嵌入式系统中常用通信协议
通信基础概念
- 信号： 信息的物理表示（电压、电流、光、无线电波）。
- 传输介质： 导线（单线、双绞线、同轴电缆）、PCB走线、光纤、空气（无线）。
- 数据帧/包： 结构化传输的基本单位（起始位、地址、数据、控制信息、校验位、停止位）。
- 波特率 (Baud Rate) ： 单位时间内传输的信号变化次数
- 比特率 (Bit Rate)： 单位时间内传输的有效数据比特数（通常等于波特率）。
- 错误检测： 奇偶校验、校验和 (Checksum)、循环冗余校验 (CRC)。
- 协议栈： 通信功能的层次化抽象（物理层、数据链路层、应用层等 - OSI模型简化）。
同步 vs. 异步：
- 同步：通信双方使用共享的时钟信号来协调数据传输（如 SPI, I2C）。
- 异步：通信双方使用各自的时钟，依靠起始位、停止位和波特率约定来同步（如 UART）。
串行 vs. 并行：
- 串行：数据位在单条线路上一位接一位地传输（大多数嵌入式协议）。
- 并行：数据位在多条线路上同时传输（速度快但线多，现代嵌入式较少用）。
单工、半双工、全双工：
- 单工：数据只能单向传输（如广播）。
- 半双工：数据可以双向传输，但不能同时（如 I2C, CAN）。
- 全双工：数据可以同时双向传输（如 SPI, UART）。
主从模式 (Master/Slave) vs. 对等模式 (Peer-to-Peer)：
- 主从：一个主设备控制通信，发起请求；一个或多个从设备响应。
- 对等：设备之间可以平等地发起通信（如 CAN）。
1. UART / RS-232/RS-485
- UART：Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)
- 核心特点： 异步、串行、全双工（通常）、点对点（标准UART）。
- 优点： 简单、成本极低（硬件普遍集成）、全双工、易于实现和调试。
- 缺点： 无寻址（不适合多设备），无硬件冲突检测（需软件处理），抗干扰能力差（TTL/RS-232），距离有限（RS-485 可较长）。
- 典型应用： 调试输出 (Console)， 连接 PC 和微控制器， 与 GPS/GPRS 模块通信， 两个微控制器间简单通信。RS-485 用于工业环境较长距离通信（多节点）。
- 关键概念： 波特率、帧格式 (数据位/停止位/奇偶校验)、流控 (RTS/CTS - 可选)。
物理层：
- 电平标准：TTL (0-3.3V/5V)， RS-232 (±3V to ±15V)， RS-485 (差分 ±1.5V to ±6V)。
- 接线：最少2线（TX, RX），加上 GND。RS-232 常用 DB9 连接器。RS-485 需要差分线 (A+, 😎。
数据链路层：
- 帧结构：起始位 (1 bit, Low) + 数据位 (5-9 bits) + 可选的奇偶校验位 (1 bit) + 停止位 (1, 1.5, 2 bits, High)。
- 无寻址机制：物理点对点连接隐含了通信对象。
- 无时钟线：依靠约定的波特率、起始位和停止位同步。
- 错误检测：奇偶校验（可选）。
2. I2C / TWI
- I2C：Inter-Integrated Circuit
- TWI ：Two-Wire Interface
- 核心特点： 同步、串行、半双工、多主多从（通常单主）、基于地址。
- 优点： 引脚数极少（2线），支持多设备，支持多主（有仲裁），有硬件应答机制，速度适中，广泛支持。
- 缺点： 半双工（同一时刻只能单向），速度比 SPI 慢，总线电容和上拉电阻限制了最高速度和设备数量，开漏结构在高负载时上升沿可能较慢。
- 典型应用： 连接低速外设：传感器（温度、湿度、加速度计）、EEPROM、RTC、LCD 控制器、I/O 扩展器、ADC/DAC。
- 关键概念： 7/10位地址、ACK/NACK、起始/停止/重复起始条件、时钟拉伸、开漏/上拉。
物理层：
- 电平标准：通常是微控制器的逻辑电平（3.3V/5V）。
- 接线：仅需两条线
- SDA (Serial Data)：双向数据线。
- SCL (Serial Clock)：由主设备产生的时钟线。
- 开漏/集电极输出：需要上拉电阻（Rp）将总线拉高。设备只能拉低总线（线与逻辑）。
数据链路层：
-
帧结构：
- 起始条件 (Start Condition)：SCL 高时 SDA 从高变低。
- 地址帧：7位或10位从设备地址 + 1位读写方向位 (R/W#)。
- 数据帧：8位数据 + 1位应答位 (ACK/NACK)。ACK 由接收方在数据后拉低 SDA。
