通讯协议大全(UART,RS485,SPI,IIC)

参考自： 

常见的通讯协议总结（USART、IIC、SPI、485、CAN）-CSDN博客

UART那么好用，为什么单片机还需要I2C和SPI？_哔哩哔哩_bilibili

5分钟看懂!串口RS232 RS485最本质的区别！_哔哩哔哩_bilibili

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数据通信

  数据通信是指通过某种传输媒介（如电线、光纤、无线电波等）在计算机系统或设备之间传输数据的过程。这两种通信方式都是实现数据传输的基本技术，它们在数据传输的实现方式上有所不同，但都遵循一些共同的通信原理和协议。

串行通信与并行通信(两种基本的数据通信)

串行通信：

特点： 数据逐位传输，传输线少，长距离传输时成本低，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。

• 串行通信指的是数据按位顺序，一个接一个地在单一的通信线上进行传输。
• 它通常使用更少的线缆，因此在物理布线上更为经济。
• 串行通信的速度可能较慢，但适合长距离通信。
• 常见的串行通信协议包括RS-232、RS-485、I2C、SPI、UART等。

如下图

并行通信：

特点： 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。

• 并行通信允许多个数据位同时在多个通道上进行传输。
• 它需要更多的线缆，因此在物理布线上成本更高。
• 并行通信通常速度更快，但不适合长距离通信，因为信号间的干扰和同步问题会随着距离增加而变得更加严重。
• 常见的并行通信协议包括PCI、AGP、SATA等。

二者对比

传输模式

下面我们就来了解串行通信的几种常见协议

UART

概念

  UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步接收器/发送器）是一种串行通信协议，广泛应用于嵌入式系统和各种设备之间的通信。
 

主要内容：

1. 串行、异步、全双工通信：UART允许数据在发送和接收设备之间进行全双工通信，即同时发送和接收数据，且通信是异步的，不需要时钟信号来同步数据位。

2. 数据帧格式：UART的数据帧通常由起始位、数据位、奇偶校验位（可选）、停止位组成。数据位通常为7或8位，起始位为1位，停止位可以是1或2位。

3. 波特率（Baud Rate）：波特率是UART通信的数据传输速率，表示每秒传输的码元数量。常见的波特率有300、1200、2400、9600、19200、38400、115200等。

4. 数据位：数据位是实际传输的数据，可以是7位或8位，取决于通信双方的约定。

5. 起始位和停止位：起始位是一个逻辑“0”位，用于标记数据帧的开始；停止位是一个或两个逻辑“1”位，用于标记数据帧的结束。

6. 奇偶校验：奇偶校验位用于检测数据传输过程中的错误，可以是奇校验或偶校验。

7. 硬件结构：UART通常包括发送模块和接收模块，以及用于控制通信的寄存器和控制逻辑。

8. 控制信号：UART通信可能包括控制信号，如载波检测（CD）、载波发送（CTS）、请求发送（RTS）、允许发送（TX）、载波接收（RX）等。

9. 错误检测和纠正：UART协议可以通过奇偶校验位来实现基本的错误检测，但不具备错误纠正能力。

10. 应用场景：UART广泛应用于嵌入式系统、微控制器、计算机与外部设备（如打印机、调制解调器等）之间的通信。

uart框架图

只考虑RX,TX,GND

帧格式

下图是一帧数据额基本格式 10位(1+8+1)

UART不足->由此产生了其他通信

1.不能远距离传输信号(RS232 RS485)
2.通信速度慢 (SPI)
3.不能实现一对多的通信(IIC)

TTL电平

TTL高电平： （2.4V-5V）   低电平：（0-0.4V）

为什么不能远距离通信:

串口通信使用TTL电平，抗干扰的能力比较弱(一般就是同一块电路板上的两个芯片 和 距离比较进的两块电路板之间)
(像我们调试串口设备的时候进程就会用到CH340这个USB和TTL的转接口)

如下图，

TTL高电平最小为2.4V， 低电平最大为0.4V ，只差了2V -->当受到静电的时候低电平很容易变成高电平，对数据传输造成干扰

受到静电干扰，低电平变成高电平 --> 串口通信的距离很短

(1m之内：一块电路板上的两个芯片，电脑和芯片)

RS232/RS485 - 解决UART不能远距离通信

RS232（异步双全工）图

工作原理

232电平

  高电平(3V-15V)

  低电平(-15V-3V)

通过MAX232这课芯片把TTL电平转为232电平 --> (RS232 只是改变了电平大小，传输的数据是不变的，也是全双工通讯)

