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領(lǐng)域的高速串行總線(xiàn)技術(shù)

一、串口通信基礎知識

1、常見(jiàn)的串行通信標準

2、常見(jiàn)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(xiàn)具有以下主要特性：

2、 CAN技術(shù)規范與標準

3、CAN總線(xiàn)報文信號和網(wǎng)絡(luò )拓撲

4.、CAN**通信幀**的介紹

（1）數據幀

（2）遙控幀

（3）錯誤幀

（4）過(guò)載幀

（5）幀間隔

五、I^2^C通信協(xié)議

1、總線(xiàn)簡(jiǎn)介

2、IIC通信過(guò)程

3、IIC典型時(shí)序

六、SPI通信協(xié)議

1、SPI總線(xiàn)的簡(jiǎn)介

2、SPI通信的過(guò)程

一、串口通信基礎知識

1、常見(jiàn)的串行通信標準

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

2、常見(jiàn)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(chēng) 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(chēng) 邏輯1 邏輯0

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

采用差分電壓，4線(xiàn)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(xiàn)，該總線(xiàn)有兩條數據線(xiàn)，可以實(shí)現全雙工的發(fā)送和接收，在嵌入式系統中常用于主機與輔助設備之間的通信。

1、UART消息幀格式

空閑位：不進(jìn)行傳輸數據時(shí)，默認為邏輯1，為高電平；

起始位：先發(fā)出一個(gè)邏輯“0”，表示消息幀的開(kāi)始；

數據位：緊接著(zhù)起始位之后，可由5~8位組成，通常傳輸8位即一個(gè)字節。先發(fā)送數據的低位，后發(fā)送數據的高位；

奇偶校驗位：緊接著(zhù)數據位后面（可有可無(wú)），使得“1”的位數應為偶數（偶校驗）或奇數（奇校驗），校驗數據傳輸是否正確；

停止位：它是消息傳輸結束的標志，它可以是1位、1.5位、2位的高電平， 由于數據是在傳輸線(xiàn)上定時(shí)的，并且每一個(gè)設備有其自己的時(shí)鐘，很可能在通信中兩臺設備間出現了小小的不同步。因此停止位不僅僅是表示傳輸的結束，并且提供計算機校正時(shí)鐘同步的機會(huì )。

波特率：是衡量數據傳輸速率的指標，表示每秒鐘傳輸的位數。例如設置串口的波特率為9600，則表示是1s傳輸9600個(gè)bit的數據，則傳送每個(gè)位的時(shí)間為 1s / 9600 ≈ 104us，從而區分消息幀中每個(gè)位傳輸的數據；

假如從A設備通過(guò)串口傳輸“Hi”給設備B，參數為：波特率9600，無(wú)校驗位，停止位1位

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

設備A和設備B按照約定的波特率，設備A從start開(kāi)始，每經(jīng)過(guò)104us向設備B發(fā)送一個(gè)bit，同時(shí)設備B每經(jīng)過(guò)104us向設備A接收一個(gè)bit的數據，從而實(shí)現數據的傳輸。

缺點(diǎn)：UART一般直接使用TTL信號來(lái)表示0和1，但TTL信號抗干擾能力較差，數據在傳輸過(guò)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(shí)序進(jìn)行了定義，而未定義接口的電氣特性。

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

1、RS-232協(xié)議

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

特性：

工作方式：?jiǎn)味耍ǚ瞧胶猓?/p>

節點(diǎn)數：點(diǎn)對點(diǎn)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(diǎn)對點(diǎn)（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(diǎn)：通信距離短，速率低，而且只能點(diǎn)對點(diǎn)通信，無(wú)法組建多機通信系統，且容易受外界電氣干擾導致信息傳輸錯誤。

2、RS-422協(xié)議

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

特性：

工作方式：差分（平衡）；

節點(diǎn)數：點(diǎn)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(diǎn)對多點(diǎn)（四線(xiàn)制，全雙工）；

電氣特性：2V ~ 6V表示邏輯1，-2V ~ -6V表示邏輯0；

缺點(diǎn)：連接的設備少，抗干擾能力不強，無(wú)法完全滿(mǎn)足工業(yè)需求。

常用芯片有max232、SP232等

2、RS-485協(xié)議

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

特性：

工作方式：差分（平衡）；

節點(diǎn)數：點(diǎn)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(diǎn)對多點(diǎn)（兩線(xiàn)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)器芯片的典型應用電路如下

一主多從效果圖：

在RS-485總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )基礎下制定的Modbus應用層通信協(xié)議可參考傳感網(wǎng)應用開(kāi)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B(niǎo)osch公司于1983年開(kāi)發(fā)出來(lái)，最早被應用于汽車(chē)內部控制系統的監測與執行機構間的數據通信，目前是國際上應用最廣泛的現場(chǎng)總線(xiàn)之一。

1、CAN總線(xiàn)具有以下主要特性：

數據傳輸距離遠（最遠10km）；

數據傳輸速率高（最高數據傳輸速率1Mbit/s）；

具備優(yōu)秀的仲裁機制；

使用篩選器實(shí)現多地址的數據幀傳遞；

借助遙控幀實(shí)現遠程數據請求；

具備錯誤檢測與處理功能；

具備數據自動(dòng)重發(fā)功能；

故障節點(diǎn)可自動(dòng)脫離總線(xiàn)且不影響總線(xiàn)上其它節點(diǎn)的正常工作；

2、 CAN技術(shù)規范與標準

ISO 11898標準的CAN通信數據傳輸速率為125kbit/s~1Mbit/s,適合高速通信應用場(chǎng)景；而ISO 11519標準的CAN通信數據傳輸速率為125kbit/s以下，適合低速通信應用場(chǎng)景。

