嵌入式通信协议对比介绍(SPI/I2C/UART/RS485/CAN)

1 前言

首先来看看一些基本的概念：

串行通信： 这指的是在通信线路上一次只能传输一个位（或字节）的数据。每个位依次传输，因此通信是按顺序进行的。这可以用于较简单的系统或长距离通信，但可能导致较低的传输速度。
并行通信： 这指的是在通信线路上同时传输多个位（或字节）的数据。并行通信通常可以提高传输速度，但需要更多的物理线路，并且对于较长的距离可能存在一些问题。
同步通信： 这要求通信的发送和接收方在某个时间基准上保持一致。数据传输的时序是协调的，通常需要等待响应或在特定时刻发送数据。这可以确保数据的可靠性，但可能引入一些等待时间。
异步通信： 这表示发送和接收方不需要保持一致的时钟。数据可以根据需要发送，而不必等待对方的即时响应。异步通信通常更加灵活，但可能需要处理潜在的延迟或数据丢失。
**单工通信：**在单工通信中，数据只能在一个方向上流动。一方负责发送，另一方负责接收，但二者不能同时进行通信。这类似于单行道，只允许数据在一个方向上移动。
**半双工通信：**半双工通信允许数据在两个方向上流动，但不同方向上的数据流不能同时进行。在某一时刻，通信的一方是发送方，另一方是接收方。这类似于对讲机，其中只有一个方向的通信能够发生。
**全双工通信：**全双工通信允许数据在两个方向上同时进行。两个通信方均可同时发送和接收数据，实现了双向通信。典型的例子是电话通信，其中通话双方都可以同时说话和听对方说话。

关系：

串行、并行通信可以是同步的或异步的，这取决于数据传输的时序和通信协议。
在某些情况下，串行通信更容易实现同步，而并行通信可能更容易实现异步，但这并不是绝对的规则。
串行、并行通信可能是单工、半双工或全双工的，具体取决于通信协议和硬件实现。
同步通信要求通信方在时间上保持一致，而异步通信允许通信方在时间上不保持一致。
通信中的同步和异步概念与通信方向的单工、半双工和全双工之间并没有直接关联，而是描述了数据的时序关系。

在实际应用中，这些概念可能会相互组合，例如串行半双工通信、并行全双工通信等，以满足特定的通信需求。

2 通信协议

① UART

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UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）是一种串行通信协议，用于在计算机系统、嵌入式系统和外部设备之间传输数据。UART是一种异步通信协议，意味着数据传输不需要在发送和接收端保持精确的时钟同步。以下是UART协议的主要特点和工作原理：

异步通信：
- UART使用异步通信，因此发送端和接收端不需要共享相同的时钟信号。相反，每个字节的开始和结束由特殊的起始位和停止位标志，这样接收端可以确定何时开始和结束每个字节的传输。
帧格式：
- 一个UART帧通常包括起始位、数据位、可选的校验位和停止位。典型的帧格式是8个数据位，一个起始位，一个或多个停止位。校验位用于增强数据的可靠性，但不是必需的。
波特率：
- 波特率是UART通信中非常重要的参数，表示每秒传输的比特数。通信双方必须使用相同的波特率设置，以确保正确的数据传输。常见的波特率包括9600、19200、115200等。
数据传输过程：
- 发送端将数据装入一个帧，包括起始位、数据位、校验位和停止位。这个帧按照设置的波特率被发送给接收端。
- 接收端根据波特率解析帧，找到起始位，并开始接收数据。根据帧格式，接收端提取数据位，并进行校验，最后检测停止位。
流控制：
- UART通常采用硬件流控制（RTS/CTS）或软件流控制（XON/XOFF）来管理数据流。流控制可用于防止数据溢出，确保接收端准备好接收数据。
用途：
- UART常用于短距离通信，例如连接微控制器、传感器、模块和外围设备。由于其简单性和可靠性，UART是许多嵌入式系统中常见的通信接口。

总体而言，UART是一种灵活、简单和广泛应用的串行通信协议，适用于许多不同类型的嵌入式和计算机系统。

② SPI

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SPI（Serial Peripheral Interface）是一种同步的串行通信协议，通常用于在嵌入式系统中连接微控制器、传感器、存储器、显示器和其他外设。SPI协议具有高速传输、全双工通信和简单硬件接口等特点。以下是SPI的主要特征和工作原理：