转换结果如下

注意： 转换是双向的

RS232的转换实例

最大好处 --> 抗干扰能力增强

优化效果

抗干扰能力增强 ->通信距离可达15m

对应传输的速率只有20k (太慢啦 -- RS485来解决)

RS485图（异步半双工）

工作原理

只需要两根线 去表示逻辑0,1

 串口TTL信号转为差分信号(通过差分信号去表示逻辑0,1)

差分信号为什么抗干扰能力强

1.使用两个信号的差值去表示逻辑0,1

2.使用双绞线

可以看成在受到干扰的时候两个信号同时受到干扰，他的差值不变-->抗干扰能力强

优化效果

2000m 的传输距离

50M的串口频率

支持1对多通信

注意： RS485是半双工通讯，只有两跟线去差分控制电平，不能T/S收发，否则需要四根线

     这样就能一主多从通信了

RS232 和 RS485对比图

RS232靠拉大电平区间

RS485靠差分

SPI （同步全双工）- 解决UART传输慢的问题

UART为什么慢

波特率 - 每秒传输的符号（如位、字节等）的数目
以115200 为例: 算出对应的传输速率

//对于115200的波特率，当考虑到通常的串行通信格式（如1个起始位、8个数据位、1个停止位，且没有校验位）时，每个字节实际上需要10个位来传输。 --> 115200 Bps (波特率) ÷ 10 位/字节 = 11520 Bps (字节每秒)

//1 kB（千字节）等于1024 B（字节）
11520 Bps ÷ 1024 =11.25 kbps(kb/s)

SPI框架图

SPI采用一主多从 

SPI的四条数据线

1.SS -- 片选 信号线(一般低电平有效(根据接收对象而定)，主机选择需要通信的从机)

2.SCK时钟信号线 (由主设备产生)

3.MOSI (主发从接) 

4.MISO(从发主收)

SPI向存储器读写数据

写数据

我们采用的存储器SS是高电平有效

四种采集方式

时钟SCK的空闲态: 高/低电平  & 上升沿/下降 的四种组合。

下面给出空闲态是低电平，上升沿采集的方式样例

采样条件

1.SS为有效电平(这里是高电平)

2.SCK是上升沿(也可以是下降沿 -->具体需要查看芯片手册)

采样图

读写数据表

IIC 

由于串口通信需要约定波特率 -->
早起单片机的频率标比较低，以及精度的问题  --> 传输速率太快容易出现误码

SPI 加入一个CLOCK信号，通过上升沿去读取数据,这样之后就完全不依赖系统时钟的准确度了，
而是完全依赖自带的时钟信号去做信号的同步，能大大提高传输的速率，最大10M(适用:SD卡和屏幕这种对速率有要求的外设会采用这种协议)

IIC   -- 最大优势支持多设备的相互通信

概念

  I2C（同步半双工）通讯协议(Inter－Integrated Circuit)，引脚少，硬件实现简单，可扩展性强，不需要 USART、 CAN 等通讯协议的外部收发设备，现在被广泛地使用在系统内多个集成电路(IC)间的通讯。

特点

(1) 它是一个支持多设备的总线。“总线”指多个设备共用的信号线。在一个 I2C 通讯总线中，可连接多个 I2C 通讯设备，支持多个通讯主机及多个通讯从机。

(2) 一个 I2C 总线只使用两条总线线路，一条双向串行数据线(SDA) ，一条串行时钟线(SCL)。数据线即用来表示数据，时钟线用于数据收发同步。

(3) 每个连接到总线的设备都有一个独立的地址，主机可以利用这个地址进行不同设备之间的访问。

(4) 总线通过上拉电阻接到电源。当 I2C 设备空闲时，会输出高阻态，而当所有设备都空闲，都输出高阻态时，由上拉电阻把总线拉成高电平。

(5) 多个主机同时使用总线时，为了防止数据冲突，会利用仲裁方式决定由哪个设备占用总线。

(6) 具有三种传输模式：标准模式传输速率为 100kbit/s ，快速模式400kbit/s ，高速模式下可达 1Mbit/s，但目前大多 I2C 设备尚不支持高速模式。

(7) 连接到相同总线的 IC 数量受到总线的最大电容 400pF 限制 。

IIC框架图

一主多从

典型的总线协议 

时钟线完全是由主机掌握  , 
数据线 在 应答位 & 和读数据的释放给从机

IIC下各种状态

注意： SCL为高打的时候才能表示状态

SDA高 ->空闲

SDA下降沿起始信号

开始传递信息之后(传递完起始信号之后)

SDA 高 - 逻辑1

SDA低 - 逻辑0

给出一组数据样例

SDA上升沿 - 停止信号

读写数据帧