Einführung

Die serielle Kommunikation ist der am weitesten verbreitete Ansatz zur Übertragung von Informationen zwischen Datenverarbeitungsgeräten und Peripheriegeräten. Im Allgemeinen bedeutet Kommunikation den Austausch von Informationen zwischen Einzelpersonen durch schriftliche Dokumente, mündliche Worte, Audio- und Videounterricht.

Jedes Gerät, sei es Ihr PC oder Ihr Mobiltelefon, läuft mit seriellem Protokoll. Das Protokoll ist die sichere und zuverlässige Form der Kommunikation mit einer Reihe von Regeln, die vom Quell-Host (Sender) und Ziel-Host (Empfänger) angesprochen werden. Um einen besseren Einblick zu erhalten, habe ich das Konzept der seriellen Kommunikation erklärt.

Im eingebetteten System ist die serielle Kommunikation die Art des Datenaustauschs unter Verwendung verschiedener Methoden in Form von serieller digitaler Binärdatei. Einige der bekannten Schnittstellen, die für den Datenaustausch verwendet werden, sind RS-232, RS-485, I2C, SPI usw.

Was ist serielle Kommunikation?

Bei der seriellen Kommunikation liegen Daten in Form von binären Impulsen vor. Mit anderen Worten, wir können sagen, dass Eins ein logisch HOHES oder 5 Volt darstellt und Null ein logisch NIEDRIGES oder 0 Volt darstellt. Die serielle Kommunikation kann je nach Art des Übertragungsmodus und der Datenübertragung viele Formen annehmen. Die Übertragungsmodi werden als Simplex, Halbduplex und Vollduplex klassifiziert. Für jeden Übertragungsmodus gibt es eine Quelle (auch Sender genannt) und ein Ziel (auch Empfänger genannt).

Das Simplex-Verfahren ist eine Einwegkommunikationstechnik. Nur ein Client (entweder der Sender oder der Empfänger ist gleichzeitig aktiv). Wenn ein Sender sendet, kann der Empfänger nur akzeptieren. Radio- und Fernsehübertragung sind die Beispiele des Simplexmodus.

Im Halbduplexmodus sind sowohl Sender als auch Empfänger aktiv, jedoch nicht gleichzeitig, d. h. wenn ein Sender sendet, kann der Empfänger akzeptieren, aber nicht senden und umgekehrt. Ein gutes Beispiel ist das Internet. Wenn ein Client (Laptop) eine Anforderung für eine Webseite sendet, verarbeitet der Webserver die Anwendung und sendet die Informationen zurück.

Die Volle Duplex modus ist weit verbreitet kommunikation in der welt. Hier können Sender und Empfänger gleichzeitig senden und empfangen. Ein Beispiel ist Ihr Smartphone.

Über die Übertragungsmodi hinaus müssen wir die Endianität und das Protokolldesign des Host-Computers (Sender oder Empfänger) berücksichtigen. Endianness ist die Art und Weise, wie die Daten an einer bestimmten Speicheradresse gespeichert werden. Je nach Datenausrichtung wird Endian als

• Little Endian und
• Big Endian klassifiziert.

Nehmen Sie dieses Beispiel, um das Konzept der endianness zu verstehen. Angenommen, wir haben eine 32-Bit-Hexadezimaldaten ABCD87E2. Wie werden diese Daten im Speicher gespeichert? Um eine klare Vorstellung zu haben, habe ich den Unterschied zwischen Little Endian und Big Endian erklärt.

Die Datenübertragung kann auf zwei Arten erfolgen. Sie sind serielle Kommunikation und parallele Kommunikation. Serielle Kommunikation ist eine Technik, die verwendet wird, um Daten Bit für Bit unter Verwendung eines zweidrähtigen d. H. Senders (Senders) und Empfängers zu senden.

Zum Beispiel möchte ich eine 8-Bit-Binärdaten 11001110 vom Sender zum Empfänger senden. Aber welches Bit geht zuerst aus? Höchstwertiges Bit – MSB (7. Bit) oder niedrigstwertiges Bit- LSB (0. Bit). Das können wir nicht sagen. Hier überlege ich, ob sich LSB zuerst bewegt (für Little Endian).

Aus dem obigen Diagramm für jeden Takt; der Sender sendet ein einzelnes Datenbit an den Empfänger.

Die parallele Kommunikation verschiebt jeweils 8,16 oder 32 Datenbits. Drucker und Xerox-Maschinen verwenden parallele Kommunikation für eine schnellere Datenübertragung.