总线架构：
- SPI使用主从架构，其中一个设备充当主设备，其他设备充当从设备。主设备控制通信的时序和传输。通常，一个SPI总线可以连接多个从设备。
通信线：
- SPI使用四根主要的通信线：
  - SCLK（Serial Clock）： 主设备生成的时钟信号，用于同步数据传输。
  - MOSI（Master Out Slave In）： 主设备向从设备发送数据的输出线。
  - MISO（Master In Slave Out）： 从设备向主设备发送数据的输入线。
  - SS/CS（Slave Select/Chip Select）： 用于选择要进行通信的从设备。
时序：
- SPI是同步通信协议，数据的传输受到时钟信号的控制。传输时序通常由极性（CPOL）和相位（CPHA）两个参数定义，决定了数据采样的时机和极性。SPI通常支持多种模式，例如0、1、2、3四种模式。
全双工通信：
- SPI支持全双工通信，允许主设备和从设备同时进行数据的发送和接收。这使得SPI在高速数据传输场景中非常有用。
帧格式：
- SPI没有像UART那样的帧格式，数据是按字节传输的，没有起始位或停止位。通常，一个字节的数据在传输时同时包含了发送和接收的信息。
应用：
- SPI广泛应用于各种嵌入式系统，如传感器接口、存储器扩展、显示器驱动、通信模块等。由于其高速、简单、全双工的特性，SPI在需要大量数据传输的场景中很受欢迎。

总的来说，SPI是一种灵活且高效的串行通信协议，适用于需要快速、可靠数据传输的嵌入式系统。

③ I2C

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I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种串行通信协议，通常用于连接微控制器、传感器、存储器和其他外设。I2C是一种同步的、半双工的通信协议，允许多个设备在同一总线上进行通信。以下是I2C的主要特点和工作原理：

总线架构：
- I2C采用总线架构，其中多个设备可以连接到同一总线上。每个设备都有一个唯一的地址，用于在总线上识别和选择特定的设备。
通信线：
- I2C通信使用两根主要的线路：
  - SDA（Serial Data Line）： 用于传输数据的双向线路。
  - SCL（Serial Clock Line）： 用于同步数据传输的时钟线路。
协议特点：
- I2C是半双工通信协议，设备可以在同一总线上进行发送和接收操作。通信始于主设备生成的起始条件，结束于主设备生成的停止条件。
- I2C支持多主机通信，允许多个主设备轮流控制总线。这使得多个微控制器可以协同工作。
地址帧：
- I2C通信的开始包括一个起始条件，然后是设备地址和读/写位。每个设备都有一个唯一的7位或10位地址。接收设备在地址帧后发送应答位，以指示其准备好接收数据。
数据传输：
- 数据传输包括8位数据字节，每个字节后面跟着一个应答位。数据可以从主设备传输到从设备，也可以从从设备传输到主设备。
应用：
- I2C广泛应用于连接各种外设，如传感器、存储器、显示器、实时时钟等。由于I2C总线上可以连接多个设备，它非常适用于系统中需要与多个设备进行通信的场景。

总的来说，I2C是一种灵活、简单的通信协议，适用于需要在多个设备之间进行短距离通信的嵌入式系统。

④ RS232、RS485

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RS232（Recommended Standard 232）和RS485（Recommended Standard 485）是两种串行通信标准，通常用于在计算机系统、嵌入式系统和外部设备之间传输数据。尽管它们都是串行通信标准，但它们有一些关键的区别，适用于不同的应用场景。

RS232

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单点通信：
- RS232通常用于单点通信，即一对一的通信方式。一条RS232线路上只能连接两个设备，一个作为发送方，另一个作为接收方。
距离和速度：
- RS232适用于相对短距离的通信，一般在数米内。通信速率可以达到数十kbps或更高，但随着距离的增加，信号质量可能下降。
电压级别：
- RS232使用的电压级别是负逻辑，即逻辑“1”对应负电压，逻辑“0”对应正电压。
应用场景：
- 常见的RS232应用包括串口连接、调试连接、计算机和外部设备之间的连接，例如打印机、鼠标、调制解调器等。

