一文總結(jié)嵌入式【七大通信總線協(xié)議】

本文深入而全面地概述了嵌入式領(lǐng)域內(nèi)七種經(jīng)典串行通信協(xié)議：UART、RS232、RS485、I2C、SPI、CAN和I2S。這些協(xié)議能夠適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，包括通信速度、傳輸距離、系統(tǒng)復(fù)雜度和成本等多個(gè)方面。通過(guò)了解每種協(xié)議的核心特性和差異，可以為電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選擇最適宜的通信方式提供重要參考哦。

UART

通用異步收發(fā)器（Universal Asynchronous Receiver Transmitter），常見(jiàn)的串行、異步通信總線，兩條數(shù)據(jù)線Tx、Rx，實(shí)現(xiàn)全雙工通信，常用于主機(jī)與外設(shè)的通信，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)。

UART幀格式：

關(guān)鍵點(diǎn)：

• 串行、異步
• 需要雙方約定好傳輸?shù)?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/497736.html">波特率（因?yàn)闆](méi)有時(shí)鐘線）
• 空閑位是高位
• 不能連續(xù)發(fā)數(shù)據(jù)，一次最多發(fā)5-8位（防止誤差累計(jì)，因?yàn)闆](méi)有時(shí)鐘線）

TX接RX，RX接TX

一般串口監(jiān)視器里面，設(shè)置好這幾個(gè)參數(shù)就行，默認(rèn)是這樣，基本就改改波特率。

I2C

串行、半雙工。兩根線SDA（數(shù)據(jù)線）、SCL（時(shí)鐘線）

近距離、低速，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。

最大特點(diǎn)：多主機(jī)！

主機(jī)有權(quán)發(fā)起和結(jié)束一次通信，從機(jī)只能被主機(jī)呼叫。

主線上有多個(gè)主機(jī)時(shí)，IIC具備沖突檢測(cè)和仲裁功能。

每個(gè)IIC總線上的器件都有一個(gè)唯一的地址（7bit），每個(gè)器件可以作為主機(jī)也可以作為從機(jī)（同一時(shí)間只能有一個(gè)主機(jī)）

I2C通信過(guò)程

1. 主機(jī)發(fā)送起始信號(hào)啟用總線（其他主機(jī)收到后就知道現(xiàn)在總線被占用）
2. 主機(jī)發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)指明從機(jī)地址（7bit）和后續(xù)字節(jié)的傳送方向（1bit，0：主到從，1：從到主）
3. 被尋址的從機(jī)發(fā)送應(yīng)答信號(hào)回應(yīng)主機(jī)
4. 發(fā)送器發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)
5. 接收器發(fā)送應(yīng)答信號(hào)回應(yīng)發(fā)送器 （循環(huán)步驟4、5)
6. 通信完成后主機(jī)發(fā)送停止信號(hào)釋放總線

尋址方式（主機(jī)給從機(jī)發(fā)的第一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)）：

一次通信時(shí)發(fā)送器可以發(fā)任意多個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)給接收器。上面第一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的最后一位決定了發(fā)送器是主機(jī)還是從機(jī)。

IIC具體通信過(guò)程

空閑時(shí)SCL和SDA都是高電平

規(guī)定每次傳一個(gè)字節(jié)（8bit），先發(fā)高位，

發(fā)送器發(fā)完一個(gè)字節(jié)后，接收器必須發(fā)送1位應(yīng)答位，所以一幀共有9位。應(yīng)答位為低電平。

同步信號(hào)：

SCL為低電平時(shí)，發(fā)送器向數(shù)據(jù)線發(fā)一位數(shù)據(jù)，在此期間數(shù)據(jù)線上信號(hào)允許發(fā)送變化。

SCL為高電平時(shí)，接收器從數(shù)據(jù)線讀取一位數(shù)據(jù)，在此期間數(shù)據(jù)線上信號(hào)要穩(wěn)定。

典型I2C時(shí)序

A表示應(yīng)答，A非表示非應(yīng)答，S表示起始信號(hào)，P表示終止信號(hào)

SPI

Serial Peripheral Interface（SPI），串行外設(shè)接口高速、全雙工、同步一個(gè)主機(jī)，若干個(gè)從機(jī)

至少4根線：

MISO（master in server out）
MOSI（master out server in）
SCLK（時(shí)鐘）
CS （片選，通過(guò)使能它來(lái)選中不同的從機(jī)，有n個(gè)從機(jī)，主機(jī)就需要n條CS線）

SPI具體通信過(guò)程

先發(fā)高位 （MSB：most significant bit，LSB：least significant bit）

SPI傳完一個(gè)字節(jié)后，不需要應(yīng)答！可以直接發(fā)下一個(gè)字節(jié)。

沒(méi)有起始信號(hào)，也沒(méi)有終止信號(hào)！

CLK下降沿發(fā)數(shù)據(jù)，上升沿收數(shù)據(jù)，或者? CLK上升沿發(fā)數(shù)據(jù)，下降沿收數(shù)據(jù)（由極性和相位一起決定）

