关于12种总线接口的总结

本文总结了12种总线接口：UART、I2C、SPI、TTL、RS232、RS422、RS485、CAN、USB、SD卡、1-WIRE、Ethernet。文章有点长，建议先收藏，需要的时候再拿出来看。  01 UART通用异步收发器  UART口指的是一种物理接口形式(硬件)。  

  UART是异步，全双工串口总线。它比同步串口复杂很多。有两根线，一根TXD用于发送，一根RXD用于接收。   UART的串行数据传输不需要使用时钟信号来同步传输，而是依赖于发送设备和接收设备之间预定义的配置。   对于发送设备和接收设备来说，两者的串行通信配置应该设置为完全相同。  

  起始位：表示数据传输的开始，电平为“0” 。   数据位：可能值有5、6、7、8、9，表示传输这几个bit 位数据。一般取值为8，因为一个ASCII 字符值为8 位。   奇偶校验位：用于接收方对接收到的数据进行校验，校验“1” 的位数为偶数(偶校验) 或奇数(奇校验)，以此来校验数据传送的正确性，使用时不需要此位也可以。   停止位：表示一帧数据的结束。电平逻辑为“1”。   如果用通用IO口模拟UART总线，则需一个输入口，一个输出口。  02 I2C总线  I2C总线是一种同步、半双工双向的两线式串口总线。它由两条总线组成：串行时钟线SCL和串行数据线SDA。     SCL线—负责产生同步时钟脉冲。   SDA线—负责在设备间传输串行数据。   该总线可以将多个I2C设备连接到该系统上。连接到I2C总线上的设备既可以用作主设备，也可以用作从设备。  

  主设备负责控制通信，通过对数据传输进行初始化，来发送数据并产生所需的同步时钟脉冲。从设备则是等待来自主设备的命令，并响应命令接收。   主设备和从设备都可以作为发送设备或接收设备。无论主设备是作为发送设备还是接收设备，同步时钟信号都只能由主设备产生。   如果用通用IO口模拟I2C总线，并实现双向传输，则需一个输入输出口(SDA)，另外还需一个输出口(SCL)。  03 SPI串行总线  SPI总线是同步、全双工双向的4线式串行接口总线。它是由“单个主设备+多个从设备”构成的系统。   在系统中，只要任意时刻只有一个主设备是处于激活状态的，就可以存在多个SPI主设备。常运用于AD转换器、EEPROM、FLASH、实时时钟、数字信号处理器和数字信号解码器之间实现通信。   为了实现通信，SPI共有4条信号线，分别是：  

  (1)主设备出、从设备入（Master Out Slave In，MOSI）：由主设备向从设备传输数据的信号线，也称为从设备输入（Slave Input/Slave Data In，SI/SDI）。   (2)主设备入、从设备出（Master In Slave Out，MISO）：由从设备向主设备传输数据的信号线，也称为从设备输出（Slave Output/Slave Data Out，SO/SDO）。   (3)串行时钟（Serial Clock，SCLK）：传输时钟信号的信号线。   (4)从设备选择（Slave Select，SS）：用于选择从设备的信号线，低电平有效。   SPI 的工作时序模式由CPOL（Clock Polarity，时钟极性）和CPHA（Clock Phase，时钟相位）之间的相位关系决定，CPOL 表示时钟信号的初始电平的状态，CPOL 为0 表示时钟信号初始状态为低电平，为1 表示时钟信号的初始电平是高电平。CPHA 表示在哪个时钟沿采样数据，CPHA 为0 表示在首个时钟变化沿采样数据，而CPHA 为1 则表示在第二个时钟变化沿采样数据。  

 04 RS232串口  传输线有两根，地线一根。电平是负逻辑：   -3V~-15V逻辑“1”，+3V~+15V逻辑“0”。   RS-232串口通信传输距离15米左右。可做到双向传输，全双工通讯，传输速率低20kbps 。   下图是DB9公头和母头的定义，一般用的最多的是RXD、TXD、GND三个信号。  

