在嵌入式系统设备中，根据通信的距离、速度、复杂性和应用场景，存在多种重要的通信协议。以下是一些最常见的类别和协议：

一、 板级/片间通信协议 (主要用于芯片之间、模块之间，距离短)

1. SPI (Serial Peripheral Interface):

   • 特点: 高速、全双工、同步串行通信。
   • 连接: 主从结构 (一个主设备，一个或多个从设备)。使用4线：SCLK (时钟)、MOSI (主出从入)、MISO (主入从出)、SS/CS (片选)。
   • 应用: 连接Flash存储器、SD卡、传感器（如气压计、加速度计）、显示屏控制器等需要较高带宽的设备。

2. I²C (Inter-Integrated Circuit, I2C, IIC):

   • 特点: 中低速、半双工、同步串行通信。使用多主多从总线结构。
   • 连接: 仅需两根线：SDA (数据线) 和 SCL (时钟线)。通过设备地址寻址。
   • 应用: 连接EEPROM、实时时钟、温度传感器、IO扩展芯片、低速ADC/DAC等，适用于节省引脚且数据量不特别大的场景。

3. UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter):

   • 特点: 通用异步串行通信。不需要时钟线，依靠双方事先约定的波特率工作。
   • 连接: 通常两线：TX (发送) 和 RX (接收)。点对点通信（一对一）。
   • 应用: 调试输出、连接PC串口（通过USB转串口）、与具有串行接口的GPS模块/蓝牙模块/其他MCU通信等。是基础的“串口”通信。

二、 系统内/设备间通信协议 (距离稍长，常用于板卡、设备之间)

4. 1-Wire:

   • 特点: 低速、单线通信（数据和电源有时可复用）。结构简单，成本低。
   • 连接: 只需要一根信号线（通常还需要地线），可通过寄生供电减少线缆。
   • 应用: 连接温度传感器（如DS18B20）、EEPROM、身份认证芯片等。

5. CAN (Controller Area Network):

   • 特点: 最初为汽车设计，高可靠性、抗干扰能力强、多主仲裁机制。差分信号传输。
   • 连接: 使用双绞线（CAN_H、CAN_L）。支持多节点通信，距离可达上千米（速率降低）。
   • 应用: 汽车电子网络、工业自动化（如PLC通信）、楼宇自动化、医疗设备。协议栈包括CAN 2.0A/B、CAN FD。

6. LIN (Local Interconnect Network):

   • 特点: 基于UART，简单、低成本、低速。主从结构。
   • 连接: 单线。
   • 应用: 汽车中用于对可靠性/带宽要求不高的子节点通信，如门窗控制、座椅调节等。

三、 工业/长距离/高速通信协议

7. RS-232:
   • 特点: 经典的异步串行通信标准，电平较高（±3V-±15V），用于点对点。
   • 应用: 老式计算机串口、一些工业设备接口、调试端口。正逐渐被USB、以太网取代。
8. RS-422 / RS-485:
   • 特点: 都是差分传输协议，抗干扰能力强，支持多点通信（尤其是RS-485）。
   • 连接: RS-422全双工（四线），RS-485半双工（两线）或全双工（四线）。
   • 应用: 工业控制、楼宇自动化、仪器仪表等需要较长距离（可达上千米）通信的场景。Modbus RTU/ASCII 协议常在物理层运行在RS-485上。
9. 工业以太网协议 (运行在标准以太网物理层之上):
   • 特点: 利用标准的以太网硬件（电缆、交换机），在数据链路层及以上定义实时、确定性的协议。
   • 协议例子:
     • EtherNet/IP: 基于TCP/IP和UDP，使用通用工业协议。
     • PROFINET: 西门子主导的协议栈，有多种版本支持实时通信。
     • EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology): 具有极高实时性和效率，“On the Fly”处理。
     • Modbus TCP: Modbus RTU协议在TCP/IP上的映射。
     • OPC UA (Unified Architecture): 独立于平台的工业数据交换标准，更侧重于应用层互操作性，常运行在TCP/IP或TSN之上。
   • 应用: 现代工厂自动化、过程控制、运动控制等高要求场景。

四、 无线通信协议

10. Bluetooth (Classic 和 BLE - Bluetooth Low Energy):
    • BLE特点: 超低功耗，适用于小型电池供电设备。
    • 应用: 智能手机连接、无线传感器、可穿戴设备、室内定位信标。
11. Wi-Fi (802.11 a/b/g/n/ac/ax):
    • 特点: 高速、中高功耗、覆盖距离中等。
    • 应用: 需要高带宽接入互联网的嵌入式设备（智能家居设备、网关、流媒体设备）。
12. Zigbee / Thread (基于 IEEE 802.15.4):
    • 特点: 低功耗、低数据速率、自组网（Mesh）。专注于设备和传感器网络。
    • 应用: 智能家居自动化（灯光、开关、传感器）、楼宇控制、工业监控。
13. LoRaWAN / NB-IoT:
    • 特点: LPWAN技术，低功耗、超远距离、非常低的数据速率（以月/年为单位的电池寿命）。用于广域物联网。
    • 应用: 远程抄表、资产追踪、智慧农业、环境监测。
14. Sub-1 GHz 专有协议:
    • 特点: 工作在低于1 GHz的免授权频段（如315MHz, 433MHz, 868MHz, 915MHz），穿透性强、距离远（数公里）、功耗低。各芯片厂商有自己的协议栈。
    • 应用: 遥控器、无线抄表、安防系统、长距离工业传感器网络。

五、 其他重要协议

15. Modbus:
    • 本质: 应用层消息传递协议。定义了请求/响应的数据结构和功能码。
    • 物理层: 可运行在RS-232/RS-485 (Modbus RTU/ASCII) 或 TCP/IP (Modbus TCP) 上。
    • 应用: 工业自动化领域应用最广泛的通信协议，用于PLC、HMI、传感器、执行器之间的数据读写。
16. USB (Universal Serial Bus):
    • 特点: 高速、即插即用、可为设备供电。广泛应用于PC外设。
    • 应用: 嵌入式设备与主机的通信（如调试、数据传输）、设备充当USB从设备（如大容量存储设备、HID设备）。

总结与选择

嵌入式系统中通信协议的选择取决于具体需求：

• 速度要求： 高速（SPI，EtherCAT，USB，Wi-Fi）、中速（I2C，CAN）、低速（UART，1-Wire，LIN）。
• 距离要求： 板级（mm级，SPI，I2C）、设备间（m级，UART，1-Wire，CAN，RS-485）、远距离（km级，CAN，RS-485）、广域（LoRaWAN）。
• 复杂性/成本： 简单（UART，1-Wire）、中等（I2C，SPI）、复杂（以太网协议）。
• 拓扑结构： 点对点（UART，1-Wire）、总线（I2C，SPI(主多从)，CAN，RS-485）、星型（Wi-Fi，以太网基础）、网状（Zigbee）。
• 功耗限制： 超低功耗（BLE，Zigbee，LoRaWAN，1-Wire）、可接受较高功耗（Wi-Fi，USB）。
• 可靠性/环境： 高抗干扰（CAN，RS-485）、一般（I2C，SPI，UART）。
• 应用领域： 汽车（CAN，LIN）、工业（CAN，RS-485，Modbus，工业以太网/EtherCAT/PROFINET）、消费电子（SPI，I2C，USB，Wi-Fi，BLE）、物联网/传感器网络（BLE，Zigbee，LoRaWAN，1-Wire）。

嵌入式工程师需要根据项目的具体要求，权衡这些因素来选择合适的通信协议。