嵌入式单片机各种通信（UART/RS232/RS485/I2C/CAN/ SPI）

一、UART串口

USART(同步/异步收发器)和UART（异步收发器）。

空闲时，数据线为高电平。

发生的数据格式一般为：

第一位起始位（低电平开始）-> 中间8位数据位-> 第十位终止位（高电平结束）

PS:发送每一位都会停留一个固定的时间长度。

串行通信:

数据传输方式为逐位传输，传输线少，成本低，但数据的传输控制较复杂。按照实现数据同步的方式，可以分为同步串行和异步串行两种。

并行通信：

多位数据同时传输，传输控制简单，传输速度快，但是在长距离传输时硬件成本较高。

同/异步：

同步总线：指互联的部件或设备均通过统一的时钟进行同步，即所有的互联的部件或设备都必须使用同一个时钟（同步时钟），在规定的时钟节拍内进行规定的总线操作，来完成部件或设备之间的信息交换。

异步总线：指没有统一的时钟而依靠各部件或设备内部定时操作，所有部件或设备是以信号握手的方式进行，即发送设备和接受设备互用请求（request）和确认（acknowledgement）信号来协调动作，总线操作时序不是固定的。因此，异步总线能兼容多种不同的设备，而且不必担心时钟变形或同步问题使得总线长度不受限制。

单工、半双工、全双工：

单工：一方发送一方接收，只有一条传输线。

半双工：两方都能收发，只有一条传输线，不能一起发送接收。

全双工：两方都能进行收发，并且能一同发送接收，有两条传输线；UART为全双工。

波特率：

串口异步通讯中由于没有时钟信号，所以两个通讯设备之间需要约定好波特率，即每个码元的长度，以便对信号进行解码。

波特率是指每秒钟传送二进制数码的位数，以bit/s（bps）为单位。

常用的波特率有： 9600、 19200、 38400、 57600和115200；

波特率为115200， 表示每秒传输115200位，且每一位数据在数

据线上持续时间为Tbit = 1/115200 ≈ 8.68us。

二、RS232/RS485

为了提高串口通信的稳定性和距离，制定了RS232标准。

在串口通信的基础上增加电平转换芯片，如MAX232,就可以把TTL电平转为RS232电平，通信距离一般可达到15米。

RS232为负逻辑电平，逻辑1为-3V ~ -15V，逻辑0为3V ~ 15V。

RS232为单端（非平衡）点对点的通信，传输速率一般在20Kbit/s，工作模式为全双工串行通信。

RS485是在串行通信的基础上增加了485转换芯片，将输入的串口信号转为差分信号；通信距离一般可达到1000米。

RS485为差分(平衡)，1发32收，传输速率为10Mbit/s，多点对多点，2线制半双工通信。

RS485为正逻辑电平，逻辑1两线电压差为2~6V，逻辑0两线电压差为-2V ~ -6V。

485转换芯片引脚与单片机相接一般有4个，分为RE（接收允许）、DE（发送允许）、RO（接收器输出）和DI（发送器输入 一般来自MCU）。

电路上一般会接入120欧的终端电阻和3.9K欧的偏置电阻，确保静默下为高电平。

三、Modbus通讯协议

Modbus是一种一主多从的通信协议，基于RS485定制的应用层通信协议。

基于Modbus链路的通信协议有Modbus-RTU和Modbus-ASCII。

在Modbus协议中，主设备向从设备发送报文有两种形式

1.单播模式：主设备向一个从设备发送报文，从设备接收报文并处理完毕后向主机返回响应报文

2.广播模式：主设备向所以网络上的从设备发送报文，从设备接收处理后不要求返回响应；广播模式发送地址为0.

在Modbus协议中，主设备没有地址，从设备有且只有一个地址（1~127）。

如果从设备响应错误时，功能码则返回给主设备的功能码最高位置一。

Modbus-RTU消息帧格式

起始位 -> 地址（8位）-> 功能码（8位） -> 数据（n个8位） -> CRC校验（16位） -> 结束符

Modbus寄存器

Modbus寄存器用于存放数据

Modbus常用功能码响应

四、I2C（集成电路互相通信总线）

原理

有主从设备之分，主设备通过从设备的设备地址进行数据的收发；与从设备有同一个时钟线进行调整与从设备的通信速度。

I2C通信时，主机发送（写）由主机操作SDA，接收时（读）由从机操作SDA。

主设备主导通信，能主动读取从设备的数据，而从设备只能等待主机的读写操作，从设备不能自己独立操作总线。

主设备向从设备发送8位数据后，从设备如果成功接收，则会向主设备回应一个应答信号（低电平），此时SDA由从设备操作，因为外接上拉电阻，所以默认状态下是高电平，所以应答信号是低电平；如果没有回应，则表示接收有误。

