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[導讀]在單片機開發(fā)中,UART、I2C、RS485等普遍在用,對它們的認識可能模棱兩可,本文把它們整理了一下。溫馨提示:本文較長,建議收藏起來慢慢看。UART通用異步收發(fā)器UART口指的是一種物理接口形式(硬件)。UART是異步,全雙工串口總線。它比同步串口復雜很多。有兩根線,一根TX...

最全總線總結(jié):UART、I2C、SPI、TTL、RS232、RS422、RS485、CAN、USB、SD卡、1-WIRE等


在單片機開發(fā)中,UART、I2C、RS485等普遍在用,對它們的認識可能模棱兩可,本文把它們整理了一下。


溫馨提示:本文較長,建議收藏起來慢慢看。


UART通用異步收發(fā)器


UART口指的是一種物理接口形式(硬件)。


最全總線總結(jié):UART、I2C、SPI、TTL、RS232、RS422、RS485、CAN、USB、SD卡、1-WIRE等


UART是異步,全雙工串口總線。它比同步串口復雜很多。有兩根線,一根TXD用于發(fā)送,一根RXD用于接收。


UART的串行數(shù)據(jù)傳輸不需要使用時鐘信號來同步傳輸,而是依賴于發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備之間預(yù)定義的配置。


對于發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備來說,兩者的串行通信配置應(yīng)該設(shè)置為完全相同。


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起始位:表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始,電平邏輯為“0” 。


數(shù)據(jù)位:可能值有5、6、7、8、9,表示傳輸這幾個bit 位數(shù)據(jù)。一般取值為8,因為一個ASCII 字符值為8 位。


奇偶校驗位:用于接收方對接收到的數(shù)據(jù)進行校驗,校驗“1” 的位數(shù)為偶數(shù)(偶校驗) 或奇數(shù)(奇校驗),以此來校驗數(shù)據(jù)傳送的正確性,使用時不需要此位也可以。


停止位:表示一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束。電平邏輯為“1”。


如果用通用IO口模擬UART總線,則需一個輸入口,一個輸出口。


I2C總線


I2C總線是一種同步、半雙工雙向的兩線式串口總線。它由兩條總線組成:串行時鐘線SCL和串行數(shù)據(jù)線SDA。


SCL線——負責產(chǎn)生同步時鐘脈沖。


SDA線——負責在設(shè)備間傳輸串行數(shù)據(jù)。


該總線可以將多個I2C設(shè)備連接到該系統(tǒng)上。連接到I2C總線上的設(shè)備既可以用作主設(shè)備,也可以用作從設(shè)備。


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主設(shè)備負責控制通信,通過對數(shù)據(jù)傳輸進行初始化,來發(fā)送數(shù)據(jù)并產(chǎn)生所需的同步時鐘脈沖。從設(shè)備則是等待來自主設(shè)備的命令,并響應(yīng)命令接收。


主設(shè)備和從設(shè)備都可以作為發(fā)送設(shè)備或接收設(shè)備。無論主設(shè)備是作為發(fā)送設(shè)備還是接收設(shè)備,同步時鐘信號都只能由主設(shè)備產(chǎn)生。


如果用通用IO口模擬I2C總線,并實現(xiàn)雙向傳輸,則需一個輸入輸出口(SDA),另外還需一個輸出口(SCL)。


SPI串行外設(shè)接口


SPI總線是同步、全雙工雙向的4線式串行接口總線。它是由“單個主設(shè)備 多個從設(shè)備”構(gòu)成的系統(tǒng)。


在系統(tǒng)中,只要任意時刻只有一個主設(shè)備是處于激活狀態(tài)的,就可以存在多個SPI主設(shè)備。常運用于AD轉(zhuǎn)換器、EEPROM、FLASH、實時時鐘、數(shù)字信號處理器和數(shù)字信號解碼器之間實現(xiàn)通信。


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為了實現(xiàn)通信,SPI共有4條信號線,分別是:


  • 主設(shè)備出、從設(shè)備入(Master Out Slave In,MOSI):由主設(shè)備向從設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的信號線,也稱為從設(shè)備輸入(Slave Input/Slave Data In,SI/SDI)。

  • 主設(shè)備入、從設(shè)備出(Master In Slave Out,MISO):由從設(shè)備向主設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的信號線,也稱為從設(shè)備輸出(Slave Output/Slave Data Out,SO/SDO)。