Unterschied zwischen Serielle und Parallele kommunikation

Serielle kommunikation sendet nur ein bit zu einer zeit. diese erfordern also weniger E / A-Leitungen (Eingabe-Ausgabe). Daher, besetzen weniger raum und mehr beständig zu kreuz-sprechen. Der Hauptvorteil der seriellen Kommunikation besteht darin, dass die Kosten für das gesamte eingebettete System günstig werden und die Informationen über eine große Entfernung übertragen werden. Die serielle Übertragung wird in DCE-Geräten (Data Communication Equipment) wie einem Modem verwendet.

Bei der parallelen Kommunikation wird jeweils ein Datenblock (8,16 oder 32 Bit) gesendet. Daher erfordert jedes Datenbit eine separate physikalische E / A-Leitung. Der Vorteil der parallelen Kommunikation ist, dass sie schnell ist, aber der Nachteil besteht darin, dass mehr E / A-Leitungen (Eingabe-Ausgabe) verwendet werden. Die parallele Übertragung wird im PC (Personal Computer) zur Verbindung von CPU (Central Processing Unit), RAM (Random Access Memory), Modems, Audio-, Video- und Netzwerkhardware verwendet.

Hinweis: Wenn ihre Integrierte Schaltung oder prozessor unterstützt weniger menge von Eingang/Ausgang pins es ist besser zu opt serielle kommunikation

Für einfach verständnis, hier ist die vergleich von serielle und parallele kommunikation.

Serielle Kommunikation	Parallele Kommunikation
Sendet Daten Bit für Bit mit einem Takt	Überträgt jeweils einen Datenblock
Benötigt einen Draht zum Übertragen der Daten	Erfordert ’n‘ Anzahl der Leitungen zum Übertragen von ’n‘ Bits
Kommunikationsgeschwindigkeit ist langsam	Kommunikationsgeschwindigkeit ist schnell
Installationskosten sind niedrig	Installationskosten sind hoch
Bevorzugte für fern kommunikation	Verwendet für kurze abstand kommunikation
Beispiel: Computer zu Computer	Computer zu multi funktion drucker

Uhr Synchronisation

Für effiziente arbeits von seriellen geräten, die uhr ist die primäre quelle. Eine Fehlfunktion der Uhr kann zu unerwarteten Ergebnissen führen. Das Taktsignal ist für jedes serielle Gerät unterschiedlich und wird als synchrones Protokoll und asynchrones Protokoll kategorisiert.

Synchrone serielle Schnittstelle

Alle Geräte an der synchronen seriellen Schnittstelle verwenden den einzelnen CPU-Bus, um sowohl Takt als auch Daten gemeinsam zu nutzen. Aufgrund dieser Tatsache ist die Datenübertragung schneller. Der Vorteil ist, dass es keine Fehlanpassung der Baudrate gibt. Darüber hinaus sind weniger E / A-Leitungen (Input-Output-Leitungen) zur Schnittstelle von Komponenten erforderlich. Beispiele sind I2C, SPI etc.

Asynchrone serielle Schnittstelle

Die asynchrone Schnittstelle hat kein externes Taktsignal und beruht auf vier Parametern, nämlich

1. Baudratensteuerung
2. Datenflusssteuerung
3. Sende- und Empfangssteuerung
4. Fehlerkontrolle.

Asynchrone Protokolle eignen sich für eine stabile Kommunikation. Diese werden für Langstreckenanwendungen verwendet. Beispiele für asynchrone Protokolle sind RS-232, RS-422 und RS-485.

Wie funktioniert die serielle Kommunikation?

Fortschrittliche CPUs wie Mikrocontroller und Mikroprozessor nutzen die serielle Kommunikation, um sowohl mit der Außenwelt als auch mit den Peripheriegeräten auf dem Chip zu kommunizieren. Um uns vertraut zu machen, nehmen wir ein einfaches Beispiel. Angenommen, Sie möchten eine in Ihrem Laptop vorhandene Datei an das Smartphone senden. Wie würden Sie senden? Wahrscheinlich mit Bluetooth oder WiFi-Protokoll, richtig.

Hier sind also die Schritte zum Herstellen der seriellen Kommunikation

1. Fügen Sie die Verbindung hinzu.

Im ersten Schritt sucht Ihr Laptop nach Geräten in der Nähe von 100m und listet die gefundenen Geräte auf. Dieser Vorgang wird oft als Roaming bezeichnet.

1. Wählen Sie das Gerät aus, mit dem Sie kommunizieren möchten.

Um eine Verbindung zu Ihrem Mobiltelefon herzustellen, muss das Pairing durchgeführt werden. Die Standardkonfiguration ist bereits in der Software vorhanden. Sie müssen die Baudrate also nicht manuell konfigurieren. Darüber hinaus gibt es vier unbekannte Regeln. Sie sind Baudrate, Datenbitauswahl (Framing), Start-Stopp-Bit und Parität.

