一文總結嵌入式【七大通信總線協(xié)議】

本文深入而全面地概述了嵌入式領域內七種經典串行通信協(xié)議：UART、RS232、RS485、I2C、SPI、CAN和I2S。這些協(xié)議能夠適應不同的應用需求，包括通信速度、傳輸距離、系統(tǒng)復雜度和成本等多個方面。通過了解每種協(xié)議的核心特性和差異，可以為電子系統(tǒng)設計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），常見的串行、異步通信總線，兩條數據線Tx、Rx，實現全雙工通信，常用于主機與外設的通信，點對點。

UART幀格式：

關鍵點：

• 串行、異步
• 需要雙方約定好傳輸的波特率（因為沒有時鐘線）
• 空閑位是高位
• 不能連續(xù)發(fā)數據，一次最多發(fā)5-8位（防止誤差累計，因為沒有時鐘線）

TX接RX，RX接TX

一般串口監(jiān)視器里面，設置好這幾個參數就行，默認是這樣，基本就改改波特率。

I2C

串行、半雙工。兩根線SDA（數據線）、SCL（時鐘線）

近距離、低速，硬件結構簡單，成本低。

最大特點：多主機！

主機有權發(fā)起和結束一次通信，從機只能被主機呼叫。

主線上有多個主機時，IIC具備沖突檢測和仲裁功能。

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

I2C通信過程

1. 主機發(fā)送起始信號啟用總線（其他主機收到后就知道現在總線被占用）
2. 主機發(fā)送一個字節(jié)數據指明從機地址（7bit）和后續(xù)字節(jié)的傳送方向（1bit，0：主到從，1：從到主）
3. 被尋址的從機發(fā)送應答信號回應主機
4. 發(fā)送器發(fā)送一個字節(jié)數據
5. 接收器發(fā)送應答信號回應發(fā)送器 （循環(huán)步驟4、5)
6. 通信完成后主機發(fā)送停止信號釋放總線

尋址方式（主機給從機發(fā)的第一個字節(jié)數據）：

一次通信時發(fā)送器可以發(fā)任意多個字節(jié)數據給接收器。上面第一個字節(jié)數據的最后一位決定了發(fā)送器是主機還是從機。

IIC具體通信過程

空閑時SCL和SDA都是高電平

規(guī)定每次傳一個字節(jié)（8bit），先發(fā)高位，

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

同步信號：

SCL為低電平時，發(fā)送器向數據線發(fā)一位數據，在此期間數據線上信號允許發(fā)送變化。

SCL為高電平時，接收器從數據線讀取一位數據，在此期間數據線上信號要穩(wěn)定。

典型I2C時序

A表示應答，A非表示非應答，S表示起始信號，P表示終止信號

SPI

Serial Peripheral Interface（SPI），串行外設接口高速、全雙工、同步一個主機，若干個從機

至少4根線：

MISO（master in server out）
MOSI（master out server in）
SCLK（時鐘）
CS （片選，通過使能它來選中不同的從機，有n個從機，主機就需要n條CS線）

SPI具體通信過程

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

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

沒有起始信號，也沒有終止信號！

CLK下降沿發(fā)數據，上升沿收數據，或者? CLK上升沿發(fā)數據，下降沿收數據（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) 這兩個因素。為了滿足不同場合，不同芯片的需求。

CPOL表示SCLK空閑時的狀態(tài)

CPOL=0，空閑時SCLK為低電平
CPOL=1，空閑時SCLK為高電平

CPHA表示采樣時刻

CPHA=0，每個周期的第一個時鐘沿采樣
CPHA=1，每個周期的第二個時鐘沿采樣

I2C與SPI異同

相同點：

1. 串行、同步
2. TTL電平，傳輸距離不長
3. 主從方式

不同點：

1. I2C為半雙工，SPI全雙工
2. I2C有應答，SPI無應答
3. 尋址方式：I2C通過向總線廣播從機地址尋址，SPI通過使能不同CS引腳尋址
4. I2C時鐘極性和相位固定，SPI有4種模式

因為SPI無應答、快速尋址等優(yōu)勢，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，它其實在實際應用中存在很多問題：

UART的問題

1. 電氣接口不統(tǒng)一

UART只是對信號的時序進行了定義，而未定義接口的電氣特性；UART通信時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通信時一般不能直接相連。

2. 抗干擾能力差，通信距離短

TTL信號表示0和1，數據傳輸的時候很容易出錯，最多1、2m。

只能用于一個電路板上兩個不同芯片之間的通信。

RS232

用于串行通訊的標準。

依賴UART串口協(xié)議，在電氣層面做處理，統(tǒng)一了標準，能傳得更遠和更快。編程的話沒有任何區(qū)別，就是串口通信。

采用一個標準的連接器，且對9個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TTL發(fā)出來的信號要接一個電平轉換芯片去轉成RS232的信號，比如MAX232芯片。類似usb-ttl芯片（ch340，cp2302）。

