二、UART接口

通信接口和单片机应用 第二章 UART接口第二章 UART接口 2015年9月10日2015年9月10日 第二章 UART接口第二章 UART接口 2 1 2 1 UARTUART接口的基本参数接口的基本参数 2 2 UART2 2 UART接口的电平及转换方式接口的电平及转换方式2 2 UART2 2 UART接口的电平及转换方式接口的电平及转换方式 2 3 UART2 3 UART接口的应用接口的应用 2 4 UART2 4 UART接口的实现方案接口的实现方案 2 1 UART接口的基本参数 一UART接口的概念 UART接口的概念 Universal Asynchronous Receiver Transmitter 通用异步接 收 发送器 通用异步收发器 UART 包含接收和发送两根信号线 一根公共的信号地 包含接收和发送两根信号线 根公共的信号地 UART接口的基本参数有 信号帧格式 信号速率 数据位 停止位 校验位 信号电平 二 UART接口的信号帧格式二 UART接口的信号帧格式 UART信号的最小单位是比特位 若干比特位构成一帧 信号帧由1个停止位 N个数据位 C个校验位 S个停信号帧由 个停位 个数据位 个校验位 个停 止位构成 起始位起始位 数据位数据位奇偶校验位奇偶校验位停止位停止位起始位起始位 数据位数据位奇偶校验位奇偶校验位停止位停止位 1位位5 8位位 1位 可选 位 可选 1 1 5 2位位 两个UART信号帧可以是无间断的连续 也可以插入空闲 两个UART信号帧可以是无间断的连续 也可以插入空闲 空闲电平 高电平 空闲时长 任意时长 可以是信息位的整数倍 也可以不是 三 主要参数 1 串口速率 300 600 1 2K 2 4K 4 8K 9 6K 19 2K bps 38 4K 57 6K 115 2K 230 4K bps bps bit per second 2数据位数目 6 7 8 比特2 数据位数目 6 7 8 比特 3 校验位 无校验 奇校验 偶校验 4 停止位数 1 1 5 2 比特 5电平 TTLCMOSRS2325 电平 TTL CMOS RS232 2 2 UART接口的电平及转换方式 电一 TTL电平 早期的数字电路 大多采样 5V电源供电 MCS 51单片机 也采样 5V供电 TTL输入电平高电平要求大于2 0V低电平小于0 8V TTL输入电平 高电平要求大于2 0V 低电平小于0 8V TTL输出电平 高电平要求大于2 4V 低电平小于0 4V 通常 采样 5V供电的单片机的UART接口电平 高电平不 低于4 5V低电平 0 3V低于4 5V 低电平 0 3V 2 2 UART接口的电平及转换方式 二 CMOS电平二 CMOS电平 CMOS器件的特点是输入阻抗大 输入电流小 对噪声 敏感 CMOS器件可以实现轨对轨 rail to rail 输出 因此输以实现轨轨 输 因输 出高电平接近VCC 输出低电平接近GND CMOS输入电平高电平要求不低于0 7VCC低电平不 CMOS输入电平 高电平要求不低于0 7VCC 低电平不 高于0 2VCC CMOS器件可以在宽电压范围内工作 常用电压有 3 3V3 0V2 4V等3 3V 3 0V 2 4V等 2 2 UART接口的电平及转换方式 三 RS 232C电平 延长通信距离 三 RS 232C电平 延长通信距离 与RS 232C标准协议对应 RS 232C是美国电子工业协会 EIA 和国际电报电话咨询委员会 CCITT 为串行通信设备 制定的一种标准 RS Recommeded Standard 代表推荐标制定种准 代表推 准 232是标识号 C代表RS232的第三次修改 RS 232C采用负逻辑规定逻辑电平为双极性电平3V RS 232C采用负逻辑规定逻辑电平 为双极性电平 3V 15V为逻辑 1 电平 3V 15V为 0 电平 RS 232C的最大负载电容为2500pF 发送和接收端之间有公 共信号地 GND 是非平衡电压型传输电路不具备抗共模共信号地 GND 是非平衡电压型传输电路 不具备抗共模 干扰的能力 9 6Kbps时可靠传输的最大通讯距离不超过15米 注意 RS 232C电平转换可以采用MAX3232芯片 3 3V供电 或MAX232芯片 5V供电 取决于转换前的逻辑信号电或MAX232芯片 5V供电 取决于转换前的逻辑信号电 平是3 3V还是5V 基于RS 232C电平的9芯串行接口 DB9 和25芯串行接口 DB25 RS 232串口RS 232串口 1 DB9F1 DB9F DB9 和25芯串行接口 DB25 1 1 DB9FDB9F 2 DB9M2 DB9M 3 DB25F3 DB25F3 3 DB25FDB25F 4 DB25M4 DB25M 1 载波检测 DCD 2 接受数据 RXD 3发出数据 TXD DB9公头 针 计算机终端侧 DB9母头 孔 设备侧 3 发出数据 TXD 4 数据终端准备好 DTR 5信号地线 SG DB9母头 孔 设备侧 5 信号地线 SG 6 数据准备好 DSR 7 请求发送 RTS 请发 8 清除发送 CTS 9 振铃指示 RI DB25芯 电路变换图和DB9连接图 2 2 UART接口的电平及转换方式 四 RS 485电平 RS485采用差分信号负逻辑 2V 6V表示 0 2V 6V表示 1 RS485有两线制和四线制两种接线 四线制只能实现点对点的通信方式 现很 