I²C、SPI、UART、CAN 通信协议详解
一、协议基本特性对比
| 特性 | I²C | SPI | UART | CAN |
|---|---|---|---|---|
| 通信类型 | 同步、半双工 | 同步、全双工 | 异步、全双工 | 异步、多主多从 |
| 信号线 | SDA（数据）、SCL（时钟） | MOSI、MISO、SCK、SS（片选） | TX（发送）、RX（接收） | CAN_H、CAN_L（差分信号） |
| 拓扑结构 | 多主多从（总线式） | 主从式（需片选） | 点对点 | 多主多从（总线式） |
| 最大速率 | 标准模式 100kbps，高速模式 3.4Mbps | 可达 100Mbps+ | 通常 ≤ 115200bps（部分可达 1Mbps） | 1Mbps（短距离）或 125kbps（长距离） |
| 错误检测 | 无 | 无 | 奇偶校验（可选） | CRC、ACK、错误帧自动重传 |
| 典型应用 | 传感器、EEPROM | 存储器、显示屏 | 调试接口、简单设备通信 | 汽车电子、工业控制 |
二、实现方式与工作原理
1. I²C（Inter-Integrated Circuit）
实现方式：
主设备控制时钟线（SCL），通过 SDA 发送地址和数据。
7/10 位地址寻址，支持广播模式。
开漏输出，需外接上拉电阻（通常 4.7kΩ）。
时序特点：
起始条件（SDA 下降沿时 SCL 高电平）、停止条件（SDA 上升沿时 SCL 高电平）。
每个字节后需接收方发送 ACK/NACK。
2. SPI（Serial Peripheral Interface）
实现方式：
主设备通过 SCK 提供时钟，MOSI 发送数据，MISO 接收从设备数据。
每个从设备需独立 SS 线，片选信号低电平有效。
时序特点：
时钟极性（CPOL）和相位（CPHA）需主从一致。
全双工传输，数据在时钟边沿采样。
3. UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）
实现方式：
无时钟线，依赖双方约定波特率（如 9600、115200）。
数据帧包括起始位（低电平）、数据位（5-9 位）、校验位（可选）、停止位（高电平）。
扩展协议：
RS232（电平转换，±3~15V）、RS485（差分信号，支持多点通信）。
4. CAN（Controller Area Network）
实现方式：
差分信号（CAN_H 和 CAN_L），总线两端需 120Ω 终端电阻。
基于消息优先级（ID 仲裁）的非破坏性冲突解决机制。
帧结构：
数据帧（ID、数据长度、数据域）、远程帧、错误帧、过载帧。
三、优缺点对比
| 协议 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|
| I²C | 引脚少、支持多设备、成本低 | 速度低、总线电容限制距离（通常 < 1m） |
| SPI | 高速、全双工、无地址冲突 | 引脚多（每个从设备需 SS 线）、不支持多主 |
| UART | 简单、点对点、广泛支持 | 速率低、无多设备支持、易受干扰 |
| CAN | 高可靠性、抗干扰、支持多主 | 硬件复杂、成本高、速率受限 |
四、电路设计注意事项
1. I²C 设计要点
上拉电阻：根据总线速度和电容选择阻值（4.7kΩ~10kΩ），确保上升时间满足要求。
地址冲突：避免从设备地址重复，必要时使用地址扩展芯片（如 PCA9548）。
总线电容：总线上设备过多时，需降低速率或分段设计。
2. SPI 设计要点
信号完整性：
短距离布线，避免时钟偏移（SCK 与数据线长度匹配）。
高速场景使用阻抗控制走线（如 50Ω 单端）。
片选管理：多从设备时，使用 GPIO 扩展芯片或译码器减少引脚占用。
3. UART 设计要点
电平转换：
TTL 电平（3.3V/5V）需通过 MAX3232 等芯片转换为 RS232 电平。
长距离通信使用 RS485（差分信号，需 SN65HVD72 收发器）。
抗干扰：
添加 TVS 二极管（如 SMAJ5.0A）防护 ESD。
使用屏蔽双绞线（RS485）减少共模干扰。
4. CAN 设计要点
终端电阻：总线两端必须接 120Ω 电阻，消除信号反射。
布线规范：
双绞线布线（CAN_H 和 CAN_L 绞合），长度差 < 1cm。
避免分支（“T”型连接），采用菊花链拓扑。
共模滤波：添加共模扼流圈（如 WE-CMB）抑制高频噪声。
五、应用场景推荐
I²C：传感器网络（如温度传感器、加速度计）、低复杂度多设备控制。
SPI：高速数据传输（如 Flash 存储器、TFT 显示屏）、ADC/DAC 接口。
UART：设备调试日志输出、GPS 模块通信、简单主从控制。
CAN：汽车电子（ECU 通信）、工业自动化（PLC 网络）、机器人控制。
六、总结
I²C：低成本、多设备场景的首选，但需注意总线负载和速度限制。
SPI：追求高速和全双工时的最佳选择，但引脚资源消耗较大。
UART：简单点对点通信的理想方案，适合调试和短距离传输。
CAN：高可靠性和抗干扰需求的工业、汽车领域标配，但需复杂硬件支持。