  TTL和RS-232互转：单片机接口一般是TTL电平，如果接232电平的外设，就需要加TTL转RS232的模块。如下图，可用芯片MAX232进行转换。    

 05 RS422串口  RS-422有4根信号线：两根发送、两根接收和一根地线。全双工通信。   它有一个主设备，其余为从设备，从设备之间不能通信，所以RS-422支持点对多的双向通信。

 06 RS485串口  RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。   采用两线半双工传输，最大速率10Mb/s，电平逻辑是两线的电平差来决定的，提高抗干扰能力，传输距离长(几十米到上千米)。   +2V~+6V逻辑“1”，-2~-6V逻辑“0”。   TTL转成RS-485很常见，比如MAX485，参考电路如下。  

  RE引脚：接收器输出使能（低电平有效）。   DE引脚：发送器输出使能（高电平有效）。可以直接通过MCU的IO端口控制。  07 TTL  嵌入式里面说的串口，一般是指UART口。4个pin（Vcc,GND,RX,TX），用TTL电平。   PC中的COM口即串行通讯端口，简称串口。9个Pin，用RS232电平。  

  串口、COM口是指的物理接口形式(硬件)。而TTL、RS-232、RS-485是指的电平标准(电信号)。  

  单片机与PC通讯示意图如下：  

 08 CAN总线  CAN是控制器局域网络的简称，是一种能够实现分布式实时控制的串行通信网络。CAN总线的功能复杂且智能。主要用于汽车通信。   CAN总线网络主要挂在CAN_H和CAN_L，各个节点通过这两条线实现信号的串行差分传输，为了避免信号的反射和干扰，还需要在CAN_H和CAN_L之间接上120欧姆的终端电阻。  

每一个设备既可做主设备也可做从设备。CAN总线的通信距离可达10千米（速率低于5Kbps），速度可达1Mbps（通信距离小于40M）。    

  CAN电平逻辑：CAN总线采用"线与"的规则进行总线冲裁，1&0为0，所以称0为显性，1为隐性。   从电位上看，因为规定高电位为0，低电位为1，同时发出信号时实际呈现为高电位，从现象上看就像0覆盖了1，所以称0为显性，1为隐性。  

 09 USB  USB接口最少有四根线，其中有两根是数据线，而所有的USB数据传输都是通过这两根线完成。它的通信远比串口复杂的多。   两根数据线采用差分传输，即需要两根数据线配合才能传输一个bit，因此是半双工通信，同一时间只能发送或者接收。   USB 规定，如果电压电平不变，代表逻辑1；如果电压电平变化，则代表逻辑0。

10 SD卡接口  SD卡是一种存储卡，可用于手机作为内存卡使用。   嵌入式中，单片机与SD卡通信有两种模式： 1. SPI总线通信模式； 2. SD总线通信模式。  

  值得注意的是，SD总线模式中有4条数据线；SPI总线模式中仅有一条数据线（MOSI和MISO不能同时读数据，也不能同时写数据）；这样在嵌入式中，单片机与SD卡通信时采用SD总线模式比SPI总线模式速度快几倍。      11 1-WIRE总线  1-Wire由美国Dallas(达拉斯)公司推出，是一种异步半双工串行传输。采用单根信号线，既传输时钟又传输数据，而且数据传输是双向的。  

  单总线的数据传输速率一般为16.3Kbit/s，最大可达142 Kbit/s，通常情况下采用100Kbit/s以下的速率传输数据。   1-Wire线端口为漏极开路构或三态门的端口，因此一般需要加上拉电阻Rp，通常选用5K~10KΩ   主要应用在：打印墨盒或医疗消耗品的识别；印刷电路板、配件及外设的识别和认证。  12 Ethernet  以太网是目前应用最普遍的局域网技术。大家知道，以太网接口可分为协议层和物理层。协议层是由一个叫MAC(Media Access Layer)控制器的单一模块实现。物理层由两部分组成，即PHY(Physical Layer)和传输器。   目前很多主板的南桥芯片已包含了以太网MAC控制功能，只是未提供物理层接口。因此，需外接PHY芯片以提供以太网的接入通道。    

  网络变压器的作用是：耦合差分信号，抗干扰能力更强；变压器隔离网线端不同设备的不同电平，隔离直流信号。

审核编辑 ：李倩