SPI極性和相位

SPI總線有四種不同的工作模式,取決于極性(CPOL) 和 相位(CPHL) 這兩個(gè)因素。為了滿(mǎn)足不同場(chǎng)合，不同芯片的需求。

CPOL表示SCLK空閑時(shí)的狀態(tài)

CPOL=0，空閑時(shí)SCLK為低電平
CPOL=1，空閑時(shí)SCLK為高電平

CPHA表示采樣時(shí)刻

CPHA=0，每個(gè)周期的第一個(gè)時(shí)鐘沿采樣
CPHA=1，每個(gè)周期的第二個(gè)時(shí)鐘沿采樣

I2C與SPI異同

相同點(diǎn)：

1. 串行、同步
2. TTL電平，傳輸距離不長(zhǎng)
3. 主從方式

不同點(diǎn)：

1. I2C為半雙工，SPI全雙工
2. I2C有應(yīng)答，SPI無(wú)應(yīng)答
3. 尋址方式：I2C通過(guò)向總線廣播從機(jī)地址尋址，SPI通過(guò)使能不同CS引腳尋址
4. I2C時(shí)鐘極性和相位固定，SPI有4種模式

因?yàn)镾PI無(wú)應(yīng)答、快速尋址等優(yōu)勢(shì)，所以SPI速率比I2C快很多，幾M到幾十Mbps。

I2C一般幾百kbps，超高速模式下能5Mbps。

RS232、RS485

回顧一下UART串口通信，它其實(shí)在實(shí)際應(yīng)用中存在很多問(wèn)題：

UART的問(wèn)題

1. 電氣接口不統(tǒng)一

UART只是對(duì)信號(hào)的時(shí)序進(jìn)行了定義，而未定義接口的電氣特性；UART通信時(shí)一般直接使用處理器使用的電平，即TTL電平，但不同的處理器使用的電平存在差異， 高電平和低電平的具體定義不一樣，所以不同的處理器使用UART通信時(shí)一般不能直接相連。

2. 抗干擾能力差，通信距離短

TTL信號(hào)表示0和1，數(shù)據(jù)傳輸的時(shí)候很容易出錯(cuò)，最多1、2m。

只能用于一個(gè)電路板上兩個(gè)不同芯片之間的通信。

RS232

用于串行通訊的標(biāo)準(zhǔn)。

依賴(lài)UART串口協(xié)議，在電氣層面做處理，統(tǒng)一了標(biāo)準(zhǔn)，能傳得更遠(yuǎn)和更快。編程的話(huà)沒(méi)有任何區(qū)別，就是串口通信。

采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的連接器，且對(duì)9個(gè)引腳的作用和電平都做了規(guī)定。主要是用RX、TX和GND這三個(gè)引腳。

高電平：-3到-15v
低電平：+3到+15v
抗干擾能力增加，通信距離大致15m。

MCU通過(guò)TTL發(fā)出來(lái)的信號(hào)要接一個(gè)電平轉(zhuǎn)換芯片去轉(zhuǎn)成RS232的信號(hào)，比如MAX232芯片。類(lèi)似usb-ttl芯片（ch340，cp2302）。

RS232的問(wèn)題：

1. 接口的信號(hào)電平值較高，易損壞接口電路的芯片，又因?yàn)?strong>與TTL電平不兼容，所以需要使用電平轉(zhuǎn)換芯片才能與TTL電路連接。
2. 通信速度較低，易產(chǎn)生共模干擾，抗噪聲干擾性較弱，傳輸距離較短（15m）

RS485

與RS232類(lèi)似，也是個(gè)基于串口的標(biāo)準(zhǔn)，但是是半雙工。

與RS232相比最大特點(diǎn)：遠(yuǎn)距離（1500m），抗干擾強(qiáng)，速度更快（幾百kbps到10 Mbps），允許接收多個(gè)收發(fā)器（可以組建設(shè)備網(wǎng)絡(luò)）

使用差分信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，有效減少共模干擾，因?yàn)橥獠?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/519674.html">電磁干擾會(huì)同時(shí)影響到這兩條線，而差分信號(hào)的接收方只關(guān)心兩條線之間的電壓差，從而有效抵消了干擾。（通信用雙絞線，抗干擾強(qiáng)）

高電平（邏輯1）：兩線之間電壓差為+2v到+6v

低電平（邏輯0）：兩線之間電壓差為-2v到-6v

采用兩線制，因?yàn)橛玫牟罘中盘?hào)，所以?xún)筛€表示一個(gè)信號(hào)，只能半雙工。是不是感覺(jué)和I2C很像？只是I2C規(guī)定好了主機(jī)怎么管理從機(jī)，在編程RS485時(shí)完全可以仿照I2C的主從邏輯，避免沖突。