少采用 两线制拓扑结构在同一总线上最多可以挂接32个结点 在RS485通信网络中一 般采用的是主从通信方式 即一个主机带多个从机 很多情况下 RS 485接口只需要简单地用一对双绞线将各个接口的 A B 很多情况下 接口只需要简单地用对双绞线将各个接口的 端连接起来 种连接方法留下了以下2个隐患 1 共模干扰问题 RS 485接口 收发器共模电压范围为 7 12V当共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定收发器共模电压范围为 7 12V 当共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定 可靠 甚至损坏接口 2 EMI问题 发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个 返回通路如没有一个低阻的返回通道 信号地 就会以辐射的形式返回源端返回通路 如没有一个低阻的返回通道 信号地 就会以辐射的形式返回源端 整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波 RS 485异步串行典型电路RS 485异步串行典型电路 Slide 18 带RS485接口的芯片带RS485接口的芯片 RS485接口电缆 RS485接口电缆 1 在低速 短距离 无干扰的场合采用普通的双绞线 在高速 长线传输时 采用阻抗匹配 一般为120 的RS485专用电 缆 STP 120 for RS485 CAN 2 在干扰恶劣的环境下采用铠装型双绞屏蔽电缆 ASTP 120 fRS485 CAN for RS485 CAN 3 从RS485接口到负载 所允许的最大电缆长度与信号传输的 波特率成反比 受信号失真及噪声等因素影响 理论上 通 信速率在100Kbps及以下时RS485的最长传输距离可达信速率在100Kbps及以下时 RS485的最长传输距离可达 1200米 RS 232 RS 485 逻辑电平异步串口的比较 1 都是通用异步通信方式UART 以帧为最小单位 帧格式 1 都是通用异步通信方式UART 以帧为最小单位 帧格式 2 通信速率越低 传输的距离越远 300 600 1 2K 2 4K 4 8K 9 6K 19 2K 38 4K 57 6K 115 2K bps 3RS485的抗干扰性能最强通信距离最远RS232次之3 RS485的抗干扰性能最强 通信距离最远 RS232次之 逻辑电平最差 4 收发端之间 RS232和逻辑电平必须共地 RS485共 虚 地 Slide 22 地 2 2 UART接口的电平及转换方式 五 RS 422电平 1 RS 422全称是 平衡电压数字接口电路的电气特性 定义了接口 电路的特性 由4根信号线 一根信号地线构成 2 接收器为高输入阻抗 发送器驱动能力比RS232更强 允许在相同 传输线上连接最多可接256个节点 即一个主设备 Master 其余传输线上连接最多可接个节点 即个主设备 其余 为从设备 Slave 从设备之间不能通信 支持点对多的双向通信 3最大传输距离约4000英尺 1219米 最大传输速率10Mb s传输3 最大传输距离约4000英尺 1219米 最大传输速率10Mb s 传输 线长度与传输速率成反比 低速率下才可能达到最大传输距离 100 米长的双绞线上所能获得的最大传输速率在 左右米长的双绞线上所能获得的最大传输速率在 1Mb s左右 4 需要一终接电阻 要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗 一般在长 度300米以下不需终接电阻 终接电阻接在传输电缆的最远端 2 3 UART接口的应用 一与UART接口相关的因素 与UART接口相关的因素 用于两个或多个实体 模块 设备 系统等 之间的通信 最高通信速率不超过115 2 Kbps 允许通信时延 允许通信时延 根据要求的通信距离 选择通信电平 CMOS RS232等 点对点通信或点对多点通信 网络拓扑结构 2 3 UART接口的应用 二 调制解调器 Modem 与计算机之间的连接二 调制解调器 Modem 与计算机之间的连接 选择RS 232C电平 计算机侧接口为DB9 Modem设备 侧接口为DB25 通过DB9转DB25的电缆连接 三 带DB9接口的工业设备三 带DB9接口的工业设备 四 网络设备 2 4 UART接口的实现方案 UART接口的作用一 UART接口的作用 接备UART接口用于实现两个实体 模块 设备 系 统等 之间的串行通信 每个实体的UART接口都包含统等 之间的串行通信 每个实体的UART接口都包含 发射器和接收器两部分 二 UART收发器结构二 UART收发器结构 1 发送器由发送FIFO 字节型 并 串转换器 发 送电路构成 接收器由接收电路串 并转换器接收送电路构成 接收器由接收电路 串 并转换器 接收 FIFO构成 2 收发器共享波特率发生器 时钟发生器模块 三 UART收发器实现方案 1 基于CPU总线的UART收发器方案 主要开发工作 主要开发工作 选定做波特率发生器的定时器 初始化定时 器工作方式 UART工作方式和参数 初始化中断工作方式 初始化中断工作方式 编写中断服务程序 编写中断服务程序 定义收发数组 指针和计数器 编写发送和 接收程序 2 以FPGA平台为例的开发实例为 要求 要求 起始位1位数据位8位停止