数字电子基础技术应用 22

串行通信简介13.5

UART——13.5

IIC——17.4.3

SPI——17.4.4西安交通大学电气工程学院宁改娣主要内容串行通信概念异步串行通信（SCI）13.5同步I2C模块或IIC(Inter-IntegratedCircuit)17.4.3同步SPI模块(SerialPeripheralInterface)17.4.42026/1/30并行和串行通信接口并行通信和串行通信D0～Dn计算机D0～Dn计算机或外设n+1联络线Dn～D0计算机ADn～D0计算机B或外设其中的发送器和接收器核心电路是移位寄存器串行通信的数据传送方式1.单工（Simplex）2.半双工(Half-duplex)3.全双工(Full-duplex)2026/1/30单工

广播、收音机半双工

对讲机全双工

电话串行通信：分为同步和异步数字系统都是在时钟节拍控制下工作，不同计算机或设备时钟节拍一般不同。简单讲：如果以各自的时钟串行通信，称异步；以同一时钟通信称同步。同步和异步串行通信MCU片内集成了越来越多的串口目前多数MCU内部的异步串口和SPI串口都是全双工的(SerialCommunicationInterface,SCI)异步串行通信SCI的两种数据格式通用异步接收/发送（UniversalAsynchronousReceiverTransmitter，缩写为UART）——空闲线模式地址位模式（用于多机通信）

数据的帧格式由SCI通信控制寄存器（SCICCR）来编程确定SCITXDSCITXD异步串行通信的帧格式、传输速率UART帧格式：包含4部分：起始位（1位0）、数据位（约3-9位不同）、奇偶校验位和停止位（1-2位）。2026/1/30波特率：4800、9600、19200、28800、33600、56Kbps等BitsPerSecond,BPS或bps通信双方的帧格式和波特率必须一致。异步串行通信的数据发送、接收及同步方式

教材13.5按约定的帧格式发送（假设发送0110011B共7位，无校验位，1位停止位）（FPGA设计收发器复杂，MCU片内直接集成有UART，在此只了解原理）2026/1/30DSP内部的异步串行通信SCI一是硬件：了解该外设有哪些引脚，理解硬件上如何连接引脚；所有引脚接口之间无非要考虑电平、驱动能力、速度三方面二是软件：初始化编程，使外设按期望的工作方式工作，工作编程。控制寄存器、状态寄存器和数据寄存器比如，SCI异步串行通信接口，发送、接受引脚？内部框架时钟：

收发引脚：中断DSP片内SCI模块框架F28335的片内SCI结构SCI采用全双工通信模式的通信连接图如图13.6所示，主要功能单元，具体如下。（1）1个发送器（TX）及相关寄存器。

SCITXBUF:发送数据缓冲寄存器，存放要发送的数据（由CPU装载）；

TXSHF寄存器：发送移位寄存器，从SCITXBUF寄存器接收数据，并将数据移位到SCITXD引脚上，每次移1位数据。（2）1个接收器（RX）及相关寄存器。

RXSHF寄存器：接收移位寄存器，从SCIRXD引脚移入数据，每次移1位；

SCIRXBUF:接收数据缓冲寄存器，存放CPU要读取的数据，来自远程处理器的数据装入寄存器RXSHF，然后又装入接收数据缓冲寄存器SCIRXBUF和接收仿真缓冲寄存器SCIRXEMU中。（3）一个可编程的波特率产生器。（4）数据存储器映射的控制和状态寄存器。AB通信双方的硬件连接SCI经常会与RS232接口连接。RS-232C最大的传输距离是30m，通信速率一般低于20Kbps。计算机上该接口越来越少RS-232逻辑电平：输出电压Uo：-5~-15V为逻辑“1” +5~+15V为逻辑“0”输入电压Ui：-3~-15V为逻辑“1”； +3~+15V为逻辑“0”RS-232C噪声容限高达2V，和TTL电平相比，具有更强的抗电磁干扰能力，适合在环境较为苛刻的工业生产设备中使用。而TTL电平:输出电压Uo：2.4~5V为逻辑“1”； 0~0.4V为逻辑“0”输入电压Ui：2~5V为逻辑“1”； 0~0.8V为逻辑“0”噪声容限为0.4V。RS232接口与DSP通信显然电平无法匹配！！！引脚号功能引脚号功能1接收线信号检测（载波检测DCD）6数据通信设备准备就绪（DSR）2接收数据线(RXD)7请求发送（RTS）3发送数据线(TXD)8清除发送4数据终端准备就绪(DTR)9振铃指示5信号地（SG）

