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）。
• 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）。
• 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

协议选择考量因素

1. 速度要求： 需要高速传输？选 SPI。低速传感器？I2C/UART 足够。
2. 设备数量： 连接很多设备？I2C/CAN/RS-485 适合。点对点？UART/SPI。
3. 距离要求： 长距离？RS-485/CAN。短距离板级？UART/I2C/SPI。
4. 抗干扰性： 恶劣环境？CAN/RS-485 (差分)。
5. 拓扑结构： 总线型？I2C/CAN/RS-485。点对点或星型？UART/SPI。
6. 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)。
7. 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。
8. 主从关系： 单一主控？I2C/SPI。需要多个设备主动发起通信？CAN。
9. 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。
10. 数据量大小： 大块数据？SPI/UART。小数据包？I2C/CAN (尤其CAN限8字节)。
11. 成本与复杂度： 低成本简单？UART/I2C。接受复杂和高成本？CAN。
12. 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。