一般也還是要在MCU后接一個(gè)TTL轉(zhuǎn)485的芯片（單端傳差分），比如MAX485

CAN

CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)）總線協(xié)議是一種高度可靠的、多主機(jī)的消息廣播系統(tǒng)，廣泛用于汽車(chē)和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域進(jìn)行設(shè)備之間的通信。

汽車(chē)中最小的控制模塊叫ECU，

CAN總線大大促進(jìn)了ECU之間的高效通訊

CAN像RS485一樣采用差分信號(hào)通信，雙線制（CAN_High，CAN_Low）物理上用雙絞線，抗干擾強(qiáng)

MCU與外界需要一個(gè)TTL轉(zhuǎn)CAN信號(hào)的芯片（單端轉(zhuǎn)差分）

CAN總線數(shù)據(jù)幀

有11位識(shí)別碼，區(qū)分多達(dá)2048個(gè)設(shè)備；

RTR為了區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程請(qǐng)求幀；

控制碼有6位，第一位區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)幀和拓展幀（識(shí)別位有29位），第二位是空閑位，接下來(lái)4為是DLC，控制數(shù)據(jù)碼的長(zhǎng)度，0001表示數(shù)據(jù)有8位，1000表示數(shù)據(jù)有64位；

CRC是循環(huán)冗余校驗(yàn)碼，檢測(cè)到錯(cuò)誤時(shí)會(huì)自動(dòng)重傳；

CRC界定符為了把后面信息隔開(kāi)；

后面2位分別是ACK（接收1則發(fā)送0）和ACK界定符；

最后7位是結(jié)束位；

優(yōu)先級(jí)控制： CAN協(xié)議通過(guò)識(shí)別碼實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)控制。ID較低的消息具有較高的優(yōu)先級(jí)，能夠在網(wǎng)絡(luò)忙時(shí)優(yōu)先傳輸。

CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸速率可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)度和節(jié)點(diǎn)數(shù)進(jìn)行調(diào)整，一般情況下，速率可以從幾kbps到1Mbps不等

位定時(shí)

數(shù)據(jù)在CAN總線上的傳輸和采樣過(guò)程涉及到位定時(shí)（Bit Timing），這是確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確同步和傳輸?shù)年P(guān)鍵因素。

位定時(shí)包括若干部分，如同步段、傳播時(shí)間段、相位緩沖段1和相位緩沖段2，其中采樣點(diǎn)（Sample Point）是位時(shí)間內(nèi)的一個(gè)特定點(diǎn)，用于決定何時(shí)對(duì)傳輸?shù)奈贿M(jìn)行采樣。

在CAN協(xié)議中，數(shù)據(jù)位的采樣通常發(fā)生在位時(shí)間的某個(gè)固定點(diǎn)上，這個(gè)點(diǎn)被配置為盡可能靠近位時(shí)間結(jié)束前，以允許信號(hào)在總線上傳播并穩(wěn)定。這意味著數(shù)據(jù)的采樣不直接依賴(lài)于時(shí)鐘信號(hào)的上升沿或下降沿，而是依賴(lài)于位時(shí)間內(nèi)預(yù)先配置的采樣點(diǎn)。

由于CAN總線使用非歸零（Non-Return to Zero, NRZ）編碼，連續(xù)的位之間沒(méi)有自動(dòng)的同步點(diǎn)（例如，沒(méi)有時(shí)鐘信號(hào)的顯式傳輸），因此，CAN總線協(xié)議通過(guò)硬件和位定時(shí)配置來(lái)確保所有節(jié)點(diǎn)在位時(shí)間內(nèi)正確地同步和采樣數(shù)據(jù)。

詳細(xì)位定時(shí)知識(shí)建議參考這篇博客 《CAN通信位定時(shí)與同步》

CAN與RX485異同

他倆都是串行半雙工，且基于差分信號(hào)和多設(shè)備，但有較大差異：

1. CAN總線使用唯一標(biāo)識(shí)符（ID）為每條消息指定優(yōu)先級(jí)，具有自動(dòng)仲裁功能。RS485總線是一種常規(guī)的通信總線，它不能夠做總線的自動(dòng)仲裁，也就是不能夠同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)以避免總線競(jìng)爭(zhēng)。
2. CAN支持復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/a>，如星型、樹(shù)型和總線型結(jié)構(gòu)。RS485主要支持總線型拓?fù)?/a>，所有設(shè)備通過(guò)兩條信號(hào)線相連。
3. CAN內(nèi)置復(fù)雜的錯(cuò)誤檢測(cè)、報(bào)告和恢復(fù)機(jī)制，包括位級(jí)錯(cuò)誤檢測(cè)、重傳和錯(cuò)誤限制等功能。RS485作為一種電氣標(biāo)準(zhǔn)，本身不提供錯(cuò)誤處理機(jī)制。需要通過(guò)高層協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤控制
4. 數(shù)據(jù)傳輸時(shí)同步方式不同。