本文主要是介绍【硬件操作入门】3--同步与异步、半双工传输、UART硬件介绍、bps速率计算,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!
【硬件操作入门】3–同步与异步、半双工传输、UART硬件介绍、bps速率计算
文章目录
- 【硬件操作入门】3--同步与异步、半双工传输、UART硬件介绍、bps速率计算
- 一、同步与异步
- 1.1. 概念
- 1.2 同步信号
- 1.3 异步信号
- 1.4 举个例子:红外遥控器解码器(异步)
- 1.5. 同步与异步的差别
- 2、使用一线传输双向数据(半双工)
- 2.1. 面临的问题
- 2.2. 解决方法
- 2.3. 双向传输示例
- 3、UART硬件介绍
- 3.1. 串口的硬件介绍
- 3.2. 串口的参数
- 3.3 怎么发送一字节数据,比如‘A‘?
- 3.4 逻辑电平
- 3.5. 串口电平
- 3.6. 串口内部结构
- 4、Bps速率计算
参考自:韦东山(100ask)
一、同步与异步
1.1. 概念
同步(synchronous) | 异步(asynchronous) | |
---|---|---|
栗子 | 朋友打电话说到我家吃饭,我在家里等他们 | 朋友没有提前打招呼,突然就到我家来了 |
信号线 | 时钟信号、数据信号 | 数据信号 |
读取信号方式 | 通过时钟信号的上升沿/下降沿来读取数据信号 | 通过模块的数据格式判断起始位、数据位(0/1)、结束位 |
1.2 同步信号
在电子产品中,使用同步信号进行传输时,一般涉及两个信号:
-
时钟信号(CLK):用来通知对方要读取数据了
- 可以在时钟的下降沿、或者上升沿来读取数据线信号 (打电话,起约定作用);
- 可以通过调节波特率(bps)来控制读取数据线信号的速率;
-
数据信号(DATA):用来传输数据:
1.3 异步信号
使用异步信号传输数据时,A、B 双方遵守相同的约定(数据格式):
- 起始信号:发送方可以通知接收方"注意了,我要开始传输数据了"
- 数据信号:如何表示0/1? 在约好的时间段内判断电平状态
- 结束信号:发送方可以通知接收方"注意了,我要传输的数据 传完了"
1.4 举个例子:红外遥控器解码器(异步)
A发送 ==> B接收,B会检测到信号到达的数据格式,来判断该信号是 起始信号、数据信号还是结束信号。每个模块的数据格式各有不同,可在手册上查找。
红外遥控器解码器 向单片机发出的数据格式如下:
-
起始信号:解码器发出一个9ms的低电平、4.5ms的高电平,用来同时对方说"开始了"
-
数据信号
- 逻辑1:0.56ms的低电平+1.69ms的高电平
- 逻辑0:0.56ms的低电平+0.56ms的高电平
-
接收方、发送方都遵守这样的约定,就可以使用一条线传输数据
1.5. 同步与异步的差别
同步传输 | 异步传输 | |
---|---|---|
信号线 | 多:时钟信号、数据信号 | 少:只需要数据信号 |
速率 | 可变,提高时钟信号频率即可(bps) | 双方提前约定 |
抗干扰能力 | 强 | 弱(不一定) |
2、使用一线传输双向数据(半双工)
2.1. 面临的问题
两个设备之间,只使用一条数据线,能否传输双向的数据?