CAN技術(shù)規范主要主要對OSI基本參考模型中的物理層（部分）、數據鏈路層和傳輸層（部分）進(jìn)行了定義。

3、CAN總線(xiàn)報文信號和網(wǎng)絡(luò )拓撲

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

ISO 11519標準在靜態(tài)時(shí)，當CAN_H上的電壓值為4.0V且CAN_L上的電壓值為1.0V時(shí)，兩線(xiàn)的電位差為3.0V，，此時(shí)的狀態(tài)表示0（稱(chēng)為“顯性電平”狀態(tài)），當CAN_H上的電壓值為1.75V且CAN_L上的電壓值為3.25V時(shí)，兩線(xiàn)的電位差為-1.50V，此時(shí)的狀態(tài)表示邏輯1（稱(chēng)為“隱性電平”狀態(tài)）。

CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )拓撲圖如下：

高速CAN總線(xiàn)ISO 11898網(wǎng)絡(luò )被應用在汽車(chē)動(dòng)力與傳動(dòng)系統，它是閉環(huán)網(wǎng)絡(luò )，總線(xiàn)最大長(cháng)度是40m，求端各有一個(gè)120Ω的電阻。

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

傳輸介質(zhì)可用雙絞線(xiàn)、同軸電纜和光纖。

4.、CAN通信幀的介紹

（1）數據幀

用途：用于發(fā)送單元向接收單元傳送數據

數據幀由7個(gè)段構成

幀起始，表示數據幀和遠程幀的起始，他僅由一個(gè)“顯性電平”位組成。

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

控制段，是表示數據的字節數和保留位的段，標準幀與擴展幀的控制段格式不同。

數據段，用于承載數據的內容，它包含0~8B的數據，從MSB（最高有效位）開(kāi)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）構成，長(cháng)度為2bit

幀結束，用于表示數據幀的結束，它由7bit的隱性位構成。

（2）遙控幀

用途：用于接收單元向具有相同ID的發(fā)送單元請求數據。

（3）錯誤幀

用途：用于當檢測出錯誤時(shí)向其他單元通知錯誤。

（4）過(guò)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：用于分隔數據幀和遙控幀的幀。

幀間隔的構成元素有三個(gè)：

一是間隔，它由3bit的隱性位構成。

二是總線(xiàn)空閑，它由隱性電平構成，且無(wú)長(cháng)度限制。只有在總線(xiàn)處于空閑狀態(tài)下，要發(fā)送的單元才開(kāi)始訪(fǎng)問(wèn)總線(xiàn)。

三是延遲傳送，它由8bit的隱性位構成。

五、I2C通信協(xié)議

1、總線(xiàn)簡(jiǎn)介

IIC（Inter-Integrated Circuit）其實(shí)是IICBus簡(jiǎn)稱(chēng)，所以中文應該叫集成電路總線(xiàn)，它是一種串行通信總線(xiàn)，使用多主從架構，由飛利浦公司在1980年代為了讓主板、嵌入式系統或手機用以連接低速周邊設備而發(fā)展；IIC總線(xiàn)有兩根雙向的信號線(xiàn)，一根數據線(xiàn)SDA用于收發(fā)數據，一根時(shí)鐘線(xiàn)SCL用于通信雙方時(shí)鐘的同步。

2、IIC通信過(guò)程

主機發(fā)送起始信號啟用總線(xiàn)；

主機發(fā)送一個(gè)字節數據指明從機地址和確定后續主機從機的傳遞方向；

IIC總線(xiàn)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)送應答信號回應主機；

發(fā)送器發(fā)送一個(gè)字節數據；

接收器發(fā)送應答信號回應發(fā)送器；

…（循環(huán)重復步驟4、5）；

最后通信完成后主機發(fā)送停止信號釋放總線(xiàn)；

IIC總線(xiàn)發(fā)送和停止時(shí)序圖：

IIC總線(xiàn)發(fā)送數據時(shí)序圖：

3、IIC典型時(shí)序

主機向從機發(fā)送數據

從機向主機發(fā)送數據

3.主機先向從機發(fā)送數據，然后從機再向主機發(fā)送數據

六、SPI通信協(xié)議

1、SPI總線(xiàn)的簡(jiǎn)介

SPI是由摩托羅拉公司開(kāi)發(fā)的高速全雙工同步串行通信協(xié)議（一主多從）。 有點(diǎn)類(lèi)似IIC，但又與IIC選通從設備的方式不同，IIC是通過(guò)發(fā)送從機地址來(lái)選通從機，而SPI是通過(guò)拉低連接到從機的NSS引腳對從機進(jìn)行選通的。

SPI一般應用由四個(gè)引腳組成（一主多從）：

SCLK(Serial Clock)：串行時(shí)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(guò)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，而主機引腳數會(huì )隨著(zhù)從機數量增多而增多。主機在通過(guò)MOSI數據線(xiàn)發(fā)送數據的同時(shí)，從機也會(huì )通過(guò)MISO將數據傳輸給主機（收發(fā)同時(shí)進(jìn)行），它們以虛擬似緩形拓撲連接。數據通常先移出最高位，在時(shí)鐘邊沿，主機和從機均移出一位，然后在傳輸線(xiàn)上輸出給對方（改變數據）。在下一個(gè)時(shí)鐘沿，主從設備的接收器都從傳輸線(xiàn)接受該位，并設置為移位寄存器的新的最低有效位(采樣數據)。在完成這樣一個(gè)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(huì )持續任意數量的時(shí)鐘周期。傳輸完成后，主設備會(huì )停止時(shí)鐘信號，并拉高NSS選通線(xiàn)。

圖片無(wú)法轉載，詳情可到https://blog.csdn.net/a6662580/article/details/122601481查看