TTL与RS-232标准电平转换电路USB?MAX232SCI应用举例PC机通过RS232远程控制任意占空比PWM波的发生或者传送测量信号的幅值及频率到上位机显示或F28335上位机程序上位机通信软件采用专用的串口调试助手

(网上有许多的类似程序可下载使用)SCI通信数据检测在实验中，用示波器详细观察SCI引脚,采用奇校验、8位数据位。83H、55HSTARTLSB234567MSBParitySTOPSTARTLSB234567MSBParitySTOPSCIRXDUSCI(universalserialcommunicationinterface)通用串行通信接口MSP430G2553中有1个USCI_A模块和1个USCI_B模块。USCI_A可配置为UART、LIN、IrDA、SPI

模式USCI_B可配置为SPI和I2C

模式。图5-2USCI_Ax的原理框图波特率控制时钟源选择发送移位寄存器，发送数据格式配置接收移位寄存器，接收数据格式配置接收部分的工作状态：中断使能；中断标志；模式、出错、休眠、空闲等。接收缓冲区发送缓冲区发送部分的工作状态：中断使能；中断标志；模式、空闲等。37用户要关心的硬件引脚一般就2个：RX和TX当然地线不能少硬件连接在Launchpad口袋实验平台上有型号为TUSB3410的串口-USB转换芯片，可以将MSP430的串口电平转换为电脑可以识别的USB电平信号。MSP430单片机为3.3V供电的单片机，其输入、输出特性如图：USB采用差分信号的方式传输0、1信息，协议较为复杂，有USB1.0、2.0、3.0、3.1等等。TUSB3410VF

RS232/IrDASerial-to-USBConverter查看原理图MSP-EXP430G2_Schematic+Silkscreen文件

2026/1/3032K-BitI2CSerialCMOSEEPROM2026/1/302026/1/30硬件连接LauchpadG2电路板上的UART串口与计算机通信跳线应该如下图那样“横着插”。硬件连接49若无接口电路也可以简单地自发自收2026/1/30人机交互演示在PC端使用串口调试助手发送字符‘0’，LED1灭，同时单片机返回“OK”；发送‘1’，LED1亮，同时单片机返回“OK”。如果是‘0’或‘1’以外字符，单片机向PC机发送"只有0和1才行哦，亲！"按下按钮，单片机向PC机发送“有人按了按键”57电气63_项张威_傅充_李先早_梁永回_MSP430与PC的UART通讯格式工厂video_20180529_235735.mp4基于Grace编程2026/1/30SerialPeripheralInterface，SPISPI顾名思义就是串行外围设备（ADC、DAC、LED显示驱动器、Flash、EEPROM、TF卡等）接口。SPI是同步全双工的串行通信总线,一般有4个信号：CLK：串行时钟（SerialClock），由主设备输出，也叫SCLK，或者说，提供CIK的是主设备MOSI或SIMO：主设备输出从设备输入

