CAN、I2S、I2C、SPI、SSP總線(xiàn)的介紹和比較

一、SPI總線(xiàn)
串行外圍設備接口SPI（serial peripheral interface）總線(xiàn)技術(shù)是Motorola公司推出的一種同步串行接口，Motorola公司生產(chǎn)的絕大多數MCU（微控制器）都配有SPI硬件接口，如68系列MCU。SPI 用于CPU與各種外圍器件進(jìn)行全雙工、同步串行通訊。SPI可以同時(shí)發(fā)出和接收串行數據。它只需四條線(xiàn)就可以完成MCU與各種外圍器件的通訊，這四條線(xiàn)是：串行時(shí)鐘線(xiàn)（CSK）、主機輸入/從機輸出數據線(xiàn)（MISO）、主機輸出/從機輸入數據線(xiàn)（MOSI）、低電平有效從機選擇線(xiàn)CS。這些外圍器件可以是簡(jiǎn)單的TTL移位寄存器，復雜的LCD顯示驅動(dòng)器，A/D、D/A轉換子系統或其他的MCU。當SPI工作時(shí)，在移位寄存器中的數據逐位從輸出引腳（MOSI）輸出（高位在前），同時(shí)從輸入引腳（MISO）接收的數據逐位移到移位寄存器（高位在前）。發(fā)送一個(gè)字節后，從另一個(gè)外圍器件接收的字節數據進(jìn)入移位寄存器中。主SPI的時(shí)鐘信號（SCK）使傳輸同步。其典型系統框圖如下圖所示。

SPI主要特點(diǎn)有: 可以同時(shí)發(fā)出和接收串行數據；
? 可以當作主機或從機工作；
? 提供頻率可編程時(shí)鐘；
? 發(fā)送結束中斷標志；
? 寫(xiě)沖突保護；
? 總線(xiàn)競爭保護等。

圖2示出SPI總線(xiàn)工作的四種方式，其中使用的最為廣泛的是SPI0和SPI3方式(實(shí)線(xiàn)表示):

SPI 模塊為了和外設進(jìn)行數據交換，根據外設工作要求，其輸出串行同步時(shí)鐘極性和相位可以進(jìn)行配置，時(shí)鐘極性（CPOL）對傳輸協(xié)議沒(méi)有重大的影響。如果 CPOL=0，串行同步時(shí)鐘的空閑狀態(tài)為低電平；如果CPOL=1，串行同步時(shí)鐘的空閑狀態(tài)為高電平。時(shí)鐘相位（CPHA）能夠配置用于選擇兩種不同的傳輸協(xié)議之一進(jìn)行數據傳輸。如果CPHA=0，在串行同步時(shí)鐘的第一個(gè)跳變沿（上升或下降）數據被采樣；如果CPHA=1，在串行同步時(shí)鐘的第二個(gè)跳變沿（上升或下降）數據被采樣。SPI主模塊和與之通信的外設音時(shí)鐘相位和極性應該一致。SPI總線(xiàn)接口時(shí)序如圖所示。

二、CAN總線(xiàn)
什么是CAN總線(xiàn)？
CAN全稱(chēng)為Controller Area Network，即控制器局域網(wǎng)，由德國B(niǎo)osch 公司最先提出，是國際上應用最廣泛的現場(chǎng)總線(xiàn)之一。CAN 是一種多主方式的串行通訊總線(xiàn)，基本設計規范要求有高的位速率、高抗電磁干擾性，而且要能夠檢測出總線(xiàn)的任何錯誤。當信號傳輸距離達10Km 時(shí)CAN 仍可提供高達50Kbit/s 的數據傳輸速率。

CAN 具有十分優(yōu)越的特點(diǎn)：
A、較低的成本與極高的總線(xiàn)利用率；
B、 數據傳輸距離可長(cháng)達10Km，傳輸速率可高達1Mbit/s；
C、可靠的錯誤處理和檢錯機制，發(fā)送的信息遭到破壞后可自動(dòng)重發(fā)；
D、節點(diǎn)在錯誤嚴重的情況下具有自動(dòng)退出總線(xiàn)的功能；
E、報文不包含源地址或目標地址僅用標志符來(lái)指示功能信息和優(yōu)先級信息；
