單片機開發中UART、I2C、RS485接口總線解析

在單片機開發中，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。本文較長，閱讀時間大約10分鐘。

UART通用異步收發器 ???

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TXD用于發送，一根RXD用于接收。 ??? UART的串行數據傳輸不需要使用時鐘信號來同步傳輸，而是依賴于發送設備和接收設備之間預定義的配置。 ????對于發送設備和接收設備來說，兩者的串行通信配置應該設置為完全相同。

????起始位：表示數據傳輸的開始，電平邏輯為“0” 。 ????數據位：可能值有5、6、7、8、9，表示傳輸這幾個bit 位數據。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據進行校驗，校驗“1” 的位數為偶數(偶校驗) 或奇數(奇校驗)，以此來校驗數據傳送的正確性，使用時不需要此位也可以。 ????停止位：表示一幀數據的結束。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和串行數據線SDA。 ??? SCL線——負責產生同步時鐘脈沖。 ??? SDA線——負責在設備間傳輸串行數據。 ????該總線可以將多個I2C設備連接到該系統上。連接到I2C總線上的設備既可以用作主設備，也可以用作從設備。

????主設備負責控制通信，通過對數據傳輸進行初始化，來發送數據并產生所需的同步時鐘脈沖。從設備則是等待來自主設備的命令，并響應命令接收。 ????主設備和從設備都可以作為發送設備或接收設備。無論主設備是作為發送設備還是接收設備，同步時鐘信號都只能由主設備產生。 ????如果用通用IO口模擬I2C總線，并實現雙向傳輸，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“單個主設備+多個從設備”構成的系統。 ????在系統中，只要任意時刻只有一個主設備是處于激活狀態的，就可以存在多個SPI主設備。常運用于AD 轉換器、EEPROM、FLASH、實時時鐘、數字信號處理器和數字信號解碼器之間實現通信。

????為了實現通信，SPI共有4條信號線，分別是：

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

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

串行時鐘（Serial Clock，SCLK）：傳輸時鐘信號的信號線。

從設備選擇（Slave Select，SS）：用于選擇從設備的信號線，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）之間的相位關系決定，CPOL ? ? ?表示時鐘信號的初始電平的狀態，CPOL 為0 表示時鐘信號初始狀態為低電平，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據，CPHA 為0 表示在首個時鐘變化沿采樣數據，而CPHA 為1 則表示在第二個時鐘變化沿采樣數據。

UART、SPI、I2C比較

I2C線更少，比UART、SPI更為強大，但是技術上也更加麻煩些，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實現要簡單一些，UART需要固定的波特率，就是說兩位數據的間隔要相等，而SPI則無所謂，因為它是有時鐘的協議。

I2C的速度比SPI慢一點，協議比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。

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。可做到雙向傳輸，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。

????TTL和RS-232互轉 ????

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

RS422串口通信 ???

RS-422有4根信號線：兩根發送、兩根接收和一根地線，是全雙工通信。 ????它有一個主設備，其余為從設備，從設備之間不能通信，所以RS-422支持點對多的雙向通信。

RS485串口通信 ???

RS-485采用平衡發送和差分接收，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轉成RS-485很常見，比如MAX485，參考電路如下

??? RE引腳：接收器輸出使能（低電平有效）。 ??? DE引腳：發送器輸出使能（高電平有效）。可以直接通過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。

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

????單片機與PC通訊示意圖如下：

CAN總線 ???

CAN是控制器局域網絡的簡稱，是一種能夠實現分布式實時控制的串行通信網絡。CAN總線的功能復雜且智能。主要用于汽車通信。 ????CAN總線網絡主要掛在CAN_H和CAN_L，各個節點通過這兩條線實現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。

????每一個設備既可做主設備也可做從設備。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）。

? CAN電平邏輯 ???

CAN總線采用"線與"的規則進行總線沖裁，1&0為0，所以稱0為顯性，1為隱性。 ????從電位上看，因為規定高電位為0，低電位為1，同時發出信號時實際呈現為高電位，從現象上看就像0覆蓋了1，所以稱0為顯性，1為隱性。

USB通信串行總線 ???

USB接口最少有四根線，其中有兩根是數據線，而所有的USB數據傳輸都是通過這兩根線完成。它的通信遠比串口復雜的多。 ????兩根數據線采用差分傳輸，即需要兩根數據線配合才能傳輸一個bit，因此是半雙工通信，同一時間只能發送或者接收。 ??? USB 規定，如果電壓電平不變，代表邏輯1；如果電壓電平變化，則代表邏輯0。

USB轉TTL ????

一般USB轉串口都是用CH340G芯片。

????用串口通信比USB簡單，因為串口通信沒有協議。

SD卡

?? SD卡是一種存儲卡，可用于手機作為內存卡使用。 ????嵌入式中，單片機與SD卡通信有兩種模式：

SPI總線通信模式

SD總線通信模式

????值得注意的是，SD總線模式中有4條數據線；SPI總線模式中僅有一條數據線（MOSI和MISO不能同時讀數據，也不能同時寫數據）；這樣在嵌入式中，單片機與SD卡通信時采用SD總線模式比SPI總線模式速度快幾倍。

1-WIRE總線 ??? 1-Wire由美國Dallas(達拉斯)公司推出，是一種異步半雙工串行傳輸。采用單根信號線，既傳輸時鐘又傳輸數據，而且數據傳輸是雙向的。

????單總線的數據傳輸速率一般為16.3Kbit/s，最大可達142 Kbit/s，通常情況下采用100Kbit/s以下的速率傳輸數據。 ??? 1-Wire線端口為漏極開路或三態門的端口，因此一般需要加上拉電阻Rp，通常選用5K~10KΩ ????主要應用在：打印墨盒或醫療消耗品的識別；印刷電路板、配件及外設的識別和認證。

DMA直接存儲器訪問

?? DMA是STM32內的一個硬件模塊，它獨立于CPU，在外圍設備和內存之間進行數據傳輸，解放了CPU，可使CPU的效率大大提高。

????它可以高速訪問外設、內存，傳輸不受CPU的控制，并且是雙向通信。因此，使用DMA可以大大提高數據傳輸速度，這也是ARM架構的一個亮點——DMA總線控制。 ??? DMA就相應于一條高速公路，專用、高速的特性。如果不使用DMA，也可以達到目的，只是達到目的的時間比較長。

Ethernet 以太網

???以太網是目前應用最普遍的局域網技術。 ????大家知道，以太網接口可分為協議層和物理層。 ????協議層是由一個叫MAC(Media Access Layer)控制器的單一模塊實現。 ????物理層由兩部分組成，即PHY(Physical Layer)和傳輸器。 ????目前很多主板的南橋芯片已包含了以太網MAC控制功能，只是未提供物理層接口。因此，需外接PHY芯片以提供以太網的接入通道。