通信教程 | 常见串行通信基础原理

Posted 2022-02-18 strongerHuang

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为什么要讲述串行通信呢？因为现在并行通信相对很少见，基本上都是串行通信。

今天给大家概要讲述一下常见的串行通信及相关基础原理，包含：UART、 I²C、 SPI、 CAN、 USB等。

1基本概念

UART

UART：Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器。

USART：Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，通用同步/异步串行接收/发送器。

USART可以理解为UART和USRT二合一的通信接口，一个是同步通信，一个是异步通信。

I²C

I²C：Inter-Integrated Circuit，字面上的意思是集成电路之间，它其实是I²C Bus简称，所以中文应该叫集成电路总线，它是一种串行通信总线。

SPI

SPI：Serial Peripheral Interface，串行外设接口，是一种高速的，全双工，同步的通信总线。

QSPI是Queued SPI的简写，是Motorola公司推出的SPI接口的扩展，比SPI应用更加广泛。

QSPI是在SPI协议的基础上，对其增加了队列传输机制，传输过程不需要CPU干预，极大的提高了传输效率。

CAN

CAN：Controller Area Network，控制器局域网络。

CAN 总线是一种应用广泛的现场总线 ,在工业测控和工业自动化等领域有很大的应用前景。

USB

USB：Universal Serial Bus，通用串行总线。

USB是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯，是应用在PC领域的接口技术。

2通信原理

这几种常见串行方式基础的通信原理不难，网上教程也有很多，这里给大家整合一下。

UART

UART通信一般是3线，当然也有单线半双工模式。

UART连接方式：

UART通信数据格式：

这一节详细更多内容请参看《通信教程01》中串行通信章节。

I²C

I²C是串行同步通信方式，一般是2线（SDA数据线、SCL时钟线），一主多从的通信方式。

I2C连线方式：

SDA（串行数据线）和SCL（串行时钟线）都是双向I/O线，接口电路为开漏输出．需通过上拉电阻接电源VCC。当总线空闲时．两根线都是高电平，连接总线的外同器件都是CMOS器件，输出级也是开漏电路．在总线上消耗的电流很小。

I2C一般是地址+数据+ACK方式，基础的数据格式：

SPI

SPI应用非常广泛，通常用于在微控制器和小型外设（如移位寄存器，传感器和SD卡）之间发送数据的接口总线。

SPI通信主要使用3线（SCK、MOSI、MISO）进行通信：

但是SPI也用于多从机通信，此时，会多处一个CS片选信号线。

多从机接线方式：

当然，还有类似I2C多从机，通过寻址方式实现：

SPI通信协议比I2C要简单的多，没有过多的数据处理。

CAN

CAN通信是相对前面3种更复杂的一种局域网络，不管是硬件，还是软件协议都更加复杂。

这里不详细讲述，可以关注公众号回复【CANOpen系列教程】，里面有关于CAN从底层硬件、协议、到上层软件的详细内容。

USB

USB是生活中常见的一种串行通信接口，主要4线（D+ D- VCC GND）：

USB设备端的D-或D+数据线连接1.5K欧姆的上拉电阻。当设备插入PC机的时候，会将PC机的D-或D+端的电压拉高，当PC机在D-或D+端检测到高电平时，就知道有设备插入了。

如果是PC机D-端被拉高，接入的则是USB低速设备；如果是PC机D+端被拉高，接入的则是USB全速或高速设备，具体是全速设备还是高速设备，会由PC机和USB设备发包握手确定。

USB传输速度有：低速1.5Mbps(USB1.0协议)、全速12Mbps(USB1.1协议)、高速480Mbps(USB2.0协议)、超高速5Gbps(USB3.0协议)等。

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