嵌入式物聯(lián)網(wǎng)常用的通信協(xié)議UART、RS-232、RS-422、RS-485、CAN、IIC、SPI

計算機與嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的高速串行總線技術(shù)

一、串口通信基礎(chǔ)知識

1、常見的串行通信標(biāo)準

2、常見的電平信號及其電氣特性

二、UART（通用異步收發(fā)器）協(xié)議

1、UART消息幀格式

三、RS-232、RS-422、RS-485通信協(xié)議

1、RS-232協(xié)議

2、RS-422協(xié)議

2、RS-485協(xié)議

四、CAN通信協(xié)議

1、CAN總線具有以下主要特性：

2、 CAN技術(shù)規(guī)范與標(biāo)準

3、CAN總線報文信號和網(wǎng)絡(luò)拓撲

4.、CAN**通信幀**的介紹

（1）數(shù)據(jù)幀

（2）遙控幀

（3）錯誤幀

（4）過載幀

（5）幀間隔

五、I^2^C通信協(xié)議

1、總線簡介

2、IIC通信過程

3、IIC典型時序

六、SPI通信協(xié)議

1、SPI總線的簡介

2、SPI通信的過程

一、串口通信基礎(chǔ)知識

1、常見的串行通信標(biāo)準

目前常見串行通信接口標(biāo)準有RS-232、RS-422、RS-485等。另外，SPI（串行外設(shè)接口）、I2C(內(nèi)置集成電路)和CNA（控制器局域網(wǎng)）通信也屬于串口通信。

2、常見的電平信號及其電氣特性

TTL電平

邏輯1 邏輯0

輸入 >=2.0V <=0.8V

輸出 >=2.4V <=0.4V

噪音容限較低，約為0.4V，MCU芯片引腳都是TTL電平

2. CMOS電平

邏輯1 邏輯0

輸入 >=0.7V <=0.3V

輸出 >=0.8V <=0.1V

噪音容限高于TTL電平，Vcc為供電電壓

3. RS-232電平

電平信號名稱 邏輯1 邏輯0

RS-232 -15V ~ -3V 3V ~ 15V

PC的COM口為RS-232電平

4.USB電平

電平信號名稱 邏輯1 邏輯0

USB電平 （Vd+- Vd-）>= 200mV （Vd-- Vd+）>= 200mV

采用差分電壓，4線制：Vcc、GND、D+、D-

二、UART（通用異步收發(fā)器）協(xié)議

是一種通用的串行、異步通信總線，該總線有兩條數(shù)據(jù)線，可以實現(xiàn)全雙工的發(fā)送和接收，在嵌入式系統(tǒng)中常用于主機與輔助設(shè)備之間的通信。

1、UART消息幀格式

空閑位：不進行傳輸數(shù)據(jù)時，默認為邏輯1，為高電平；

起始位：先發(fā)出一個邏輯“0”，表示消息幀的開始；

數(shù)據(jù)位：緊接著起始位之后，可由5~8位組成，通常傳輸8位即一個字節(jié)。先發(fā)送數(shù)據(jù)的低位，后發(fā)送數(shù)據(jù)的高位；

奇偶校驗位：緊接著數(shù)據(jù)位后面（可有可無），使得“1”的位數(shù)應(yīng)為偶數(shù)（偶校驗）或奇數(shù)（奇校驗），校驗數(shù)據(jù)傳輸是否正確；

停止位：它是消息傳輸結(jié)束的標(biāo)志，它可以是1位、1.5位、2位的高電平， 由于數(shù)據(jù)是在傳輸線上定時的，并且每一個設(shè)備有其自己的時鐘，很可能在通信中兩臺設(shè)備間出現(xiàn)了小小的不同步。因此停止位不僅僅是表示傳輸?shù)慕Y(jié)束，并且提供計算機校正時鐘同步的機會。

波特率：是衡量數(shù)據(jù)傳輸速率的指標(biāo)，表示每秒鐘傳輸?shù)奈粩?shù)。例如設(shè)置串口的波特率為9600，則表示是1s傳輸9600個bit的數(shù)據(jù)，則傳送每個位的時間為 1s / 9600 ≈ 104us，從而區(qū)分消息幀中每個位傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；

