單片機(jī)常用接口通信技術(shù)

任毅

摘要 在單片機(jī)通信技術(shù)應(yīng)用中，紅外線通信技術(shù)、?I²C總線通信技術(shù)、串口通信技術(shù)都是單片機(jī)常用的通信技術(shù)。單片機(jī)在工作中不僅是程序?qū)斎?、輸出端口的控制，還要將數(shù)據(jù)和相關(guān)設(shè)備進(jìn)行通信。筆者從單片機(jī)常用的幾種通信技術(shù)做了介紹和分析，幾種通信方式各具特點(diǎn)，選擇一種更符合工作場(chǎng)景需求的通信方式才是最佳的通信方式。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī)通信技術(shù) 紅外線通信 I²C總線通信 串口通信

隨著生產(chǎn)技術(shù)水平的不斷提高，電子產(chǎn)品朝著微型化、智能化的方向迅速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人、智能家居、互聯(lián)網(wǎng)+等技術(shù)改變了人們的工作和生活方式，單片機(jī)迎來(lái)了高速的發(fā)展。在智能化的通信時(shí)代，單片機(jī)更要密切的和周邊設(shè)備進(jìn)行有效的通信，紅外線通信方式、總線通信方式、串口通訊方式都是單片機(jī)通信技術(shù)的常用方式。

1 紅外通信技術(shù)

紅外線通信技術(shù)是利用了紅外線的發(fā)射、接收技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離、無(wú)線控制，它有著設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。

紅外線是一種電磁波，波長(zhǎng)在750 nm到1 mm之間。紅外遙控器由鍵盤(pán)、振蕩器、單片機(jī)和紅外遙控器使用紅外發(fā)光二極管（IRLED）產(chǎn)生紅外線，紅外發(fā)光二極管組成。鍵盤(pán)用于輸入指令，振蕩器產(chǎn)生可靠的頻率穩(wěn)定的信號(hào)，單片機(jī)檢測(cè)鍵盤(pán)上按鍵的狀態(tài)，并對(duì)紅外信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，由發(fā)光二極管發(fā)出紅外線。

紅外接收器將接收到的紅外線轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后交給單片機(jī)進(jìn)行解碼，從而接收到紅外線遙控器發(fā)送的數(shù)據(jù)或指令，達(dá)到用紅外遙控器控制單片機(jī)工作的目的。紅外線電磁波不能被遮擋，也不能穿透房間，然而墻壁和天花板會(huì)反射紅外線，由于電子產(chǎn)品中紅外線的編碼一般會(huì)不同，不會(huì)對(duì)同房間相鄰設(shè)備造成干擾。紅外線接收頭可按入單片機(jī)普通I/O端口上，利用程序進(jìn)行端口掃描通信，成本低、電路簡(jiǎn)單、具有性價(jià)比高的特點(diǎn)，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于家用電子產(chǎn)品中。

2 1²C總線通信技術(shù)

1²C總線是由飛利浦公司開(kāi)發(fā)的一種簡(jiǎn)單、雙向二線制同步串行總線。它只需要兩根線即可在連接于總線上的器件之間傳送信息。主器件用于啟動(dòng)總線傳送數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生時(shí)鐘以開(kāi)放傳送的器件，此時(shí)任何被尋址的器件均被認(rèn)為是從器件在總線上主和從、發(fā)和收的關(guān)系不是恒定的，而取決于此時(shí)數(shù)據(jù)傳送方向。如果主機(jī)要發(fā)送數(shù)據(jù)給從器件，則主機(jī)首先尋址從器件，然后主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)至從器件，最后由主機(jī)終止數(shù)據(jù)傳送;如果主機(jī)要接收從器件的數(shù)據(jù)，首先由主器件尋址從器件，然后主機(jī)接收從器件發(fā)送的數(shù)據(jù)，最后由主機(jī)終止接收過(guò)程。在這種情況下主機(jī)負(fù)責(zé)產(chǎn)生定時(shí)時(shí)鐘和終止數(shù)據(jù)傳送。

I²C總線中只需要一根數(shù)據(jù)線和一根時(shí)鐘線，總線接口已經(jīng)集成在芯片內(nèi)部，不需要特殊的接口電路，SCL（串行時(shí)鐘線）和SDA（串行數(shù)據(jù)線）都是雙向I/O線，接口電路為開(kāi)漏輸出，需通過(guò)上拉電阻接電源VCC。I²C總線簡(jiǎn)化了硬件電路PCB布線，降低了系統(tǒng)成本，提高了系統(tǒng)可靠性。在單片機(jī)中用兩只I/O端口分別作為時(shí)鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部程序去控制兩端口對(duì)I²C總線上的設(shè)備進(jìn)行啟動(dòng)、器件尋址、數(shù)據(jù)傳輸、應(yīng)答、停止等時(shí)序控制，從而對(duì)I²C總線上的器件進(jìn)行通信。單片機(jī)應(yīng)用電路中，24008系列存儲(chǔ)器中就是利用I²C總線控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。

I²C總線是一個(gè)真正的多主機(jī)總線，如果兩個(gè)或多個(gè)主機(jī)同時(shí)初始化數(shù)據(jù)傳輸，可以通過(guò)沖突檢測(cè)和仲裁防止數(shù)據(jù)破壞，每個(gè)連接到總線上的器件都有唯一的地址，任何器件既可以作為主機(jī)也可以作為從機(jī)，但同一時(shí)刻只允許有一個(gè)主機(jī)。數(shù)據(jù)傳輸和地址設(shè)定由軟件設(shè)定，非常靈活?？偩€上的器件增加和刪除不影響其他器件正常工作。