- 停止条件 (Stop Condition)：SCL 高时 SDA 从低变高。
- 重复起始条件 (Repeated Start)：在不释放总线的情况下发起新传输。
-
寻址：每个从设备有唯一地址（部分地址可配置）。
-
仲裁：多个主设备尝试同时启动传输时，通过线与逻辑仲裁（谁先发0谁赢）。
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时钟拉伸：从设备可以在处理数据时拉低 SCL 暂停主设备时钟（低速从设备特性）。
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速度模式：标准 (100 kbps)， 快速 (400 kbps)， 快速模式+ (1 Mbps)， 高速 (3.4 Mbps)。
3. SPI
-
SPI ：Serial Peripheral Interface
-
核心特点： 同步、串行、全双工（通常）、主从模式、基于片选。
-
优点： 速度高（远快于 I2C/UART），全双工，协议简单灵活（无复杂帧结构），驱动能力强（推挽）。
-
缺点： 引脚占用多（每增加一个从设备需多一条 SS 线），不支持多主，无硬件错误检测/应答，无总线仲裁。
-
典型应用： 连接高速外设：SD卡、Flash存储器、显示屏（TFT, OLED）、高速ADC/DAC、以太网/WiFi模块、传感器（需要高速读取时）。
-
关键概念： CPOL/CPHA (Mode 0-3)、片选 (SS/CS)、全双工、主从时钟 (SCLK)。
物理层：
- 电平标准：通常是微控制器的逻辑电平（3.3V/5V）。
- 接线：至少4条线（全双工）：
- SCLK (Serial Clock)：由主设备产生的时钟线。
- MOSI (Master Out Slave In)：主设备输出，从设备输入。
- MISO (Master In Slave Out)：主设备输入，从设备输出。
- SS/CS (Slave Select / Chip Select)：主设备控制，选择激活哪个从设备（每个从设备需要独立的 SS 线）。
- 推挽输出：驱动能力强，速度高。
数据链路层：
- 帧结构：无严格定义的帧（起始/停止）。数据传输在时钟边沿发生。
- 寻址：通过硬件片选线 (SS/CS) 选择从设备。无地址字节。
- 时钟相位 (CPHA) 和极性 (CPOL)：定义数据在时钟的哪个边沿采样和输出。有4种组合模式 (Mode 0-3)。
- 数据传输：主设备在 SCLK 控制下，通过 MOSI 发送数据位，同时通过 MISO 接收从设备发来的数据位（全双工）。
- 无硬件应答：需要软件或协议层确认。
4. CAN
- CAN ：Controller Area Network
- 核心特点： 异步、串行、多主、对等、基于消息ID、差分信号、高可靠性。
- 优点： 极高的抗干扰能力（差分信号），可靠的多主对等通信（仲裁机制），强大的错误检测和处理能力，实时性好（基于优先级），传输距离较长（可达数千米@低速率）。
- 缺点： 协议复杂（硬件和软件），成本相对较高（需要专用 CAN 控制器/收发器），数据负载短（最大8字节）。
- 典型应用： 汽车电子网络 (ECU 通信)、工业自动化 (PLC 网络)、医疗设备、船舶、航空航天等需要高可靠性的分布式系统。
- 关键概念： 差分信号、消息 ID/优先级、非破坏性仲裁、错误帧、错误计数器、总线关闭、终端电阻。
物理层：
- 电平标准：差分信号 (CAN_H, CAN_L)， 显性电平 (Differential Voltage ≈ 2V) 代表逻辑0， 隐性电平 (≈ 0V) 代表逻辑1。抗干扰能力强。
- 接线：两条双绞线 (CAN_H, CAN_L)， 终端电阻 (120Ω) 必不可少。
数据链路层：
- 帧结构：非常健壮。
- 仲裁域：包含消息 ID (11位标准帧 / 29位扩展帧) 和 RTR (远程传输请求) 位。ID 决定消息优先级（值越小优先级越高）。
- 控制域：数据长度码 (DLC)。
- 数据域：0-8 字节数据。
- CRC域：强大的15位CRC校验。
- 应答域：接收节点确认。
- 帧结束域。
- 寻址：基于消息 ID (广播性质)，接收节点根据 ID 过滤消息。无物理地址。
- 非破坏性位仲裁：多个节点同时发送时，优先级高的消息（ID值小）赢得总线访问权，低优先级节点自动退出发送并在总线空闲时重试。
- 错误检测与处理：5种错误检测机制（位错误、填充错误、CRC错误、格式错误、应答错误）和复杂的错误限制与节点隔离机制。高可靠性核心。