假如從A設(shè)備通過串口傳輸“Hi”給設(shè)備B，參數(shù)為：波特率9600，無校驗位，停止位1位

查詢ASCLL表知道 ‘H’對應(yīng)的二進制表示 0100 1000，‘i’對應(yīng)的二進制表示 0110 1001，發(fā)送效果如下圖所示：

設(shè)備A和設(shè)備B按照約定的波特率，設(shè)備A從start開始，每經(jīng)過104us向設(shè)備B發(fā)送一個bit，同時設(shè)備B每經(jīng)過104us向設(shè)備A接收一個bit的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

缺點：UART一般直接使用TTL信號來表示0和1，但TTL信號抗干擾能力較差，數(shù)據(jù)在傳輸過程中很容易出錯；且TTL信號的通信距離也很短；

三、RS-232、RS-422、RS-485通信協(xié)議

UART只是對信號的時序進行了定義，而未定義接口的電氣特性。

RS-232、RS-422和RS-485標(biāo)準最初都是由美國電子工業(yè)協(xié)會制定并發(fā)布的。

1、RS-232協(xié)議

現(xiàn)在工業(yè)控制的RS-232接口一般只使用RXD、TXD、GND三條線，且PC機一般采用DB-9連接器；

特性：

工作方式：單端（非平衡）；

節(jié)點數(shù)：點對點通訊（1收1發(fā)）；

最大傳輸距離：50ft （ 50 * 0.3048 = 15.24m）；

最大傳輸速率：20kbit/s；

連接方式：點對點（全雙工）；

電氣特性：-3V ~ -15V表示邏輯1，3V ~ 15V表示邏輯0；

常用芯片有max232、SP232等

缺點：通信距離短，速率低，而且只能點對點通信，無法組建多機通信系統(tǒng)，且容易受外界電氣干擾導(dǎo)致信息傳輸錯誤。

2、RS-422協(xié)議

RS-422標(biāo)準定義了一種平衡通信接口，改變了RS-232標(biāo)準的單端通信的方式，總線上使用差分電壓進行信號傳輸。傳輸速率提高到10Mbit/s，傳輸距離長達4000ft=1219.2m（速率低于100kbit/s時），而且運行總線上最多連接10個接收器。

特性：

工作方式：差分（平衡）；

節(jié)點數(shù)：點對多通訊（1發(fā)10收）；

最大傳輸距離：4000ft （ 4000 * 0.3048 = 1219.2m）；

最大傳輸速率：10Mbit/s；

連接方式：一點對多點（四線制，全雙工）；

電氣特性：2V ~ 6V表示邏輯1，-2V ~ -6V表示邏輯0；

缺點：連接的設(shè)備少，抗干擾能力不強，無法完全滿足工業(yè)需求。

常用芯片有max232、SP232等

2、RS-485協(xié)議

RS-485標(biāo)準運行連接多個收發(fā)器，即具有多站能力，增加了多點、雙向的通信能力。

特性：

工作方式：差分（平衡）；

節(jié)點數(shù)：點對多通訊（1發(fā)32收）；

最大傳輸距離：4000ft （ 4000 * 0.3048 = 1219.2m）；

最大傳輸速率：10Mbit/s；

連接方式：多點對多點（兩線制，半雙工）；

電氣特性：2V ~ 6V表示邏輯1，-2V ~ -6V表示邏輯0；

常用芯片有max485、SP3072EEN等，以SP3072EEN收發(fā)器芯片的典型應(yīng)用電路如下

一主多從效果圖：

在RS-485總線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)下制定的Modbus應(yīng)用層通信協(xié)議可參考傳感網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)（中級）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議報文詳解

四、CAN通信協(xié)議

CAN（Control Area Network，控制器局域網(wǎng)）由德國Bosch公司于1983年開發(fā)出來，最早被應(yīng)用于汽車內(nèi)部控制系統(tǒng)的監(jiān)測與執(zhí)行機構(gòu)間的數(shù)據(jù)通信，目前是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。