3 串口通信技術(shù)

串行通信是指設(shè)備通信時(shí)按位（bit）發(fā)送和接收二進(jìn)制數(shù)據(jù)的通信方式。單片機(jī)用串口RXD、RXD端口、地線和其它設(shè)備串口進(jìn)行通信，由于串口通信是異步的，端口能夠在一根線上發(fā)送數(shù)據(jù)同時(shí)在另一根線上接收數(shù)據(jù)。串行通信方式使用的數(shù)據(jù)線少，在通信中可以節(jié)約通信成本，但其傳輸速度比并行傳輸?shù)?。串口通信最重要的參?shù)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)等。對(duì)于兩個(gè)進(jìn)行通信的端口，這些參數(shù)必須匹配，單片機(jī)和其它通信設(shè)備才能準(zhǔn)確的進(jìn)行通信。目前常用的串口通信方式有RS-232C、RS-485等。

3.1 上位機(jī)PC和單片機(jī)的通信

上位機(jī)是可以直接發(fā)出控制命令的計(jì)算機(jī)。下位機(jī)是直接控制設(shè)備獲取設(shè)備狀況的控制器，如單片機(jī)。上位機(jī)發(fā)出命令給下位機(jī)，下位機(jī)得到指令后控制對(duì)應(yīng)設(shè)備工作，同時(shí)將傳感器等采集到的數(shù)據(jù)反饋給上位機(jī)，上位機(jī)以實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)量的實(shí)時(shí)監(jiān)控，如屏幕上顯示各種信號(hào)變化（液壓，水位，溫度、工作狀態(tài)等）信息。由于上位機(jī)PC串口的電平與單片機(jī)串口的邏輯電平不同，兩者之間不能直接連接，需使用RS-232C接口芯片MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。MAX232不僅解決了電平匹配的問(wèn)題，還可以增大通信距離。但如果要使用更高的通信速率和更遠(yuǎn)的距離，可以使用RS-485接口和MAX485驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果電腦上沒(méi)有串口接口，可使用USB轉(zhuǎn)串口連接線，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和單片機(jī)串口的通訊。上位機(jī)可以通過(guò)VB、C#等編程語(yǔ)言編寫(xiě)上位機(jī)程序，上位機(jī)以良好的操作介面方便操作。下位機(jī)可以用C語(yǔ)言編程，將單片機(jī)連接的各種傳感器采集到的數(shù)據(jù)，傳遞給上位機(jī)，上位機(jī)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控到傳感器采集到的數(shù)據(jù)和控制終端設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。上位機(jī)PC和單片機(jī)的通信，上位機(jī)圖形介面操作簡(jiǎn)單直觀，但不便于移動(dòng)，常使用于設(shè)備相對(duì)固定的場(chǎng)合。

3.2 藍(lán)牙設(shè)備和單片機(jī)的通信

藍(lán)牙通信技術(shù)是一種支持設(shè)備短距離通信（一般是10m之內(nèi)）的低功耗、低成本無(wú)線電技術(shù)。能在包括移動(dòng)電話、PDA、無(wú)線耳機(jī)、筆記本電腦、相關(guān)外設(shè)等眾多設(shè)備之間進(jìn)行無(wú)線信息交換。它利用短程無(wú)線鏈路取代專用電纜，不但免去相互之間連接的麻煩，而且便于人們?cè)谑覂?nèi)或戶外流動(dòng)操作。具有廣泛的應(yīng)用前景，正受到全球各界的廣泛關(guān)注。藍(lán)牙技術(shù)己從萌芽期進(jìn)入了壯大發(fā)展期，在無(wú)線通信、消費(fèi)類電子和汽車電子以及工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。類電子和汽車電子以及工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。藍(lán)牙接收集成電路由和射頻（RF）、基帶（BB）和鏈路管理（LM）構(gòu)成。在單片機(jī)終端采用藍(lán)牙接收集成模塊常有四個(gè)接線端，兩個(gè)端口接電源，通信端口中RXD與單片機(jī)TXD相連，通信端口中TXD與單片機(jī)RXD相連，即讀寫(xiě)端應(yīng)交叉連接。在單片機(jī)端還應(yīng)編寫(xiě)程序控制藍(lán)牙集成電路，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和藍(lán)牙集成電路的通信。由于藍(lán)牙可以無(wú)線通信，故常應(yīng)用于移動(dòng)終端的控制，如智能家居中手機(jī)終端的APP軟件通過(guò)藍(lán)牙功能，可以連接到藍(lán)牙集成電路中，藍(lán)牙集成電路的串口可以將信息傳送到單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)了手機(jī)終端可以直接對(duì)單片機(jī)及控制電路進(jìn)行有效的控制，實(shí)現(xiàn)了手機(jī)藍(lán)牙和單片機(jī)的串口間的通信，常用于智能家居的控制。

在自動(dòng)化、智能化快速發(fā)展的今天，單片機(jī)朝著更高、更快的方向發(fā)展，新型傳感器的出現(xiàn)，新技術(shù)的變革都促進(jìn)了單片機(jī)通信技術(shù)的飛躍。在單片機(jī)應(yīng)用方案的設(shè)計(jì)中，穩(wěn)壓性、傳輸速率、性價(jià)比等都是需要重點(diǎn)考慮的因素，只用這樣才能設(shè)計(jì)出較好的項(xiàng)目方案。