（MasterOutputSlaveInput）MISO或SOMI：主设备输入从设备输出

（MasterInputSlaveOutput）SS：从设备选通信号（SlaveSelect），主设备输出，低电平激活从设备——从机片选线2026/1/30SPI结构框架及连线SPI主从设备之间通信、结构框架及连线方式2026/1/30SPI时序的理解发送器和接收器核心是移位寄存器，UART、SCI等SPI一般共享移位寄存器若输出是发送端，输入是接收端，CP上沿就同时完成发送和接收但“串行输入”端在CP有效沿前数据必须在1D端准备好。A和B设备经SPI接口连在一起一般数据线上不会有数2026/1/30SPI时序的理解引脚上没有数据，所以SPI发送和接收必须分两步，先发送后接收！当然，详细电路结构不能是如下结构，可研究MSP430G2553中的SPI电路。2026/1/30SPI时序的理解（续）SPI通信本质是A和B设备的两个移位寄存器移位完成的，通信之前数据并不在移位寄存器的输入端上，所以：第一步先把TX数据（MSB）移出；第二步锁存接收。在SPICLK的哪一状态移出和锁存有四种工作方式。2026/1/30MSP430USARTSPITiming2026/1/300：低电平空闲1：高电平空闲0：CLK第一边沿不延迟1：CLK第一边沿延迟时钟模式CPOLCPHASPI传送操作说明上升沿无延时上升沿有延时下降沿无延时下降沿有延时00110101SPI在SPICLK信号的上升沿发送数据，下降沿锁存数据SPI在SPICLK信号的上升沿前的半个周期发送数据，上升沿锁存数据SPI在SPICLK信号的下降沿发送数据，上升沿锁存数据SPI在SPICLK信号的下降沿的前半个周期发送数据，下降沿锁存数据或记为CKPH

CKPL时钟极性（CLOCKPOLARITY，记为CPOL）时钟相位（CLOCKPHASE，记为CPHA）4种方式：SPI多种连接方式单主单从（从片选？）；单主多从；多主多从2026/1/30CKPH=0,CKPL=0CKPH=0,CKPL=1CKPH=1,CKPL=0CKPH=1,CKPL=1电气62蔡沐等SPI原理---四种波形测试数据时钟片选MSP430G2553SPI原理时钟选择分频移位寄存器数据输入数据输出时钟配置：主机为内部时钟从机为外部时钟时钟极性与相位位计数器锁存器配置为SPI模式使能端传输结束标志位移位寄存器USISR可直接访问，位计数器BC记录数据位数。数据位数为0时，标志位USIIFG为1，时钟停止计时。20MCU片内串口一般结构灵活，编程灵活，作为主设备，SPI接口的器件如ADC、TF等作为从设备。AD7303的时序图——SPI接口微控制器应配置为：CKPH=1,CKPL=0

时钟低电平时移出数据，上沿时锁存MSP430G2553控制AD7303顶层模块编写顶层函数时，不要管底层函数如何编写，处理好入口出口参数即可，且底层函数在USCI_SPI.c头文件中。顶层模块#include"MSP430G2553.h"#include“U_SPI.h"unsigned

chardata[2]={0};voidMy_Write_Data(unsigned

char*pBuffer);

voidmain()

{data[0]=16;WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD;//-----DCO设为12MHz----BCSCTL1=CALBC1_12MHZ;DCOCTL=CALDCO_12MHZ;//-----初始化硬件SPI-----USCI_A0_init();//-----循环写入指定的2个字节-----

inti;

{for(i=0;i++;){data[1]=((i*i)/255)%255;

//可通过自定义表达式来生成各种波形My_Write_Data(data);

if(i==255)i=1;}}

}

My_Write_Data(data);发送数据函数/************************************************************名称：My_Write_Data(unsignedchar*pBuffer)*功能：往AD7303中写2字节数*入口参数：字符串指针的地址*出口参数：无**********************************************************/

voidMy_Write_Data(unsigned

char*pBuffer)

{

unsigned

chartemp=0;SPI_CS_Low();

__delay_cycles(28*50);

do

{temp=SPI_SendFrame(pBuffer,2);

}

while(temp==0);

__delay_cycles(30*50);SPI_CS_High();

}实现时序的契合！CKPH=1,CKPL=0实验结果：生成波形data[1]=(i*i)/255;类似抛物线的波形#defineSPI_SIMOBIT2//1.2#defineSPI_SOMIBIT1//1.1#defineSPI_CLKBIT4//1.4#defineSPI_CSBIT4//P2.4VCCP1.2P1.4GNDP2.4时序调试Grace配置SPI模式Grace是一种图形化的编程方式，设置后可生成基础函数和初始化模块，可减少人工编程的错误。（View—CCSAPPCenter）电气62_蔡沐张敬业邓子琛SPI原理及与AD7303的通信视频.mp4电气64班陈钰宣童道心等-WinHex验证TF卡读写操作正确性.mp42026/1/30SPI应用——MCU读写SD卡一般都是用SPI模式大家对SD卡（SecureDigitalMemoryCard）都不陌生，在数码相机中大量使用SD卡来存储照片，在智能手机中则使用体积小巧TF卡（TransFLash）也叫MicroSD卡，SanDisku盘等（转USB接口）。MSP-EXP430G2扩展板上集成了一个TF（MicroSD）卡槽，可以实现单片机对TF（MicroSD）卡的读写。实验实现SPI与SD卡或者AD7303通信！2026/1/30串行总线接口适配器

