为什么现代单片机的串口数量越来越多?

原创 美男子玩编程 2024-11-27 08:01

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尽管串口速率低,缺点显著,但其低成本、稳定性和广泛应用在现代嵌入式系统设计中仍具备优势。

集成多个串口的MCU使得系统能够兼容多种设备,支持并行数据采集和独立任务处理。


随着物联网的普及以及嵌入式系统复杂性的提升,多个串口的存在让设计更加简化并提升了系统的灵活性和可靠性。


1


串口的低成本和稳定性

串口是最早用于单片机的数据传输协议之一。


它简单可靠,对时序和线缆要求不高,电路设计简单(例如使用TTL或RS-232电平),硬件成本低。


随着MCU工艺的进步,集成多个串口的成本也逐渐下降,且可以通过引脚复用功能(Pin Multiplexing)减少外部接口的空间。


2


传统工业和嵌入式应用需求

在工业、物联网、和嵌入式领域,串口的使用仍然广泛。传统工业设备、传感器、PLC、机器人等大量采用串口协议(RS-232、RS-485),便于设备互联。


多串口MCU可以让一个单片机同时对接多个外设,如多个传感器模块或通信模块,简化系统设计并提升可靠性。


串口具有较强的实时性,不像 USB 或以太网需要复杂的协议栈支持,便于轻量、实时的数据通信需求。


3


兼容性与通用性

串口是嵌入式系统工程师普遍掌握的基本接口,软硬件支持广泛且通用性强。


在调试、维护、升级等方面,有大量工具和软件支持(如串口调试助手等)。


许多旧设备或外设仍然采用串口通信,为了兼容这些设备和标准,MCU 厂商继续增加串口数量,以支持多设备的并行连接。


4


多种协议和功能扩展

UART协议简单且可以支持多种通信协议,通过简单改动可以支持 MODBUS、NMEA、I2C等协议,适应性较强。


多个串口的存在让 MCU 能够同时与多种协议外设通信,而不需要复杂的总线转换。


现代MCU通常设计灵活,可以支持软硬件流控(如RTS/CTS),并集成高级功能如DMA、FIFO、波特率自动调整、低功耗通信等,这些改进进一步提升了串口的效率和适应性,使其在多个应用场景中占据一席之地。


5


物联网(IoT)和智能设备的增长

物联网应用场景下,MCU需要同时与多种传感器、无线模块、显示模块等设备通信。


多个串口支持让系统能同时连接多路传感器和外设,无需增加额外通信模块,从而简化了硬件设计。


比如物联网系统中的MCU可能连接多个不同标准的通信模块(LoRa、Zigbee、WiFi、蓝牙等),各模块通常有独立的串口,从而实现多网络同时在线。


6


低功耗和异步传输的优点

串口通信的低速和异步特性让其更适合低功耗应用。


在不需要高速传输时,多个串口可以让系统并行接收数据,保持低功耗状态,有利于延长设备电池寿命。


此外,串口不需要连续的时钟同步,因此在休眠和唤醒控制上具有优势。


异步传输也避免了复杂的同步控制机制,便于资源受限的嵌入式设备。


7


多线程和多任务系统的需求

现代 MCU 越来越多地用于多任务和多线程系统,多个串口可以配合多任务操作系统,实现任务之间的独立通信和数据处理,简化任务调度和数据采集。


在复杂应用中,多个串口为单片机多线程架构提供了硬件支持,可以将不同的外设分配到不同任务,降低软件调试难度,减少任务间冲突。

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