由于人為、自然、其它外界環(huán)境的影響和人們對公交系統的安全可靠性、真實(shí)、實(shí)時(shí)性的追求，使得我們對通信方式，通信設備有了更高的要求，基于CAN總線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )則成為我們最佳的選擇
CAN總線(xiàn)
　
現場(chǎng)總線(xiàn)是當今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計算機局域網(wǎng)。它的出現為分布式控制系統實(shí)現各節點(diǎn)之間實(shí)時(shí)、可靠的數據通信提供了強有力的技術(shù)支持。CAN(Controller Area Network)屬于現場(chǎng)總線(xiàn)的范疇，它是一種有效支持分布式控制或實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò )。較之目前許多RS-485基于R線(xiàn)構建的分布式控制系統而言。
基于CAN總線(xiàn)的分布式控制系統在以下方面具有明顯的優(yōu)越性：
首先，CAN控制器工作于多主方式，網(wǎng)絡(luò )中的各節點(diǎn)都可根據總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)優(yōu)先權(取決于報文標識符)采用無(wú)損結構的逐位仲裁的方式競爭向總線(xiàn)發(fā)送數據，且CAN協(xié)議廢除了站地址編碼，而代之以對通信數據進(jìn)行編碼，這可使不同的節點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數據，這些特點(diǎn)使得CAN總線(xiàn)構成的網(wǎng)絡(luò )各節點(diǎn)之間的數據通信實(shí)時(shí)性強，并且容易構成冗余結構，提高系統的可靠性和系統的靈活性。而利用RS-485只能構成主從式結構系統，通信方式也只能以主站輪詢(xún)的方式進(jìn)行，系統的實(shí)時(shí)性、可靠性較差；
其次，CAN總線(xiàn)通過(guò)CAN控制器接口芯片82C250的兩個(gè)輸出端CANH和CANL與物理總線(xiàn)相連，而CANH端的狀態(tài)只能是高電平或懸浮狀態(tài)，CANL端只能是低電平或懸浮狀態(tài)。這就保證不會(huì )出現象在RS-485網(wǎng)絡(luò )中，當系統有錯誤，出現多節點(diǎn)同時(shí)向總線(xiàn)發(fā)送數據時(shí)，導致總線(xiàn)呈現短路，從而損壞某些節點(diǎn)的現象。而且CAN節點(diǎn)在錯誤嚴重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以使總線(xiàn)上其他節點(diǎn)的操作不受影響，從而保證不會(huì )出現象在網(wǎng)絡(luò )中，因個(gè)別節點(diǎn)出現問(wèn)題，使得總線(xiàn)處于“死鎖”狀態(tài)。
而且，CAN具有的完善的通信協(xié)議可由CAN控制器芯片及其接口芯片來(lái)實(shí)現，從而大大降低系統開(kāi)發(fā)難度，縮短了開(kāi)發(fā)周期，這些是只僅僅有電氣協(xié)議的RS-485所無(wú)法比擬的。另外，與其它現場(chǎng)總線(xiàn)比較而言，CAN總線(xiàn)是具有通信速率高、容易實(shí)現、且性?xún)r(jià)比高等諸多特點(diǎn)的一種已形成國際標準的現場(chǎng)總線(xiàn)。這些也是目前 CAN總線(xiàn)應用于眾多領(lǐng)域，具有強勁的市場(chǎng)競爭力的重要原因。
