單片機(jī)通信時(shí)序解析
隨著我們對(duì)通信技術(shù)的深入學(xué)習(xí)，大家要逐漸在頭腦中建立起時(shí)序這種概念。所謂“時(shí)序”從字面意義上來(lái)理解，一是“時(shí)間問(wèn)題”，二是“順序問(wèn)題”。
先說(shuō)“順序問(wèn)題”，這個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單一些。我們?cè)趯W(xué) UART 串口通信的時(shí)候，先 1 位起始位，再 8 位數(shù)據(jù)位，最后 1 位停止位，這個(gè)先后順序不能錯(cuò)。我們?cè)趯W(xué) 1602 液晶的時(shí)候，比如寫(xiě)指令，RS=L，R/W=L，D0~D7=指令碼，這三者的順序是無(wú)所謂的，但是最終的 E=高脈沖，必須是在這三條程序之后，這個(gè)順序一旦錯(cuò)誤，寫(xiě)的數(shù)據(jù)也可會(huì)出錯(cuò)。
“時(shí)間問(wèn)題”內(nèi)容相對(duì)復(fù)雜。比如 UART 通信，每一位的時(shí)間寬度是 1/baud。我們初中就學(xué)過(guò)一個(gè)概念，世界上沒(méi)有絕對(duì)的準(zhǔn)確。那么每一位的時(shí)間寬度 1/baud 要求精確到什么范圍內(nèi)呢？
前邊教程我提到過(guò)，單片機(jī)讀取 UART 的 RXD 引腳數(shù)據(jù)的時(shí)候，一位數(shù)據(jù)，單片機(jī)平均分成了 16 份，取其中的 7、8、9 三次讀到的結(jié)果，這三次中有 2 次是高電平那這一位就是 1，有 2 次是低電平，那這一次就是 0。如果我們的波特率稍微有些偏差，只要累計(jì)下來(lái)到最后一位停止位，這 7、8、9 還在范圍內(nèi)即可。如圖 13-1 所示。
圖 13-1 UART 信號(hào)采集時(shí)序圖
我們用三個(gè)箭頭來(lái)表示 7、8、9 這三次的采集位置，大家可以注意到，當(dāng)采集到 D7 的時(shí)候，已經(jīng)有一次采集偏出去了，但是我們采集到的數(shù)據(jù)還是不會(huì)錯(cuò)，因?yàn)橛?2 次采集正確。至于這個(gè)偏差允許多大，大家自己可以詳細(xì)算一下。實(shí)際上 UART 通信的波特率是允許一定范圍內(nèi)誤差存在的，但是不能過(guò)大，否則就會(huì)采集錯(cuò)誤。大家在計(jì)算波特率的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有整除，有小數(shù)部分的時(shí)候，就要特別小心了，因?yàn)樾?shù)部分是一概被舍掉的，于是計(jì)算誤差就產(chǎn)生了。我們用 11.0592M 晶振計(jì)算的過(guò)程中，11059200/12/32/9600 得到的是一個(gè)整數(shù)，如果用 12M 晶振計(jì)算 12000000/12/32/9600 就會(huì)得到一個(gè)小數(shù)，大家可以算一下誤差多少，是否在誤差范圍內(nèi)。
1602 的時(shí)序問(wèn)題，大家要學(xué)會(huì)通過(guò) LCD1602 的數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的時(shí)序圖和時(shí)序參數(shù)表格來(lái)進(jìn)行研究，而且看懂時(shí)序圖是學(xué)習(xí)單片機(jī)所必須掌握的一項(xiàng)技能，如圖 13-2 所示。
圖 13-2 1602 時(shí)序圖
大家看到這種圖的時(shí)候，不要感覺(jué)害怕。說(shuō)句不過(guò)分的話(huà)，單片機(jī)這些邏輯上的問(wèn)題，只要小學(xué)畢業(yè)就可以理解的，很多時(shí)候是因?yàn)榇蠹野褑?wèn)題想象的太難才學(xué)不下去的。
我們先來(lái)看一下讀操作時(shí)序的 RS 引腳和 R/W 引腳，這兩個(gè)引腳先進(jìn)行變化，因?yàn)槭亲x操作，所以 R/W 引腳首先要置為高電平，而不管它原來(lái)是什么。讀指令還是讀數(shù)據(jù)，都是讀操作，而且都有可能，所以 RS 引腳既有可能是置為高電平，也有可能是置為低電平，大家注意圖上的畫(huà)法。而 RS 和 R/W 變化了經(jīng)過(guò) Tsp1 這么長(zhǎng)時(shí)間后，使能引腳 E 才能從低電平到高電平發(fā)生變化。
而使能引腳 E 拉高經(jīng)過(guò)了 tD 這么長(zhǎng)時(shí)間后，LCD1602 輸出 DB 的數(shù)據(jù)就是有效數(shù)據(jù)了，我們就可以來(lái)讀取 DB 的數(shù)據(jù)了。讀完了之后，我們要先把使能 E 拉低，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后 RS、R/W 和 DB 才可以變化繼續(xù)為下一次讀寫(xiě)做準(zhǔn)備了。