主设备              <------------------------8位数据--------------------              从设备

    -------------第九位应答位---------------------- >

同理，从主设备向从设备写也是一样。

I2C通信如何判断起始位停止位

起始位：在SCL的工作期间，当SDA从1变0（下降沿）表示起始位，代表SCL接下来的第一个工作期间是第一个工作期间（这里有点绕）。

停止位：通信结束后再用SCL的一个工作期间让SDA从0变1（上升沿）。

I2C通信的数据帧格式

起始位（下降沿）-> 8位数据 -> 应答位 -> 停止位（上升沿）

主机发送过程：

起始位->数据位->从机应答->数据位->从机应答..........

从设备向主设备发送数据过程：

起始位->数据位->主机应答->数据位->主机应答->.....->主机发送停止位

从设备如何判断是写/读操作

I2C通信规定，第一组数据8位的最低位为1时是读操作，为0时是写操作。

从设备如何判断读/写那个寄存器

I2C通信规定，第二组数据8位当作指针来使用（确定读写哪一个寄存器），如果是第四个寄存器，则第二组数据为0000 0100（十进制4转为二进制）。

第一组8位数据，左边7位为从设备地址，表示要操作的从设备地址。

ps：方便阅读，现在规定S为起始位、A为应答位、P为停止位；

主机向从机写数据：

S->0001 0100(设备地址和写操作)->A->（具体操作的寄存器）->A->DATA*8->A->P

主机向从机读数据（要先发一个写操作）：

S->0001 0100->A->（具体操作的寄存器）->A->S->0001 0101->A->DATA*8->A->P

五、SPI

SPI与I2C一样是板级总线，有主从设备之分，但没有采用地址的概念，而是由硬件选择总线上的设备（所以占用的IO口多）;工作模式为全双工。

SPI通信的硬件引脚

CE:收发使能引脚

CSN:SPI片选

SCK:时钟线

MOSI:SPI主机输出，从机输入

MISO:SPI主机输入，从机输出

SPI通信格式

SPI通信中，在SCK的上升沿或者下降沿（具体看从机的协议）时数据才有效，有多少个上升/下降沿就有多少个信号。

一般写指令为：

起始位->操作码->寄存器地址->数据

一般读指令为：

起始位->操作码->寄存器地址

SPI和I2C异同

同：

1.都是串行、同步的方式

2.采用TTL电平

3.有主从设备之分

异：

1.I2C为半双工，SPI为全双工

2.I2C有应答机制，SPI没有

3.I2C通过总线广播来寻址，SPI通过使能引脚来寻址。

六、CAN总线

CAN总线分为ISO 11898(高速CAN)和ISO 11519(低速CAN)标准，高速CAN通信传输速率为125kbit/s~1Mbit/s,低速CAN传输速率为125kbit/s以下；通信模式为半双工，可挂载多设备，多设备同时发送数据时通过仲裁判断先后顺序；主要用于多主机互相通信。

数据分为11位标准格式和29位扩展格式的报文ID，用于区分消息功能，同时确定优先级，一般ID小的先发。

通信分为广播式（全部设备都会接收）和请求式（只有收到接收方发的请求，发送方才会发送）

CAN电路图

高速CAN电平逻辑

逻辑1：2线均为2.5V，电压差为0（隐性电平）

逻辑0：CAN_H = 3.5V，CAN_L = 1.5V，两线电压差为2V（显性电平）

低速CAN电平逻辑

逻辑1：CAN_H = 1.75V，CAN_L = 3.25V，两线电压差为-1.5V（隐性电平）

逻辑0：CAN_L = 4V，CAN_L = 1V，两线电压差为1V（显性电平）

应用场景

高速CAN总线网络被应用于汽车动力与传动系统，是闭环网络，总线最大长度为40米，两端各有120欧的终端电阻；低速CAN总线网络被应用于汽车车身系统，2根总线是独立的，开环网络，两根总线各串联一个2.2k欧电阻。

CAN控制器和收发器

CAN节点硬件构成有两种，一种是由MCU和控制器收发器组成；一种是集成了CAN控制器的MCU和CAN收发器组成（STM32F1自带控制器）。

CAN控制器：

一种实现“报文”和符合CAN规范的“通行帧”之间互相转换的器件与CAN收发器相连。

STM32F1内部集成的控制器叫BxCAN。

控制器内部原理：

BxCAN三种工作模式：初始化、正常、睡眠。

CAN收发器：是控制器与CAN物理总线的接口，将控制器的逻辑电平转为差分电平并发送。