1、CAN總線具有以下主要特性：

數(shù)據(jù)傳輸距離遠（最遠10km）；

數(shù)據(jù)傳輸速率高（最高數(shù)據(jù)傳輸速率1Mbit/s）；

具備優(yōu)秀的仲裁機制；

使用篩選器實現(xiàn)多地址的數(shù)據(jù)幀傳遞；

借助遙控幀實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)請求；

具備錯誤檢測與處理功能；

具備數(shù)據(jù)自動重發(fā)功能；

故障節(jié)點可自動脫離總線且不影響總線上其它節(jié)點的正常工作；

2、 CAN技術(shù)規(guī)范與標(biāo)準

ISO 11898標(biāo)準的CAN通信數(shù)據(jù)傳輸速率為125kbit/s~1Mbit/s,適合高速通信應(yīng)用場景；而ISO 11519標(biāo)準的CAN通信數(shù)據(jù)傳輸速率為125kbit/s以下，適合低速通信應(yīng)用場景。

CAN技術(shù)規(guī)范主要主要對OSI基本參考模型中的物理層（部分）、數(shù)據(jù)鏈路層和傳輸層（部分）進行了定義。

3、CAN總線報文信號和網(wǎng)絡(luò)拓撲

ISO 11898在靜態(tài)時兩條信號線上電平電壓均為2.5V左右（電位差0V），此時的狀態(tài)表示1（稱為“隱性電平”狀態(tài)），當(dāng)CAN_H上的電壓值為3.5V且CAN_L上的電壓值為1.5V時，兩線的電位差為2V，此時的狀態(tài)表示邏輯0（稱為“顯性電平”狀態(tài)）。

ISO 11519標(biāo)準在靜態(tài)時，當(dāng)CAN_H上的電壓值為4.0V且CAN_L上的電壓值為1.0V時，兩線的電位差為3.0V，，此時的狀態(tài)表示0（稱為“顯性電平”狀態(tài)），當(dāng)CAN_H上的電壓值為1.75V且CAN_L上的電壓值為3.25V時，兩線的電位差為-1.50V，此時的狀態(tài)表示邏輯1（稱為“隱性電平”狀態(tài)）。

CAN總線網(wǎng)絡(luò)拓撲圖如下：

高速CAN總線ISO 11898網(wǎng)絡(luò)被應(yīng)用在汽車動力與傳動系統(tǒng)，它是閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)，總線最大長度是40m，求端各有一個120Ω的電阻。

低速CAN總線ISO 11519網(wǎng)絡(luò)被應(yīng)用在車身系統(tǒng)，它的兩根總線是獨立的，不形成閉環(huán)，要求每根總線上各串聯(lián)一個2.2kΩ的電阻。

傳輸介質(zhì)可用雙絞線、同軸電纜和光纖。

4.、CAN通信幀的介紹

（1）數(shù)據(jù)幀

用途：用于發(fā)送單元向接收單元傳送數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)幀由7個段構(gòu)成

幀起始，表示數(shù)據(jù)幀和遠程幀的起始，他僅由一個“顯性電平”位組成。

仲裁段，是表示幀優(yōu)先級的段。標(biāo)準幀的仲裁段由11bit的標(biāo)識符ID和RTR（遠程發(fā)送請求）位組成；擴展幀的仲裁段由29bit的標(biāo)識符ID、SRR（替代遠程請求位）、IDE位和RTR為構(gòu)成。

控制段，是表示數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)和保留位的段，標(biāo)準幀與擴展幀的控制段格式不同。