CAN (Controller Area Network)即控制器局域網(wǎng)絡(luò )，屬于工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)的范疇。與一般的通信總線(xiàn)相比，CAN總線(xiàn)的數據通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。由于其良好的性能及獨特的設計，CAN總線(xiàn)越來(lái)越受到人們的重視。它在汽車(chē)領(lǐng)域上的應用是最廣泛的，世界上一些著(zhù)名的汽車(chē)制造廠(chǎng)商，如BENZ(奔馳)、BMW(寶馬)、PORSCHE(保時(shí)捷)、ROLLS-ROYCE(勞斯萊斯)和JAGUAR(美洲豹)等都采用了CAN總線(xiàn)來(lái)實(shí)現汽車(chē)內部控制系統與各檢測和執行機構間的數據通信。同時(shí)，由于CAN總線(xiàn)本身的特點(diǎn)，其應用范圍目前已不再局限于汽車(chē)行業(yè)，而向自動(dòng)控制、航空航天、航海、過(guò)程工業(yè)、機械工業(yè)、紡織機械、農用機械、機器人、數控機床、醫療器械及傳感器等領(lǐng)域發(fā)展。CAN已經(jīng)形成國際標準，并已被公認為幾種最有前途的現場(chǎng)總線(xiàn)之一。其典型的應用協(xié)議有： SAE J1939/ISO11783、CANOpen、CANaerospace、DeviceNet、NMEA 2000等。
1 . 什么是CAN總線(xiàn)？
CAN意為Controller Area Network的縮寫(xiě)，意為控制區域網(wǎng)絡(luò )。是國際上流行的現場(chǎng)總線(xiàn)中的一種。是一種特別適合于組建互連的設備網(wǎng)絡(luò )系統或子系統。
2．CAN總線(xiàn)特點(diǎn)？
CAN是到目前為止為數不多的有國際標準的現場(chǎng)總線(xiàn)
CAN通訊距離最大是10公里（設速率為5Kbps）,或最大通信速率為1Mbps(設通信距離為40米)。
CAN總線(xiàn)上的節點(diǎn)數可達110個(gè)。通信介質(zhì)可在雙絞線(xiàn)，同軸電纜，光纖中選擇。
CAN采用非破壞性的總線(xiàn)仲裁技術(shù)，當多個(gè)節點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數據時(shí)，優(yōu)先級低的節點(diǎn)會(huì )主動(dòng)退出發(fā)送，高優(yōu)先級的節點(diǎn)可繼續發(fā)送，節省總線(xiàn)仲裁時(shí)間。
CAN是多主方式工作，網(wǎng)上的任一節點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò )上其他節點(diǎn)發(fā)送信息。
CAN采用報文識別符識別網(wǎng)絡(luò )上的節點(diǎn)，從而把節點(diǎn)分成不同的優(yōu)先級，高優(yōu)先級的節點(diǎn)享有傳送報文的優(yōu)先權。
報文是短幀結構，短的傳送時(shí)間使其受干擾概率低，CAN有很好的效驗機制，這些都保證了CAN通信的可靠性。
3．CAN總線(xiàn)應用領(lǐng)域
CAN總線(xiàn)最初是德國B(niǎo)OSCH為汽車(chē)行業(yè)的監測，控制而設計的?，F已應用到鐵路、交通、國防、工程、工業(yè)機械、紡織、農用機械、數控、醫療器械機器人、樓宇、安防等方面。
三、I2C(Inter－Integrated Circuit)總線(xiàn)
