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1、第十六章 串行通信与汽车总线网络基础随着用户对车辆的安全性、舒适性、动力性、经济性以及环保性能的要求越来越高,越来越多的设备和系统都采用了电子控制技术,不仅传感器、执行器件的数量在急剧增加,而且汽车控制器(ECU)的数量也在不断上升,从开始的几个发展到几十个以至于上百个控制单元。控制单元数量的增加,使得它们之间的信息交换也越来越密集。各控制单元之间的数据信息传递,都是采用串行通信方式,从而形成数据通信网络。如今越来越多的汽车使用总线型通信网络控制技术。第一节 串行通信的基本概念一、实现串行通信的方法在微控制器之间或微控制器与其他外部设备之间进行信息传输,
2、可以通过两种方式进行:一种是并行传输方式;另一种是串行传输方式。前面已经提到,并行传输就是由若干条通信线同时传送一个数据信息,其中每条通信线只传送一个二进制位(bit),而串行传输则是在同一条通信线上依次传送一个数据信息的每一个二进制位。图16-1两种信息传输方式a)并行传输方式b)串行传输方式串行通信要传送信息的有效部分一般都是数字或字符等内容。在传输线上,它们都变成二进制位0和1的组合,即高低电平的变化。尽管可以把数字或字符都编制成对应的代码(例如常用的ASCII码),但是如果发送端只发送这些代码对应的0和1信号还是远远不够的。如图16-2a所示,在
3、通信过程中,通信线上的信号波形只是一些高低电平的变化信号。这就带来一系列问题:第一,如何用高、低电压信号代表0和1;第二,假设以高电平代表1、低电平代表0,若出现一段时间的低电平,如何判断它代表一个0还是连续的几个0;第三,在接收端如何知道发送端的数据是何时开始发送、何时结束的。可见,要想通信成功,预先制定严格而详细的通信协议或标准是一件极为重要的事情。这些标准或协议,至少包括:信号电平的电压、信息传输的速率、传送字符的格式以及发送和接收的起始和结束约定等。确定了通信标准或协议后,就可以将信号线上的高、低电平识别为确定的数据信息,如图16-2b所示。图1
4、6-2串行通信信号波形与数据a)通信线上的信号波形b)确定通信协议后的数据二、串行数据按传送方向的分类根据数据在通信线路上的传送方向的复杂程度,串行通信可分为三种方式:单工方式、半双工方式和全双工方式。图16-3串行通信的传输方式a)单工方式b)半双工方式c)全双工方式1.单工方式单工(Simpex)方式是最简单的传送方式,在这种方式下,需要通信的两个设备中一方固定为发送方,另一方固定为接收方,只允许数据信息由发送方向接收方传送,因此只需要一条数据传输线,如图16-3a所示。2.半双工方式在半双工(HalfDuplex)方式下,数据的传输可以是双向的,但
5、任何时刻只能由一方发送数据,另一方接收数据,如图16-3b所示。此时通信双方都要有发送和接收信息的能力,双方之间也可以仅用一条数据线,但数据线上的信息流动则是双向的。3.全双工方式全双工(FullDuplex)是最完善的通信方式,通信双方都要有发送和接收信息的能力,这种方式允许通信双方同时传送数据信息,因此需要两条数据传输线,如图16-3c所示。三、串行通信的两种字符格式在串行通信中不仅需要传送有效的字符代码,还需要传送一些如起始/停止以及校验等控制信息,因此需要规定通信字符的格式。串行通信根据双方工作是否同步,可以分为异步通信和同步通信两种方式。这两种
6、方式使用的字符格式有所不同,下面分别进行介绍。1.异步通信(AsynchronousCommunication)的字符格式异步通信是单片机最常用的一种方式。在异步通信中,要传输的字符或数据除了必须包含字符数据本身的各位(bit)外,还应包括开始和结束等控制信息。这些信息的组合称为一“帧”(Frame),每一帧的数据格式如图16-4所示。图16-4异步通信的字符格式2.同步通信(SynchronousCommunication)的字符格式在同步通信方式中,要传送的字符与字符之间没有间隙,也不用起始位和停止位,只是在传送数据开始时用1~2个同步字符SYN(对
7、应的ASCII码是16H,见附录D)来指示同步通信开始,接着就连续发送整个数据块的全部字符,数据块发送结束时再发送1~2个检验字符(CRC)。同步通信的字符格式如图16-5所示。为保证接收正确无误,发送方除了发送数据外,还要将时钟信号发送给对方。同步通信速度快、效率高,但硬件电路比较复杂。图16-5同步通信的字符格式四、串行通信的波特率(BaudRate)波特率即数据传送的速率,它表示每秒钟传送二进制位(bit)的个数,单位是bit/s(位/秒),即1波特=1bit/s例如,若使用波特率为1200bit/s,异步通信字符格式为8个数据位、1个起始位和1个
8、停止位,即10位/帧,那么每秒钟能够传送的字符数是1200(bit/s)÷10(
