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UART、IIC、SPI、CAN通信协议简介

news 2025/11/15 12:24:07

一、常见术语

1、通信协议的类型

（1）根据数据传输方式分为两大类：串行通信和并行通信。由于并行通信（如早期的PCI总线）需要大量I/O口线，所以在单片机中已较少使用。

串行通信协议又可根据数据是否同步于时钟信号分为：

同步通信：收发双方共享时钟信号（如SPI, I2C）。
异步通信：收发双方使用各自的时钟，依靠事先约定的波特率进行同步（如UART）。

（1）什么是波特率
波特率等于每秒钟传输的数据位数，假如我们的全局时钟频率为100MHz，波特率设置为9600，那么意味着每秒该UART传输协议可以传输9600bits的数据，换句话说传输1比特需时间约为：10^9(ns)/9600=104166(ns)。

（2）如何换算波特率
书接上文，时钟频率假如为100MHz，这意味着我们的时钟周期为10ns，因此10416个时钟周期我们就可以传输1bit数据，换言之我们需要一个大小为10416的分频电路来对100MHz时钟进行处理，因此在设计UART的过程中，我们需要使用分频电路依据波特率处理全局时钟，依据分频后的时钟节奏来发送数据和接收数据。

二、单片机常见的通信协议

1. UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)

原理：

异步串行通信。不需要时钟线，仅需两根数据线（TX：发送，RX：接收）即可实现全双工通信。
通信双方必须事先约定相同的通信参数：波特率、数据位、停止位、校验位。
数据以“帧”为单位传输。每帧数据从一个起始位（低电平） 开始，后面是5-9位数据位（通常是8位），然后是可选的校验位，最后是1-2位停止位（高电平）。
在空闲状态下，总线保持高电平。起始位的下降沿通知接收方开始接收数据。

特点：

优点：硬件简单，仅需两根线，全双工。
缺点：没有时钟同步，对波特率一致性要求高；通常用于点对点通信，难以组建多设备网络。

举例：

单片机与PC通信：单片机通过UART连接到USB转串口芯片（如CH340、CP2102），再与电脑的串口调试助手进行数据交换。
GPS模块、蓝牙模块与单片机通信：大多数GPS和蓝牙模块都提供UART接口，单片机通过发送AT指令或直接读取数据流与之交互。
两个单片机之间通信：将单片机A的TX连接到单片机B的RX，单片机A的RX连接到单片机B的TX。

2. I2C (Inter-Integrated Circuit)

原理：

同步、半双工的串行通信协议。由Philips公司开发。
仅需两根线：
- SDA：双向串行数据线。
- SCL：串行时钟线，由主机产生。
多主多从架构，通过设备地址寻址。总线上每个从设备都有一个唯一的7位或10位地址。
通信由主机发起，遵循严格的时序：
1. 起始条件：SCL为高时，SDA由高变低。
2. 发送地址帧：主机发送7位从机地址和1位读写位。
3. 应答信号：从机确认地址后，拉低SDA一个时钟周期作为应答(ACK)。
4. 数据传输：主机与从机之间传输8位数据，每传输一个字节后，接收方都会发送一个ACK。
5. 停止条件：SCL为高时，SDA由低变高。

特点：

优点：引脚资源占用少（只有两根线），支持多设备。
缺点：速度较SPI慢（标准模式100kbps，快速模式400kbps），协议相对复杂，通信距离短。

举例：

读取传感器数据：读取温湿度传感器（如SHT30）、加速度计（如MPU6050）的数据。这些传感器通常作为I2C从设备。
访问EEPROM存储器：读写存储芯片（如AT24C02、AT24C256）来存储系统参数。
控制IO扩展芯片：使用PCF8574等芯片，通过I2C协议用少量IO口控制多达8个或16个GPIO。

3. SPI (Serial Peripheral Interface)

原理：

同步、全双工的串行通信协议。由Motorola公司开发。
通常需要4根线：
- SCLK：串行时钟，由主机产生。
- MOSI：主机输出，从机输入。
- MISO：主机输入，从机输出。
- SS/CS：从机选择片选信号（低电平有效），每个从机都需要一根独立的片选线。
通信由主机控制。主机通过拉低某个从机的SS线来选中该从机，然后产生SCLK时钟。数据在时钟的上升沿或下降沿被采样，实现全双工同时收发。
协议本身非常简单，没有固定的数据帧格式，数据传输的位数和含义由设备自身定义。

特点：

优点：速度非常快（可达数十Mbps），是全双工，协议简单。
缺点：占用I/O口线多（每增加一个从机，需多一根片选线），没有硬件应答机制。

举例：

读写SD/TF卡：SD卡在SPI模式下通信。
驱动显示屏：许多OLED屏、TFT屏（如ILI9341驱动芯片）使用SPI接口以获得高速刷新率。
连接无线模块：如nRF24L01 2.4G无线模块、ESP8266 WiFi模块（某些模式下）。
与高速ADC/DAC通信：需要高速数据流的模数/数模转换芯片。

4. 1-Wire (单总线)

原理：

异步、半双工的串行通信协议。由Dallas公司开发。
只需要一根数据线（加上一根公共地线）即可完成通信和供电（寄生供电）。
所有1-Wire设备都通过一个唯一的64位ROM ID地址进行识别，支持“一主多从”。
通信时序要求非常严格，主机通过控制线上高低电平的持续时间来发出命令和读写数据。

特点：

优点：硬件结构极其简单，布线成本极低。
缺点：通信速度慢，时序复杂，对代码编写要求高。

举例：

读取温度传感器：最经典的DS18B20数字温度传感器。
访问iButton设备：如门禁系统的密钥扣。
识别器件：利用其唯一的ID，用于产品溯源或硬件加密。

5. CAN (Controller Area Network)

原理：

异步、半双工的串行通信协议。专为汽车电子和工业控制等恶劣环境设计。
采用差分信号（CAN_H和CAN_L）传输，具有极强的抗干扰能力。
多主对等网络，任何节点都可以在总线空闲时发起通信。通过报文ID（标识符）来标识消息的优先级，ID值越小，优先级越高。基于CSMA/CR机制解决总线冲突。
具有完善的错误检测和处理机制，通信可靠性极高。

特点：

优点：高可靠性，多主结构，优秀的错误处理，通信距离远（可达数千米）。
缺点：协议复杂，硬件和软件成本较高。

举例：

汽车网络：发动机控制单元(ECU)、车门模块、仪表盘等之间的通信。
工业自动化：PLC、传感器、电机驱动器之间的连接。
医疗设备、电梯控制等对可靠性要求高的领域。

总结对比表

协议	通信类型	线数	速度	拓扑结构	主要特点	典型应用
UART	异步，全双工	2 (TX, RX)	低-中	点对点	简单，通用，需约定波特率	PC通信，GPS，蓝牙
I2C	同步，半双工	2 (SDA, SCL)	低-中	多主多从	引脚少，有地址和应答	传感器，EEPROM
SPI	同步，全双工	3+n (SCLK, MOSI, MISO, CSxN)	高	一主多从	速度快，协议简单，引脚多	存储器，显示屏，ADC
1-Wire	异步，半双工	1 (DQ)	低	一主多从	布线极简，靠ID寻址	DS18B20温度传感器
CAN	异步，半双工	2 (CAN_H, CAN_L)	中-高	多主对等	高可靠，抗干扰，距离远	汽车，工业控制