  • 串行時鐘(Serial Clock,SCLK):傳輸時鐘信號的信號線。

  • 從設(shè)備選擇(Slave Select,SS):用于選擇從設(shè)備的信號線,低電平有效。

  • SPI 的工作時序模式由CPOL(Clock Polarity,時鐘極性)和CPHA(Clock Phase,時鐘相位)之間的相位關(guān)系決定,CPOL 表示時鐘信號的初始電平的狀態(tài),CPOL 為0 表示時鐘信號初始狀態(tài)為低電平,為1 表示時鐘信號的初始電平是高電平。CPHA 表示在哪個時鐘沿采樣數(shù)據(jù),CPHA 為0 表示在首個時鐘變化沿采樣數(shù)據(jù),而CPHA 為1 則表示在第二個時鐘變化沿采樣數(shù)據(jù)。


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UART、SPI、I2C比較


  • I2C線更少,比UART、SPI更為強大,但是技術(shù)上也更加麻煩些,因為I2C需要有雙向IO的支持,而且使用上拉電阻,抗干擾能力較弱,一般用于同一板卡上芯片之間的通信,較少用于遠距離通信。

  • SPI實現(xiàn)要簡單一些,UART需要固定的波特率,就是說兩位數(shù)據(jù)的間隔要相等,而SPI則無所謂,因為它是有時鐘的協(xié)議。

  • I2C的速度比SPI慢一點,協(xié)議比SPI復雜一點,但是連線也比標準的SPI要少。

  • UART一幀可以傳5/6/7/8位,I2C必須是8位。I2C和SPI都從最高位開始傳。

  • SPI用片選信號選擇從機,I2C用地址選擇從機。


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RS232串口通信


傳輸線有兩根,地線一根。電平是負邏輯:-3V~-15V邏輯“1”, 3V~ 15V邏輯“0”。


RS-232串口通信傳輸距離15米左右??勺龅诫p向傳輸,全雙工通訊,傳輸速率低20kbps 。


下圖是DB9公頭和母頭的定義,一般用的最多的是RXD、TXD、GND三個信號。


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TTL和RS-232互轉(zhuǎn)


單片機接口一般是TTL電平,如果接232電平的外設(shè),就需要加TTL轉(zhuǎn)RS232的模塊。如下圖,可用芯片MAX232進行轉(zhuǎn)換。


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RS422串口通信


RS-422有4根信號線:兩根發(fā)送、兩根接收和一根地線,是全雙工通信。


它有一個主設(shè)備,其余為從設(shè)備,從設(shè)備之間不能通信,所以RS-422支持點對多的雙向通信。


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RS485串口通信


RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收,因此具有抑制共模干擾的能力。


采用兩線半雙工傳輸,最大速率10Mb/s,電平邏輯是兩線的電平差來決定的,提高抗干擾能力,傳輸距離長(幾十米到上千米)。


2V~ 6V邏輯“1”,-2~-6V邏輯“0”。


TTL轉(zhuǎn)成RS-485很常見,比如MAX485,參考電路如下:


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RE引腳:接收器輸出使能(低電平有效)。


DE引腳:發(fā)送器輸出使能(高電平有效)??梢灾苯油ㄟ^MCU的IO端口控制。


TTL


嵌入式里面說的串口,一般是指UART口。4個pin(Vcc,GND,RX,TX),用TTL電平。


PC中的COM口即串行通訊端口,簡稱串口。9個Pin,用RS232電平。


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串口、COM口是指物理接口形式(硬件);而TTL、RS-232、RS-485是指電平標準(電信號)。


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單片機與PC通訊示意圖如下:


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CAN總線


CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)的簡稱,是一種能夠?qū)崿F(xiàn)分布式實時控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN總線的功能復雜且智能。主要用于汽車通信。


CAN總線網(wǎng)絡(luò)主要掛在CAN_H和CAN_L,各個節(jié)點通過這兩條線實現(xiàn)信號的串行差分傳輸,為了避免信號的反射和干擾,還需要在CAN_H和CAN_L之間接上120歐姆的終端電阻。


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每一個設(shè)備既可做主設(shè)備也可做從設(shè)備。CAN總線的通信距離可達10千米(速率低于5Kbps),速度可達1Mbps(通信距離小于40M)。


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CAN電平邏輯


CAN總線采用"線與"的規(guī)則進行總線沖裁,1
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