RS485

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多点通信：
- RS485适用于多点通信，允许在同一总线上连接多个设备。每个设备都有唯一的地址，通过地址识别通信对象。
距离和速度：
- RS485能够支持较长距离的通信，一般可达数千米。通信速率可以从几百bps到数Mbps，具有更大的灵活性。
电压级别：
- RS485使用平衡电压级别，即逻辑“1”和逻辑“0”分别由两个相对电压表示，使得在长距离通信中更能抵抗电磁干扰。
差分信号：
- RS485使用差分信号传输，即数据线和其反向线的电压变化表示逻辑信息。这种差分传输方式使其更适合在噪声环境中稳定工作。
应用场景：
- RS485广泛应用于需要多设备协同工作的场景，例如工业自动化、建筑自动化、仪器仪表等。

总的来说，RS232适用于短距离、点对点的通信，而RS485适用于多点通信，特别是在长距离和噪声环境中。选择使用哪种标准通常取决于具体的应用需求。

⑤ CAN

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CAN（Controller Area Network）是一种专为实时控制系统设计的串行通信协议。CAN协议最初是由德国的Bosch公司在1986年提出，后来逐渐发展成为国际标准。CAN协议主要应用于汽车领域，但也在工业控制、医疗设备和其他领域中得到广泛使用。以下是CAN协议的主要特点和工作原理：

总线架构：
- CAN采用总线架构，允许多个节点通过共享相同的总线进行通信。每个节点都有一个唯一的标识符，用于在总线上识别发送和接收的消息。
通信线：
- CAN通信使用两根主要的线路：
  - CAN_High： 高电平线，用于传输逻辑“0”。
  - CAN_Low： 低电平线，用于传输逻辑“1”。
- CAN使用差分信号传输，能够更好地抵御电磁干扰。
帧格式：
- CAN通信的基本单位是数据帧，包括标识符、控制位、数据和CRC（循环冗余校验）等字段。CAN帧分为两种类型：数据帧和远程帧。数据帧用于传输实际数据，而远程帧用于请求其他节点发送数据。
多主控制：
- CAN支持多主控制，允许多个节点之间动态地决定总线的控制权。这使得CAN在实时系统中更具灵活性和实时性。
冲突解决：
- CAN使用CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）机制来解决冲突。节点在发送数据前会监听总线，确保总线上没有其他节点正在发送。
优先级和仲裁：
- 每个CAN消息的标识符包含优先级信息。在总线上发生冲突时，优先级较高的消息将胜出。这种机制称为仲裁，确保高优先级消息能够及时被发送。
应用场景：
- CAN协议广泛应用于汽车领域，包括车辆内部的控制系统和车辆间的通信。此外，在工业控制、医疗设备、电力系统和航空航天等领域也有广泛的应用。

总体来说，CAN是一种适用于实时控制系统的可靠、高效的通信协议，特别适用于具有多个节点和实时性要求的场景。

3 对比

UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter）是一种异步串行通信协议，用于在两个设备之间传输数据。它使用一根数据线（TXD）发送数据，另一根数据线（RXD）接收数据。UART通信的每个字节都包含一个起始位、8个数据位和一个停止位。

RS232（Recommended Standard 232）是一种串行通信标准，用于在计算机和其他设备之间传输数据。它使用EIA-232电压标准来定义信号电平。RS232通信可以支持点对点或多点连接。

RS485是一种半双工差分串行通信协议，用于在多台设备之间传输数据。它使用两根数据线（A线和B线）来发送和接收数据。RS485通信可以支持多达32台设备连接到同一个总线。

I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种串行通信协议，用于在集成电路之间传输数据。它使用两根数据线（SDA和SCL）来发送和接收数据。I2C通信可以支持多达127台设备连接到同一个总线。

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种同步串行通信协议，用于在主设备和从设备之间传输数据。它使用四根数据线（SCLK、MOSI、MISO和SS）来发送和接收数据。SPI通信可以支持多台从设备连接到同一个主设备。

以下是UART、RS232、RS485、I2C和SPI的比较表：

特性	UART	RS232	RS485	I2C	SPI
通信方式	异步串行	串行	半双工差分串行	同步串行	同步串行
数据线	1根（TXD/RXD）	2根（TXD/RXD）	2根（A线/B线）	2根（SDA/SCL）	4根（SCLK/MOSI/MISO/SS）
连接方式	点对点或多点	点对点或多点	多点	多点	点对点
最大传输距离	15米	15米	1200米	10米	10米
最大传输速率	115200bps	115200bps	10Mbps	400kHz	10Mbps
优点	简单易行	兼容性好	抗干扰能力强	速度快	速度快
缺点	速度慢	抗干扰能力弱	速度慢	地址冲突	复杂度高