I2C(Inter－Integrated Circuit)總線(xiàn)是一種由PHILIPS公司開(kāi)發(fā)的兩線(xiàn)式串行總線(xiàn)，用于連接微控制器及其外圍設備。I2C總線(xiàn)產(chǎn)生于在80年代，最初為音頻和視頻設備開(kāi)發(fā)，如今主要在服務(wù)器管理中使用，其中包括單個(gè)組件狀態(tài)的通信。例如管理員可對各個(gè)組件進(jìn)行查詢(xún)，以管理系統的配置或掌握組件的功能狀態(tài)，如電源和系統風(fēng)扇?？呻S時(shí)監控內存、硬盤(pán)、網(wǎng)絡(luò )、系統溫度等多個(gè)參數，增加了系統的安全性，方便了管理。
1、I2C總線(xiàn)特點(diǎn)
I2C總線(xiàn)最主要的優(yōu)點(diǎn)是其簡(jiǎn)單性和有效性。由于接口直接在組件之上，因此I2C總線(xiàn)占用的空間非常小，減少了電路板的空間和芯片管腳的數量，降低了互聯(lián)成本?？偩€(xiàn)的長(cháng)度可高達25英尺，并且能夠以10Kbps的最大傳輸速率支持40個(gè)組件。I2C總線(xiàn)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它支持多主控(multimastering)， 其中任何能夠進(jìn)行發(fā)送和接收的設備都可以成為主總線(xiàn)。一個(gè)主控能夠控制信號的傳輸和時(shí)鐘頻率。當然，在任何時(shí)間點(diǎn)上只能有一個(gè)主控。
2、I2C總線(xiàn)工作原理
2.1、總線(xiàn)的構成及信號類(lèi)型
I2C總線(xiàn)是由數據線(xiàn)SDA和時(shí)鐘SCL構成的串行總線(xiàn)，可發(fā)送和接收數據。在CPU與被控IC之間、IC與IC之間進(jìn)行雙向傳送，最高傳送速率100kbps。各種被控制電路均并聯(lián)在這條總線(xiàn)上，但就像電話(huà)機一樣只有撥通各自的號碼才能工作，所以每個(gè)電路和模塊都有唯一的地址，在信息的傳輸過(guò)程中，I2C總線(xiàn)上并接的每一模塊電路既是主控器（或被控器），又是發(fā)送器（或接收器），這取決于它所要完成的功能。CPU發(fā)出的控制信號分為地址碼和控制量?jì)刹糠?，地址碼用來(lái)選址，即接通需要控制的電路，確定控制的種類(lèi)；控制量決定該調整的類(lèi)別（如對比度、亮度等）及需要調整的量。這樣，各控制電路雖然掛在同一條總線(xiàn)上，卻彼此獨立，互不相關(guān)。
I2C總線(xiàn)在傳送數據過(guò)程中共有三種類(lèi)型信號， 它們分別是：開(kāi)始信號、結束信號和應答信號。
開(kāi)始信號：SCL為高電平時(shí)，SDA由高電平向低電平跳變，開(kāi)始傳送數據。
結束信號：SCL為低電平時(shí)，SDA由低電平向高電平跳變，結束傳送數據。
應答信號：接收數據的IC在接收到8bit數據后，向發(fā)送數據的IC發(fā)出特定的低電平脈沖，表示已收到數據。CPU向受控單元發(fā)出一個(gè)信號后，等待受控單元發(fā)出一個(gè)應答信號，CPU接收到應答信號后，根據實(shí)際情況作出是否繼續傳遞信號的判斷。若未收到應答信號，由判斷為受控單元出現故障。
目前有很多半導體集成電路上都集成了I2C接口。帶有I2C接口的單片機有：CYGNAL的 C8051F0XX系列，PHILIPSP87LPC7XX系列，MICROCHIP的PIC16C6XX系列等。很多外圍器件如存儲器、監控芯片等也提供I2C接口。
3、總線(xiàn)基本操作
I2C規程運用主/從雙向通訊。器件發(fā)送數據到總線(xiàn)上，則定義為發(fā)送器，器件接收數據則定義為接收器。主器件和從器件都可以工作于接收和發(fā)送狀態(tài)。 總線(xiàn)必須由主器件（通常為微控制器）控制，主器件產(chǎn)生串行時(shí)鐘（SCL）控制總線(xiàn)的傳輸方向，并產(chǎn)生起始和停止條件。SDA線(xiàn)上的數據狀態(tài)僅在SCL為低電平的期間才能改變，SCL為高電平的期間，SDA狀態(tài)的改變被用來(lái)表示起始和停止條件。