/2026/1/30TMS320F28XXX与SD通信有实例spraao7-InterfacingSD-MMCCardsWithTMS320F28xxxDSCs2026/1/306.4.2I2C的“线与”结构1982年Philips实验室开发了I2C总线(Inter-IntegratedCircuit)。1995年速率修订为400Kbps，1998年高达3.4Mbps.仅有两条总线：

一条数据线，用SDA（SerialDataLine）表示

一条时钟线，用SCL（SerialClockLine）表示显然I2C无法实现全双工通信。2026/1/30IIC结构与SCI和SPI的移位寄存器工作模式完全不同！IIC总线内部结构类似OC、OD门，所以要接上拉电阻，可线与。拉低总线传0否则传16.4.2I2C的“线与”结构

所有I2C设备都挂载在总线上，各设备的地位对等，都可作为主机或从机。各器件的SDA及SCL都是线“与”逻辑。每个I2C设备都可以把总线拉低（线与0起作用）占用总线。2026/1/30I2C协议的帧格式27I2C的帧格式信号包括：起始位S（Start）；地址（有7位和10位两种，下图为7位地址帧格式）；数据的传送方向位

（=0，表示主机发送数据，=1表示主机接收收据）；应答位ACK，从机拉低数据线SDA表示正确接收，不应答表示接收错误。）；（8位数据+ACK）*n；停止位P。I2C地址规范I2C总线的地址位分为7位和10位两种。10位极限，7位足够用。7位地址：第一帧：7位地址+1位读写+1位应答

后续帧：8位数据+1位应答10位地址：第一帧：11110+地址前两位+1位读写+1位应答

第二帧：8位剩余地址+1位应答后续帧：8位数据+1位应答I2C地址规范（7位和10位）31I2C协议的帧格式27I2C的7位地址完整帧格式时序：I2C

协议

空闲时，数据线SDA和时钟线SCL均为高电平“S、P”，数据线下降沿代表起始位START，数据线上升沿代表停止位STOP通讯时，SCL低电平主机改变数据，SCL上沿从机读取数据一帧结束，主机拉低时钟线，释放数据线，从机需拉低一次数据线作为应答第一帧为地址，后续帧为数据，直至停止位出现28时钟低电平时允许改变数据，高电平时读取数据，这意味着数据的传输时刻在时钟线上升沿。线与逻辑的优点：主机传输数据必须得到从机“许可”，如果从机不同意接收信息，则从机一直拉低时钟电位（霸占时钟线），使主机无法产生上升沿。为什么数据线仅允许在时钟低电平时才允许改变？I2C数据允许改变时刻29I2C原理RepeatedStart模式假如A机正在向B机发送信息，A机突然要中断通讯与C机通信，怎么办？正常传输时，时钟高电平不允许改变数据线，如果此时A机拉低数据线相当于重新释放START信号，直接进入第二轮主从通信，该过程称为RepeatedStart。A机拉低数据线A向B传信息A向C传信息30I2C总线仲裁过程I2C的多主机仲裁：两个以上主机同时想同时控制主线时，竞争主线的过程称为多主机仲裁基本规则：谁打算与地址小的从机通信，谁占总线器件1和器件2的时钟不同步，两者“线与”之后，才是总线时钟32I2C总线仲裁原理I2C总线上可能在某一时刻有两个主控设备要同时向总线发送数据，这种情况叫做总线竞争。I2C总线具有多主控能力。每个设备发送一个数据位时都要对自己的输出电平进行检测，只要检测的电平与自己发出的电平一致，他们就会继续占用总线。如果电平不一致，设备放弃对总线的控制权。