# 1 Was ist Baudrate?

Die Baudrate ist die Geschwindigkeit der Übertragung von Daten vom Sender zu einem Empfänger in Form von Bits pro Sekunde. Einige der Standardbaudraten sind 1200, 2400, 4800, 9600, 57600.

Sie müssen auf beiden Seiten (Handy und Laptop) die gleiche Baudrate einstellen.

Hinweis: Je höher die Baudrate, desto mehr Daten können in kürzerer Zeit übertragen werden.

Ich empfehle jedoch, bis zu 115200 als sicheren Grenzwert zu verwenden, da die Abtastfrequenz auf der Empfängerseite nicht übereinstimmt.

# 2 Framing

Framing zeigt an, wie viele Datenbits Sie vom Hostgerät (Laptop) zum Mobiltelefon (Empfänger) senden möchten. Sind es 5, 6, 7 oder 8 Bit? Bei vielen Geräten werden 8 Bit bevorzugt. Nach Auswahl des 8-Bit-Datenblocks muss die Endianness von Sender und Empfänger vereinbart werden.

# 3 Synchronisation

Sender hängt Synchronisationsbits (1 Startbit und 1 oder 2 Stoppbit) an den ursprünglichen Datenrahmen an. Synchronisationsbits helfen dem Empfänger, den Beginn und das Ende der Datenübertragung zu identifizieren. Dieser Vorgang wird als asynchrone Datenübertragung bezeichnet.

# 4 Error Control

Datenbeschädigung kann durch externes Rauschen auf der Empfängerseite auftreten. Die einzige Lösung, um die stabile Ausgabe zu erhalten, besteht darin, die Parität zu überprüfen.

Wenn die Binärdaten eine gerade Zahl von 1 enthalten, wird dies als gerade Parität bezeichnet und das Paritätsbit wird auf ‚1‘ gesetzt. Wenn die Binärdaten eine ungerade Zahl von 1 enthalten, wird dies als ungerade Parität bezeichnet, und jetzt wird das Paritätsbit auf ‚0‘ gesetzt.

Asynchrone serielle Protokolle

Die häufigste Frage, die Ihnen einfällt, wenn Sie mit der Arbeit am eingebetteten System beginnen, ist, warum asynchrone Protokolle verwendet werden?

• Um die Informationen in einer größeren Entfernung zu bewegen und
• Für eine zuverlässigere Datenübertragung.

Einige der asynchronen Kommunikationsprotokolle sind:

RS-232-Protokoll

• RS232 ist das erste serielle Protokoll, das zum Verbinden von Modems für die Telefonie verwendet wird. RS steht für Recommended Standard und wurde jetzt in EIA (Electronic Industries Alliance ) / TIA ( Telecommunication Industry Association) geändert.
• Es wird auch in Modem-, Maus- und CNC-Maschinen (Computed Numerical Computing) verwendet. Sie können nur einen Sender an einen Empfänger anschließen.
• Es unterstützt full duplex kommunikation und ermöglicht baudrate bis zu 1 Mbps.
• Die Kabellänge ist auf 50 Fuß begrenzt.

Wie Sie wissen, liegen die im Speicher gespeicherten Daten in Form von Bytes vor. Sie haben vielleicht Zweifel, wie die byteweisen Daten in Binärbits konvertiert werden? Die Antwort ist ein serieller Port.

Die serielle Schnittstelle hat einen internen Chip namens UART. UART ist eine Abkürzung für Universal Asynchronous Receiver Transmitter, die die parallelen Daten (Byte) in die bitweise serielle Form umwandelt.

RS-232 Verdrahtung Verbindung

Die RS232 serial port hat neun pins, männlichen oder weiblichen typ modelle. RS 232C serielle kommunikationsschnittstelle ist die spätere Version von RS232.

Alle in RS232 vorhandenen Funktionen sind im RS232C-Modell vorhanden, außer dass es 25 Pins hat. Von 25 oder 9 Pins verwenden wir nur drei Pins für den Anschluss von Endgeräten.

RS422 Interface

Wir können transfer daten nur bis zu 1Mpbs grenze mit RS232. Um dieses Problem zu überwinden, kommt RS422 ins Spiel. RS422 ist eine serielle Multi-Drop-Schnittstelle. wir können zehn Sender mit 10 Empfängern gleichzeitig über den einzelnen Bus verbinden. Es sendet Daten über zwei Twisted-Pair-Kabel ( differentielle Konfiguration). Die Kabellänge beträgt 4000 Fuß bei einer Baudrate von 10 Mbit / s.

