通信协议UARTRS232RS485I2CSPICAN

Posted 2022-03-24 XXX_UUU_XXX

单工通信

只能发送器给接收器发送数据

双工通信

发送器可以给接收器发送数据，接收器也可以给发送器发送数据。

半双工：不能同时进行，发送和接收共用一根线。

全双工：同时进行，发送和接收各一根线。

数据用二进制方式0和1传输，高电平1，低电平0。

并行通信

（通天大道）

多根线一次性同时发送数据（每一根线发送一位数据）。

并行通信缺点：浪费资源，布线困难。

串行通信

（独木桥）

一根线逐个发送数据。

串行通信有SUBS、PPM、JTAG、UART、I2C、SPI、CAN、MIDI、USB、RS232等。

串行通信又分为同步和异步

UART（通用异步收发器）

• 全双工、异步
• TX发送端、RX接收端

UART空闲状态通常保持在高电平，起始位给一个低电平，然后读取数据，停止位给一个高电平

• 起始位：1位低电平（先打招呼）
• 数据位：5/6/7/8位，先发低位，后发高位（再发信息）每次最大发送8位，防止累计误差产生
• 校验位：校验数据正确性，降低但不可消除误码率，可有可无。奇偶校验数据中奇偶个数
• 停止位：1/1.5/2位高电平

码元：一个二进制数

波特率：每秒传输码元的数量，单位bps（bit per second）

UART存在问题

• 电气接口不统一。只对信号时序进行定义，未定义接口的电气特性。UART每个设备连接器标准不同；UART使用TTL电平不同处理器电平存在差异，可能51是0/5v，STM32是0/3.3v。
• 抗干扰能力差。TTL信号抗干扰能力差，数据在传输过程中容易出错
• 通信距离极短。

RS232

• 全双工
• TXD、RXD、GND
• RS232采用标准的连接器，并对连接器的每个引脚作用和电平做了规定，通信距离标准15m，实际可达25m。
• 连接器一般使用9根线DB-9，工业领域RS232连接器只使用TXD、RXD、GND三根线。
• 逻辑“1”的电平为-5v到-15v，逻辑“0”的电平为+5v到+15v。
• 处理器产生的信号一般都是TTL电平，需要232芯片做电平转换。
• 在软件编程方面和UART一样，只是在电气特性方面改进了信号强度。
• 一对一通信。

RS232存在问题

• 连接器电平较高容易损坏接口电路的芯片；与TTL电平不兼容，需要电平转换芯片做电平转换才能与TTL电路连接
• 通信速度低，最高波特率为19200bps
• 易产生共模干扰，抗噪声干扰能力弱
• 传输距离短

RS485

• 半双工
• 正线、负线
• 能在远距离和电子噪声大的环境下有效的传输信号，通信距离标准120m，实际可达3000m。
• 可以连接多个收发器，具有多站能力，485总线上可连接128个收发器。
• 485采用两线制，两根数据线是缠绕在一起的，接线方式为总线式拓扑结构，同一总线上可以同时存在多个节点。
• 采用差分信号（使用两根线上的电压差比较）进行数据传输，两根线间的电压差为+2v到+6v表示逻辑“1”，两根线间的电压差为-2v到-6v表示逻辑“0”。
• 需要电平转换芯片做电平转换，把TTL信号转换为差分信号。软件编程基于串口，但是不同同时发送和接收。

RS485优点

• 通信速度快，数据最高传输速率为10Mbps
• 抗干扰能力强
• 通信距离远
• 可实现多节点组网
• 接口电平电压低，不易损坏接口电路芯片

RS485缺点

如果在485网络中有一个设备出现问题，可能会导致整个网络通信发送错误

I2C

• 半双工、同步
• SDA传输数据线用于收发数据、SDL时钟线用于通信双方时钟同步
• 抗干扰能力差、近距离、低速，主要用于电路板上芯片数据交互。
• I2C为多主机总线，连接I2C总线上的器件分为主机和从机，只能主机发起和结束一次通信，从机只能被主机呼叫。
• 每个连接在I2C总线上的器件都有唯一地址（7位），每个器件可以作为主机也可以作为从机，但同一时刻只能有一个主机。
• 当总线上有多个主机同时启用总线时，I2C具备冲突检测和仲裁功能防止错误产生。
• 总线上器件的增加和删除不影响其他器件。
• 总线上发送数据的器件为发送器，接收数据的器件为接收器。时钟频率和数据的每一位是对应的。

起始信号和停止信号

• 起始信号：SCL高电平，SDA由高变低电平，总线为占用状态，通知接收器什么时候接收数据
• 停止信号：SCL高电平，SDA由低变高电平，总线为空闲状态，发送器不想发送或接收器不想接收时，主机发送停止信号