RS232的問題：

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

RS485

與RS232類似，也是個基于串口的標準，但是是半雙工。

與RS232相比最大特點：遠距離（1500m），抗干擾強，速度更快（幾百kbps到10 Mbps），允許接收多個收發(fā)器（可以組建設備網絡）

使用差分信號進行數據傳輸，有效減少共模干擾，因為外部電磁干擾會同時影響到這兩條線，而差分信號的接收方只關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）

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，因為用的差分信號，所以兩根線表示一個信號，只能半雙工。是不是感覺和I2C很像？只是I2C規(guī)定好了主機怎么管理從機，在編程RS485時完全可以仿照I2C的主從邏輯，避免沖突。

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

CAN

CAN（Controller Area Network，控制器局域網）總線協(xié)議是一種高度可靠的、多主機的消息廣播系統(tǒng)，廣泛用于汽車和工業(yè)自動化領域進行設備之間的通信。

汽車中最小的控制模塊叫ECU，

CAN總線大大促進了ECU之間的高效通訊

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

MCU與外界需要一個TTL轉CAN信號的芯片（單端轉差分）

CAN總線數據幀

有11位識別碼，區(qū)分多達2048個設備；

RTR為了區(qū)分數據幀或遠程請求幀；

控制碼有6位，第一位區(qū)分標準幀和拓展幀（識別位有29位），第二位是空閑位，接下來4為是DLC，控制數據碼的長度，0001表示數據有8位，1000表示數據有64位；

CRC是循環(huán)冗余校驗碼，檢測到錯誤時會自動重傳；

CRC界定符為了把后面信息隔開；

后面2位分別是ACK（接收1則發(fā)送0）和ACK界定符；

最后7位是結束位；

優(yōu)先級控制： CAN協(xié)議通過識別碼實現優(yōu)先級控制。ID較低的消息具有較高的優(yōu)先級，能夠在網絡忙時優(yōu)先傳輸。

CAN總線的數據傳輸速率可根據網絡長度和節(jié)點數進行調整，一般情況下，速率可以從幾kbps到1Mbps不等

位定時

數據在CAN總線上的傳輸和采樣過程涉及到位定時（Bit Timing），這是確保數據準確同步和傳輸的關鍵因素。

位定時包括若干部分，如同步段、傳播時間段、相位緩沖段1和相位緩沖段2，其中采樣點（Sample Point）是位時間內的一個特定點，用于決定何時對傳輸的位進行采樣。

在CAN協(xié)議中，數據位的采樣通常發(fā)生在位時間的某個固定點上，這個點被配置為盡可能靠近位時間結束前，以允許信號在總線上傳播并穩(wěn)定。這意味著數據的采樣不直接依賴于時鐘信號的上升沿或下降沿，而是依賴于位時間內預先配置的采樣點。

由于CAN總線使用非歸零（Non-Return to Zero, NRZ）編碼，連續(xù)的位之間沒有自動的同步點（例如，沒有時鐘信號的顯式傳輸），因此，CAN總線協(xié)議通過硬件和位定時配置來確保所有節(jié)點在位時間內正確地同步和采樣數據。

詳細位定時知識建議參考這篇博客 《CAN通信位定時與同步》

CAN與RX485異同

他倆都是串行半雙工，且基于差分信號和多設備，但有較大差異：

1. CAN總線使用唯一標識符（ID）為每條消息指定優(yōu)先級，具有自動仲裁功能。RS485總線是一種常規(guī)的通信總線，它不能夠做總線的自動仲裁，也就是不能夠同時發(fā)送數據以避免總線競爭。
2. CAN支持復雜的網絡拓撲，如星型、樹型和總線型結構。RS485主要支持總線型拓撲，所有設備通過兩條信號線相連。
3. CAN內置復雜的錯誤檢測、報告和恢復機制，包括位級錯誤檢測、重傳和錯誤限制等功能。RS485作為一種電氣標準，本身不提供錯誤處理機制。需要通過高層協(xié)議來實現錯誤控制
4. 數據傳輸時同步方式不同。

I2S

主要用于音頻數據傳輸? 串行，同步，半雙工

三根線

SCK（時鐘線）
WS（左右時鐘線，選擇左右聲道）
SD（數據線，數據可以是單聲道或立體聲，格式通常是線性PCM編碼）

時鐘上升沿時發(fā)數據，下降沿時讀數據

WS的高低表示不同的聲道，在一個SCK時鐘周期內，一半的時間用于傳輸左聲道數據，另一半時間用于傳輸右聲道數據。

WS跳轉表示一字節(jié)數據傳輸的最后一位