单片机开发中UART、I2C、RS485接口总线解析

在单片机开发中，UART、I2C、RS485等普遍在用，对它们的认识可能模棱两可，本文把它们整理了一下。本文较长，阅读时间大约10分钟。

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，电平逻辑为“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。

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)。

SPI串行外设接口

    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：

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）。

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）。

串行时钟（Serial Clock，SCLK）：传输时钟信号的信号线。

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。

UART、SPI、I2C比较

I2C线更少，比UART、SPI更为强大，但是技术上也更加麻烦些，因为I2C需要有双向IO的支持，而且使用上拉电阻，抗干扰能力较弱，一般用于同一板卡上芯片之间的通信，较少用于远距离通信。

SPI实现要简单一些，UART需要固定的波特率，就是说两位数据的间隔要相等，而SPI则无所谓，因为它是有时钟的协议。

I2C的速度比SPI慢一点，协议比SPI复杂一点，但是连线也比标准的SPI要少。

UART一帧可以传5/6/7/8位，I2C必须是8位。I2C和SPI都从最高位开始传。

SPI用片选信号选择从机，I2C用地址选择从机。

RS232串口通信     

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。

RS422串口通信    

RS-422有4根信号线：两根发送、两根接收和一根地线，是全双工通信。     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。

RS485串口通信    

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。 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是指电平标准(电信号)。

    单片机与PC通讯示意图如下：

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。

USB通信串行总线    

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。

USB转TTL     

一般USB转串口都是用CH340G芯片。

    用串口通信比USB简单，因为串口通信没有协议。

SD卡

   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：

SPI总线通信模式

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。

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。

DMA直接存储器访问

   DMA是STM32内的一个硬件模块，它独立于CPU，在外围设备和内存之间进行数据传输，解放了CPU，可使CPU的效率大大提高。

    它可以高速访问外设、内存，传输不受CPU的控制，并且是双向通信。因此，使用DMA可以大大提高数据传输速度，这也是ARM架构的一个亮点——DMA总线控制。     DMA就相应于一条高速公路，专用、高速的特性。如果不使用DMA，也可以达到目的，只是达到目的的时间比较长。

Ethernet以太网

   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

以太网接口参考电路，如下图所示。

编辑：黄飞