而寫(xiě)操作時(shí)序和讀操作時(shí)序的差別，就是寫(xiě)操作時(shí)序中，DB 的改變是由單片機(jī)來(lái)完成的，因此要放到使能引腳 E 的變化之前進(jìn)行操作，其它區(qū)別大家可以自行對(duì)比一下。
細(xì)心的同學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)，這個(gè)時(shí)序圖上還有很多時(shí)間標(biāo)簽。比如 E 的上升時(shí)間 tR，下降時(shí)間時(shí)間 tF，使能引腳 E 從一個(gè)上升沿到下一個(gè)上升沿之間的長(zhǎng)度周期 tC，使能 E 下降沿后，R/W 和 RS 變化時(shí)間間隔 tHD1 等等很多時(shí)間要求，這些要求怎么看呢？放心，只要是正規(guī)的數(shù)據(jù)手冊(cè)，都會(huì)把這些時(shí)間要求給大家標(biāo)記出來(lái)的。我們來(lái)看一下表 13-1。
RS、R/W地址保持時(shí)間tHD110----ns數(shù)據(jù)建立時(shí)間(讀)tD----100ns引腳
DB0~DB7數(shù)據(jù)保持時(shí)間(讀)tHD220----ns數(shù)據(jù)建立時(shí)間(寫(xiě))tSP240----ns數(shù)據(jù)保持時(shí)間(寫(xiě))tHD210----ns
大家要善于把手冊(cè)中的這個(gè)表格和時(shí)序圖結(jié)合起來(lái)看。表 13-1 中的數(shù)據(jù)，都是時(shí)序參數(shù)，本節(jié)課的所有時(shí)序參數(shù)，我都一點(diǎn)點(diǎn)的給大家講出來(lái)，以后遇到同類(lèi)時(shí)序圖，就不再講了，只是提一下，但是大家務(wù)必要學(xué)會(huì)自己看時(shí)序圖，這個(gè)很重要，此外，看以下解釋需要結(jié)合圖 13-2 來(lái)看。
tC：指的是使能引腳 E 從本次上升沿到下次上升沿的最短時(shí)間是 400ns，而我們單片機(jī)因?yàn)樗俣容^慢，一個(gè)機(jī)器周期就是 1us 多，而一條 C 語(yǔ)言指令肯定是一個(gè)或者幾個(gè)機(jī)器周期的，所以這個(gè)條件完全滿(mǎn)足。
tPW：指的是使能引腳 E 高電平的持續(xù)時(shí)間最短是 150ns，同樣由于我們的單片機(jī)比較慢，這個(gè)條件也完全滿(mǎn)足。
tR, tF：指的是使能引腳 E 的上升沿時(shí)間和下降沿時(shí)間，不能超過(guò) 25ns，別看這個(gè)數(shù)很小，其實(shí)這個(gè)時(shí)間限值是很寬裕的，我們實(shí)際用示波器測(cè)了一下開(kāi)發(fā)板的這個(gè)引腳上升沿和下降沿時(shí)間大概是 10ns 到 15ns 之間，完全滿(mǎn)足。
tSP1：指的是 RS 和 R/W 引腳使能后至少保持 30ns，使能引腳 E 才可以變成高電平，這個(gè)條件同樣也完全滿(mǎn)足。
tHD1：指的是使能引腳 E 變成低電平后，至少保持 10ns 之后，RS 和 R/W 才能進(jìn)行變化，這個(gè)條件也完全滿(mǎn)足。
tD：指的是使能引腳 E 變成高電平后，最多 100ns 后，1602 就把數(shù)據(jù)送出來(lái)了，那么我們就可以正常去讀取狀態(tài)或者數(shù)據(jù)了。
tHD2：指的是讀操作過(guò)程中，使能引腳 E 變成低電平后，至少保持 20ns，DB 數(shù)據(jù)總線才可以進(jìn)行變化，這個(gè)條件也完全滿(mǎn)足。
tSP2：指的是 DB 數(shù)據(jù)總線準(zhǔn)備好后，至少保持 40ns，使能引腳 E 才可以從低到高進(jìn)行使能變化，這個(gè)條件也完全滿(mǎn)足。
tHD2：指的是寫(xiě)操作過(guò)程中，要引腳 E 變成低電平后，至少保持 10ns，DB 數(shù)據(jù)總線才可以變化，這個(gè)條件也完全滿(mǎn)足。
好了，表 13-1 這個(gè) LCD1602 的時(shí)序參數(shù)表已經(jīng)解析完成了，看完之后，是不是感覺(jué)比你想象的要簡(jiǎn)單，沒(méi)有你想的那么困難。大家自己也得慢慢學(xué)會(huì)看這種時(shí)序圖和表格，在今后的學(xué)習(xí)中，這方面的能力尤為重要。如果以后換用了其它型號(hào)的單片機(jī)，那么就根據(jù)單片機(jī)的執(zhí)行速度來(lái)評(píng)估你的程序是否滿(mǎn)足時(shí)序要求，整體上來(lái)說(shuō)器件都是有一個(gè)最快速度的限制，而沒(méi)有最慢限制，所以當(dāng)換用高速的單片機(jī)后通常都是靠在各步驟間插入軟件延時(shí)來(lái)滿(mǎn)足較慢的時(shí)序要求。
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