數(shù)據(jù)段，用于承載數(shù)據(jù)的內(nèi)容，它包含0~8B的數(shù)據(jù)，從MSB（最高有效位）開始輸出。

CRC段，是用于檢查幀傳輸是否錯誤的段，它由15bit的CRC序列和1bit的CRC界定符（用于分隔）構(gòu)成。

ACK段，是用于確認接收是否正確的段，它由ACK槽和ACK界定符（用于分隔）構(gòu)成，長度為2bit

幀結(jié)束，用于表示數(shù)據(jù)幀的結(jié)束，它由7bit的隱性位構(gòu)成。

（2）遙控幀

用途：用于接收單元向具有相同ID的發(fā)送單元請求數(shù)據(jù)。

（3）錯誤幀

用途：用于當(dāng)檢測出錯誤時向其他單元通知錯誤。

（4）過載幀

用途：用于接收單元通知發(fā)送單元其尚未做好接收準備。

（5）幀間隔

用途：用于分隔數(shù)據(jù)幀和遙控幀的幀。

幀間隔的構(gòu)成元素有三個：

一是間隔，它由3bit的隱性位構(gòu)成。

二是總線空閑，它由隱性電平構(gòu)成，且無長度限制。只有在總線處于空閑狀態(tài)下，要發(fā)送的單元才開始訪問總線。

三是延遲傳送，它由8bit的隱性位構(gòu)成。

五、I2C通信協(xié)議

1、總線簡介

IIC（Inter-Integrated Circuit）其實是IICBus簡稱，所以中文應(yīng)該叫集成電路總線，它是一種串行通信總線，使用多主從架構(gòu)，由飛利浦公司在1980年代為了讓主板、嵌入式系統(tǒng)或手機用以連接低速周邊設(shè)備而發(fā)展；IIC總線有兩根雙向的信號線，一根數(shù)據(jù)線SDA用于收發(fā)數(shù)據(jù)，一根時鐘線SCL用于通信雙方時鐘的同步。

2、IIC通信過程

主機發(fā)送起始信號啟用總線；

主機發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)指明從機地址和確定后續(xù)主機從機的傳遞方向；

IIC總線上各從機判斷主機發(fā)送的從機地址是否是自己，匹配的從機發(fā)送應(yīng)答信號回應(yīng)主機；

發(fā)送器發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)；

接收器發(fā)送應(yīng)答信號回應(yīng)發(fā)送器；

…（循環(huán)重復(fù)步驟4、5）；

最后通信完成后主機發(fā)送停止信號釋放總線；

IIC總線發(fā)送和停止時序圖：

IIC總線發(fā)送數(shù)據(jù)時序圖：

3、IIC典型時序

主機向從機發(fā)送數(shù)據(jù)

從機向主機發(fā)送數(shù)據(jù)

3.主機先向從機發(fā)送數(shù)據(jù)，然后從機再向主機發(fā)送數(shù)據(jù)

六、SPI通信協(xié)議

1、SPI總線的簡介

SPI是由摩托羅拉公司開發(fā)的高速全雙工同步串行通信協(xié)議（一主多從）。 有點類似IIC，但又與IIC選通從設(shè)備的方式不同，IIC是通過發(fā)送從機地址來選通從機，而SPI是通過拉低連接到從機的NSS引腳對從機進行選通的。

SPI一般應(yīng)用由四個引腳組成（一主多從）：

SCLK(Serial Clock)：串行時鐘，由主機發(fā)出；

MOSI（Maser Output，Slave Input）：主機輸出從機輸入信號，由主機發(fā)出；

MISO（Master Input，Slave Output）：主機輸入從機輸出信號，由從機發(fā)出；

NSS（Slave Selected）：選擇信號，由主機發(fā)出，一般是低電位有效。

SPI主從連接如圖所示：

2、SPI通信的過程

SPI是串行通信協(xié)議，但是主機占用的引腳明顯比IIC和UART多，而主機引腳數(shù)會隨著從機數(shù)量增多而增多。主機在通過MOSI數(shù)據(jù)線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時，從機也會通過MISO將數(shù)據(jù)傳輸給主機（收發(fā)同時進行），它們以虛擬似緩形拓撲連接。數(shù)據(jù)通常先移出最高位，在時鐘邊沿，主機和從機均移出一位，然后在傳輸線上輸出給對方（改變數(shù)據(jù)）。在下一個時鐘沿，主從設(shè)備的接收器都從傳輸線接受該位，并設(shè)置為移位寄存器的新的最低有效位(采樣數(shù)據(jù))。在完成這樣一個移出一移入的周期后，主機和從機就交換了寄存器中的一位，傳輸可能會持續(xù)任意數(shù)量的時鐘周期。傳輸完成后，主設(shè)備會停止時鐘信號，并拉高NSS選通線。

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