通信过程

1. 主机发送起始信号启用总线，总线被主机A占用，其他主机停用总线
2. 主机A发送一个字节的数据指明从机地址（高7位）和后续字节的传送方向（最低1位，0主机发；1主机收。0主机->从机，1从机->主机）（发送器和接收器是传送方向上的主机或从机）
3. 被寻址的从机发送应答信号回应主机A（总线上所有从机将第一个字节的高7位从机地址与自己地址比较）
4. 发送器发送一个字节数据（第一个字节最后一位=0,发送器为主机，接收器为从机，同理最后一位=1，发送器是从机，接收器是主机）
5. 接收器发送应答信号回应发送器
6. 循环步骤4，5（数据发送过程中不允许改变通信方向）
7. 通信完成，主机发送停止信号释放总线，其他主机可以启用总线

I2C通信时，每个字节长度8位，先传输最高位，后传输低位，发送器发送完一个字节8位数据后，接收器必须发送1位应答位（低电平）回应

发送器和接收器要同步信号

• SCL为低电平期间，发送器向数据线上发送1位数据，数据线上的信号允许发生变化（SDA变化）
• SCL为高电平期间，接收器从数据线上接收1位数据，数据线上的信号不允许发生变化，必须保持稳定（SDA不变）

I2C时序

主机向从机发送数据（黄色主机发，蓝色从机发）

从机向主机发送数据（黄色主机发，蓝色从机发）

主机先向从机发送数据，不发送停止信号，然后从机再向主机发送数据（黄色主机发，蓝色从机发）

SPI

• 全双工、同步
• 时钟线SCLK、主出从入MOSI、主入从出MISO、片选信号CS（chip select）（可能有多根CS线）
• 主从方式工作，一个主机和一个或多个从机
• 高速（速度大于I2C）、低功耗、适合短距离传输

寻址方式

• SPI没有从机地址
• 主机和某个从机通信时，主机向片选线上发送使信号（高或低电平，根据从机设备管脚符号定，CS上面有横线表示低电平有效）表示选中该从机设备。

通信过程  

1. 数据通信，先传输高位，后传输低位
2. 高电平表示逻辑“1”，低电平表示逻辑“0”
3. 没有起始信号和停止信号，一个字节传输完成后无需应答信号，即可开始下一个字节的传输
4. 时钟线在上升沿或下降沿时，发送器向数据线上发送数据，在紧接着的下降沿或上升沿时，接收器从数据线上读取数据，完成1位数据传输，8个时钟周期即可完成一个字节数据的传输

极性和相位

为保证主机和从机设备的工作模式（查芯片手册）一致，需要对主机的CPOL和CPHA进行设置

SPI有四种不同工作模式，取决于极性（CPOL）和相位（CPHL）

• CPOL=0，CPHA=0
• CPOL=0，CPHA=1
• CPOL=1，CPHA=0
• CPOL=1，CPHA=1

CPOL表示SCLK空闲时状态

• CPOL=0，空闲时SCLK为低电平
• CPOL=1，空闲时SCLK为高电平

CPHA表示采样时刻

• CPHA=0，每个周期的第一个时钟沿采样
• CPHA=1，每个周期的第二个时钟沿采样

I2C和SPI异同点

相同点

• 串行、同步
• 采用TTL电平，传输距离近
• 采用主从方式（I2C一个或多个主机和一个或多个从机；SPI一个主机和一个或多个从机）

不同点

• IIC半双工；SPI全双工
• IIC有应答机制；SPI无应答机制
• IIC通过向总线广播从机地址来寻址（节省硬件资源）；SPI通过向对应从机发送使能信号来寻址（寻址速度快）
• IIC时钟极性和时钟相位固定；SPI时钟极性和时钟相位不固定（主从一致）

CAN

半双工、异步

两根线

差分信号

显性电平逻辑“0”，隐形电平逻辑“1”

CAN总线可以挂载多个节点，每个节点可以作为主机发送数据，

物理层：CAN位填充消除累计误差，在连续5个电平相同的时候，会插入一个反转电平，例如连续五个高电平就会插入一个低电平

数据链路层：帧头起到同步作用，仲裁段起到防冲突作用，控制段，数据段，校验段，应答段

CAN优点

• 低成本
• 集中化
• 稳定
• 高效，CAN基于标识符进行优先排列，能让最高优先级标识符免于中断
• 灵活
• 具有自锁功能，如果某个设备出现故障，会自锁不影响总线网络
• 方便维护