协议对比总结
| 特性 | UART (TTL/RS-232) | UART (RS-485) | I2C (TWI) | SPI | CAN |
|---|---|---|---|---|---|
| 同步/异步 | 异步 | 异步 | 同步 | 同步 | 异步 |
| 串行/并行 | 串行 | 串行 | 串行 | 串行 | 串行 |
| 双工方式 | 全双工 | 半双工 (通常) | 半双工 | 全双工 (通常) | 半双工 |
| 主从/对等 | 点对点 (无主从) | 多节点 (主/从) | 主从 (多从) | 主从 (多从) | 多主/对等 |
| 寻址方式 | 无 (物理连接) | 无 (需软件) | 7/10位地址 | 硬件片选 (SS/CS) | 消息 ID |
| 时钟线 | 无 | 无 | SCL | SCLK | 无 |
| 数据线数量 | 2 (TX, RX) + GND | 2 (A+,“B-”) + GND | 2 (SDA, SCL) | 3/4+ (SCLK, MOSI, MISO, SS/CS) | 2 (CAN_H, CAN_L) |
| 总线拓扑 | 点对点 | 多点 (总线型) | 多点 (总线型) | 点对点 / 星型 | 多点 (总线型) |
| 最大速度 | 中等 (通常 < 1Mbps) | 中等 (通常 < 10Mbps) | 快 (标准100k, 高速3.4M) | 很快 (可达 100M+ bps) | 中等 (通常 125k-1Mbps) |
| 抗干扰能力 | 差 (TTL)/中 (232) | 强 (差分) | 中 (开漏上拉) | 中 (推挽) | 极强 (差分+协议) |
| 传输距离 | 短 (TTL)/中 (232) | 长 (千米级) | 短 (板级/设备级) | 短 (板级/设备级) | 长 (千米级@低速) |
| 设备数量限制 | 2 | 32/128 (驱动器负载) | 受总线电容/地址限制 | 受片选线数量限制 | 理论上很多 (110+) |
| 协议复杂度 | 简单 | 简单 (物理层不同) | 中等 | 简单 | 复杂 |
| 成本 | 极低 | 低 | 低 | 中 (引脚多) | 中高 |
| 典型应用 | 调试, PC连接 | 工业现场总线 | 低速传感器, 小外设 | 高速存储器, 显示屏 | 汽车, 工业控制 |
| 关键优势 | 简单, 全双工 | 距离长, 多点 | 引脚少, 多点寻址 | 速度快, 全双工, 简单 | 可靠, 多主, 抗干扰 |
| 主要劣势 | 无寻址, 抗扰差 | 半双工, 需软件寻址 | 速度慢, 半双工 | 引脚多, 无多主/仲裁 | 复杂, 数据包小 |
协议选择考量因素
- 速度要求： 需要高速传输？选 SPI。低速传感器？I2C/UART 足够。
- 设备数量： 连接很多设备？I2C/CAN/RS-485 适合。点对点？UART/SPI。
- 距离要求： 长距离？RS-485/CAN。短距离板级？UART/I2C/SPI。
- 抗干扰性： 恶劣环境？CAN/RS-485 (差分)。
- 拓扑结构： 总线型？I2C/CAN/RS-485。点对点或星型？UART/SPI。
- 双工要求： 需要同时收发？SPI/UART (全双工)。单向或轮流收发？I2C/CAN/RS-485 (半双工)。
- 引脚限制： 引脚紧张？首选 I2C (2线)， 其次 UART (2/3线)。引脚充足？SPI/CAN。
- 主从关系： 单一主控？I2C/SPI。需要多个设备主动发起通信？CAN。
- 可靠性要求： 极高可靠性？CAN (内置强大错误处理)。一般应用？其他协议。
- 数据量大小： 大块数据？SPI/UART。小数据包？I2C/CAN (尤其CAN限8字节)。
- 成本与复杂度： 低成本简单？UART/I2C。接受复杂和高成本？CAN。
- 处理器/外设支持： 目标MCU硬件是否原生支持该协议？外设本身支持哪些协议？
其它协议
- 1-Wire： 单总线协议（如 DS18B20 温度传感器），成本极低，速度慢。
- USB (Device/Host)： 复杂但应用广泛，用于连接PC、外设（HID, Mass Storage, CDC）。
- Ethernet： 用于网络连接（TCP/IP, UDP）。
- Bluetooth/BLE, Wi-Fi： 无线通信协议。
- Modbus： 建立在串行链路（RS-232/485）或 TCP/IP 之上的应用层协议，工业标准。
- I3C： I2C 的演进版本，目标取代 I2C，提高速度、降低功耗、增强功能。