- A发出高电平,B发出低电平
- 电路可能被损坏
- 电路上到底是高电平还是低电平?不能确定
- 问题在于:有两个设备试图同时驱动电路
2.2. 解决方法
限制-同时驱动 | 允许-同时驱动 |
---|---|
双方无法约定时间,此方法不可行 | 电路如下 |
- DATA:集电极、OPEN电路、也叫开极电路(open collector)
沿箭头方向 电势 U发送-U地 > 截至电压,三极管导通,电子由地==>A,聚集后扩散到集电极。
真值表如下:
A | B | DATA |
---|---|---|
0 | 0 | 1(由上拉电阻决定) |
0 | 1 | 0 |
1 | 0 | 0 |
1 | 1 | 0 |
从真值表和电路图我们可以知道:
-
A或B任意一个或均为高电平时,便可使对应三极管导通,DATA <== 0
-
想让DATA输出高电平,双方都不驱动三极管 (SDA通过上拉电阻变为高电平)
-
想让DATA输出低电平,就驱动三极管
这种电路实现了:
- 双方设备即使同时想输出不同的电平:
- 电路也不会被损坏
- 电平也是确定的;
2.3. 双向传输示例
-
初始状态:一开始,双方都不驱动三极管,DATA为高
-
起始信号和回应:A想传输数据给B,发出开始信号、得到回应信号
- A检测DATA线,高表示对方没有占用数据线
- A驱动三极管,使得DATA为低,用来通知B:”我就要传输数据了“
- A释放三极管,DATA变为高
- B驱动三极管,使得DATA为低,用来通知A:好的,我准备好了(这是一个回应信号)
- B释放三极管,DATA变为高
-
传输:A发送数据给B,比如传输2位数据0、1
- 双方都使用同一套数据表示方法,比如:数值由DATA电平决定(持续60us 有效)
- 在第1个60us,A设置DATA为低;在同一时间,B读取DATA电平得到数据0
- 在第2个60us,A设置DATA为高;在同一时间,B读取DATA电平得到数据1
-
结束:A释放三极管,DATA变为高电平
-
这时候,B也可以使用一样的方法给A传输数据
3、UART硬件介绍
3.1. 串口的硬件介绍
UART的全称是Universal Asynchronous Receiver and Transmitter,即 通用的异步发送和接收。
串口在嵌入式中用途非常的广泛,主要的用途有:
- 打印调试信息;
- 外接各种模块:GPS、蓝牙;
串口因为结构简单、稳定可靠,广受欢迎。通过三根线即可,发送、接收、地线。
- 通过TxD->RxD把ARM开发板要发送的信息发送给PC机。
- 通过RxD->TxD线把PC机要发送的信息发送给ARM开发板。
- 最下面的地线统一参考地。
3.2. 串口的参数
- **波特率:**一般选波特率都会有9600,19200,115200等选项。其实意思就是每秒传输这么多个比特位数(bit)。
- 起始位: 先发出一个逻辑”0”的信号,表示传输数据的开始。
- **数据位:**可以是5~8位逻辑”0”或”1”。如ASCII码(7位),扩展BCD码(8位)。小端传输。
- **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。(可靠性)
- **停止位:**它是一个字符数据的结束标志。
3.3 怎么发送一字节数据,比如‘A‘?
‘A’的ASCII值是0x41,二进制就是01000001,怎样把这8位数据发送给PC机呢?
-
双方约定好波特率(每一位占据的时间);
-
规定传输协议
- 原来是高电平,ARM拉低电平,保持1bit时间;
- PC在低电平开始处计时;
- ARM根据数据依次驱动TxD的电平,同时PC依次读取RxD引脚电平,获得数据;
- PC在数据位的中间读取引脚状态;
3.4 逻辑电平
-
代表信号1的引脚电平是人为规定的。
-
如图是TTL/CMOS逻辑电平下,传输‘A’时的波形:
-
在xV至5V之间,就认为是逻辑1,在0V至yV之间就为逻辑0。
-
如图是RS-232逻辑电平下,传输‘A’时的波形:
-
在-12V至-3V之间,就认为是逻辑1,在+3V至+12V之间就为逻辑0。
-
RS-232的电平比TTL/CMOS高,能传输更远的距离,在工业上用得比较多。
市面上大多数ARM芯片都不止一个串口,一般使用串口0来调试,其它串口来外接模块。
3.5. 串口电平
-
ARM芯片上得串口都是TTL电平的,通过板子上或者外接的电平转换芯片,转成RS232接口,连接到电脑的RS232串口上,实现两者的数据传输。
-
如图
-
现在的电脑越来越少有RS232串口的接口,当USB是几乎都有的。因此使用USB串口芯片将ARM芯片上的TTL电平转换成USB串口协议,即可通过USB与电脑数据传输。
上面的两种方式,对ARM芯片的编程操作都是一样的。
-
对于arm开发板,串口0一般用来调试打印,其他串口可以外接各种模块
3.6. 串口内部结构
ARM芯片是如何发送/接收数据?
如图所示串口结构图:
- UART串口线上,是逐位发送,串行通信,肯定有一个移位器(Transmit Shifter);
- 移位器的数据,从发送缓冲寄存器(FIFO)中来;FIFO里的数据,从内存里面来;
- arm ==> PC(发送)
- 程序将数据从arm 内存中写入到FIFO,然后UART单元再从FIFO里面把数据放到移位器里面,逐位的发送出去(==> PC),在发送完成后产生中断提醒CPU传输完成。
- PC ==> arm(接收)
- 获取接收引脚的电平,逐位放进接收移位器,放入FIFO,程序把数据从FIFO中 写入arm内存;完成后产生中断提醒CPU传输完成;
4、Bps速率计算
-
若Band rate:115200
-
115200,8n1(Data、校验位、停止)
-
每一位的时间:1/115200 s
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传输一Byte:需要10位(Start、Data、Stop) t = 10/115200 s
-
一秒能传输11520Byte
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