶数个，就知道这个字节在传输的过程中有错了。

6.2 循环冗余校验（Cyclic Redundancy Check）

再同步通信中常采用CRC循环冗余校验码。发送端发送数据块是，利用编程原理，对传送的数据块按某种算法产生校验码，并将校验码放在数据块之后一桶发送。接收端接收到数据字符块和校验码后，用接收的的数据字符块按同样算法计算校验码，并把计算得到的校验码和接收的校验码进行比较。若相同则传送无差错；否则说明接收数据有错。

7. 串行通信的速度

比特率：单位时间内传输的二进制代码的位数，单位为每秒比特数（b/s）。

8. 串行通信接口标准

串行通信标准化接口

8.1 TTL电平标准

1. 电平标准
   逻辑1：+5V
   逻辑0： 0V
   输出时，逻辑1电平≥2.4V;逻辑0电平≤0.4V

2. 主要应用
   数字电路、微控制器、通信接口
   通信距离在1.5m以内

8.2 RS-232C标准

1. 电平标准
   逻辑1：-3 ~ -5V
   逻辑0：+3 ~ +5V

2. 主要应用
   计算机与计算机之间、计算机与终端或外设之间的近距离链接和数据传送。
   数据传输速率小于20kb/s，电缆长度小于15m。

8.3 RS-485 标准

1. 电平标准
   逻辑1：+2 ~ +6V
   逻辑0：-2 ~ -6V

2. 主要应用
   工业自动化、远程数据采集
   电缆长度数千米。

9. 总结

串行通信因其结构简单、成本低廉、抗干扰能力强等优点，已成为单片机、计算机及各类嵌入式设备中最主流的通信方式之一。理解其基本原理与标准，是进行嵌入式系统设计和通信协议开发的重要基础。