RS485 Interface

RS485 ist die industrie bevorzugte protokoll. Im Gegensatz zu RS422 können Sie 32 Leitungstreiber und 32 Empfänger in einer differentiellen Konfiguration anschließen. Der Sender wird auch als Linientreiber bezeichnet. Es ist jedoch jeweils nur ein Sender aktiv.

Hinweis: Sowohl Für RS232 und RS485, sie haben zu beenden die verbindung manuell.

1-Draht Protokoll

Ein draht ist ähnlich I2c protokoll. Der Unterschied besteht jedoch darin, dass ein Drahtprotokoll eine einzelne Datenleitung und Masse verwendet. Es benötigt kein Taktsignal und die Slaves werden mit einem internen Quarzoszillator getaktet. Es bietet Halbduplex-Kommunikation.

One wire verwendet ein 64-Bit-Adressierungsschema. Der vorteil von einem draht interface ist, es unterstützt fern kommunikation mit niedrigen kosten. Der Nachteil ist jedoch, dass die Geschwindigkeit geringer ist.

Asynchrone kabelgebundene Protokolle eignen sich gut für die Fernkommunikation. Es gibt jedoch einen Nachteil, der synchronen seriellen Schnittstellen Spielraum gibt.

Der Nachteil ist, wenn mehr Sender und Empfänger angeschlossen werden müssen, sind die Installationskosten hoch.

Synchrone serielle Protokolle

Synchrone Kommunikationsprotokolle sind die besten Ressourcen für Onboard-Peripheriegeräte. Der Vorteil ist, dass Sie mehrere Geräte am selben Bus anschließen können. Einige der synchronen Protokolle sind I2C, SPI, CAN und LIN.

I2C-Protokoll

I2c (Inter-Integrated Circuit) ist ein bidirektionales Zweidrahtprotokoll, das für den Datenaustausch zwischen verschiedenen Geräten auf demselben Bus verwendet wird. I2c verwendet eine 7-Bit- oder 10-Bit-Adresse, mit der bis zu 1024 Geräte angeschlossen werden können. Es erfordert jedoch ein Taktsignal zum Erzeugen von Start- und Stoppbedingungen. Der Vorteil ist, dass die Datenübertragung mit 400 kbit / s erfolgt. Es ist geeignet für onboard kommunikation.

SPI Protokoll

SPI (Serial peripheral interface) protokoll senden und empfangen daten in einem kontinuierlichen strom ohne unterbrechung. Dieses Protokoll wird für Highspeed-Datenkommunikation empfohlen erforderlich ist. Die maximale Geschwindigkeit, die es bieten kann, beträgt 10 Mbit / s.

Im gegensatz zu i2c, SPI hat 4 drähte. Sie sind MOSI (Master out slave in), MISO (Master in slave out), Uhr und Slave wählen signal. Theoretisch können wir eine unbegrenzte Anzahl von Slaves anschließen und praktisch hängt dies von der Lastkapazität des Busses ab.

KÖNNEN Protokoll

Dieses protokoll ist gewidmet zu fahrzeug systeme oder autos. Es ist ein nachrichtenorientiertes Protokoll, das für die Multiplex-Elektroverdrahtung verwendet wird, um das Kupfer zu sparen. Es ist ein Multi-Master-Multi-Serial-Bus, der in Anwendungen wie dem automatischen Starten / Stoppen von Fahrzeugen, Kollisionsvermeidungssystemen usw. verwendet wird.

USB

Die USB-Schnittstelle ist die beste Alternative zu seriellen oder parallelen Ports. Die Datenübertragung, die mit USB-Ports verbunden ist, ist ziemlich schneller als die serielle und parallele Schnittstelle. USB unterstützt geschwindigkeiten von 1,5 Mbps (USB 1.0) zu 4,8 Gbps (USB 3.0). Heutzutage verwenden die meisten eingebetteten Geräte die USB OTG-Technik (On the Go Programming), um die Hex-Datei auf den Mikrocontroller zu übertragen.

Microwire

Microwire ist ein dreiadriges serielles Kommunikationsprotokoll. Es hat eine serielle I/O port auf die mikrocontroller zu interface mit peripheren chips. Es unterstützt geschwindigkeit bis zu 3 Mbps. Es schneller als i2c und teilmenge von SPI protokoll.

Fazit

Die serielle Kommunikation ist im Bereich der Elektronik und eingebetteten Systeme von entscheidender Bedeutung. Die Datenübertragungsrate ist entscheidend, wenn zwei Geräte Informationen auf demselben Bus austauschen möchten. Daher ist es notwendig, ein gültiges serielles Protokoll für jede Anwendung zu wählen.

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