3.1、控制字節
在起始條件之后，必須是器件的控制字節，其中高四位為器件類(lèi)型識別符（不同的芯片類(lèi)型有不同的定義，EEPROM一般應為1010），接著(zhù)三位為片選，最后一位為讀寫(xiě)位，當為1時(shí)為讀操作，為0時(shí)為寫(xiě)操作。
3.2、寫(xiě)操作
寫(xiě)操作分為字節寫(xiě)和頁(yè)面寫(xiě)兩種操作，對于頁(yè)面寫(xiě)根據芯片的一次裝載的字節不同有所不同。
3.3、讀操作
讀操作有三種基本操作：當前地址讀、隨機讀和順序讀。圖4給出的是順序讀的時(shí)序圖。應當注意的是：最后一個(gè)讀操作的第9個(gè)時(shí)鐘周期不是“不關(guān)心”。為了結束讀操作，主機必須在第9個(gè)周期間發(fā)出停止條件或者在第9個(gè)時(shí)鐘周期內保持SDA為高電平、然后發(fā)出停止條件。
在I2C總線(xiàn)的應用中應注意的事項總結為以下幾點(diǎn) :
1）、嚴格按照時(shí)序圖的要求進(jìn)行操作，
2）、若與口線(xiàn)上帶內部上拉電阻的單片機接口連接，可以不外加上拉電阻。
3）、程序中為配合相應的傳輸速率，在對口線(xiàn)操作的指令后可用NOP指令加一定的延時(shí)。
4）、為了減少意外的干擾信號將EEPROM內的數據改寫(xiě)可用外部寫(xiě)保護引腳（如果有），或者在EEPROM內部沒(méi)有用的空間寫(xiě)入標志字，每次上電時(shí)或復位時(shí)做一次檢測，判斷EEPROM是否被意外改寫(xiě)。
添加：I2C 總線(xiàn)
在現代電子系統中，有為數眾多的IC 需要進(jìn)行相互之間以及與外界的通信。為了提供硬件的效率和簡(jiǎn)化電路的設計，PHILIPS 開(kāi)發(fā)了一種用于內部IC 控制的簡(jiǎn)單的雙向兩線(xiàn)串行總線(xiàn)I2C(inter IC 總線(xiàn))。I2C 總線(xiàn)支持任何一種IC 制造工藝，并且PHILIPS 和其他廠(chǎng)商提供了種類(lèi)非常豐富的I2C 兼容芯片。作為一個(gè)專(zhuān)利的控制總線(xiàn)，I2C 已經(jīng)成為世界性的工業(yè)標準。
每個(gè)I2C 器件都有一個(gè)唯一的地址，而且可以是單接收的器件（例如：LCD 驅動(dòng)器）或者可以接收也可以發(fā)送的器件（例如：存儲器）。發(fā)送器或接收器可以在主模式或從模式下操作，這取決于芯片是否必須啟動(dòng)數據的傳輸還是僅僅被尋址。I2C 是一個(gè)多主總線(xiàn)，即它可以由多個(gè)連接的器件控制。
早期的I2C 總線(xiàn)數據傳輸速率最高為100Kbits/s，采用7 位尋址。但是由于數據傳輸速率和應用功能的迅速增加，I2C 總線(xiàn)也增強為快速模式（400Kbits/s）和10位尋址以滿(mǎn)足更高速度和更大尋址空間的需求。
I2C 總線(xiàn)始終和先進(jìn)技術(shù)保持同步，但仍然保持其向下兼容性。并且最近還增加了高速模式，其速度可達3.4Mbits/s。它使得I2C 總線(xiàn)能夠支持現有以及將來(lái)的高速串行傳輸應用，例如EEPROM 和Flash 存儲器。
四、I2S總線(xiàn)
I2S有3個(gè)主要信號：
1、串行時(shí)鐘SCLK，也叫位時(shí)鐘（BCLK），即對應數字音頻的每一位數據，SCLK都有1個(gè)脈沖。SCLK的頻率=2×采樣頻率×采樣位數
2、幀時(shí)鐘LRCK，用于切換左右聲道的數據。LRCK為“1”表示正在傳輸的是左聲道的數據，為“0”則表示正在傳輸的是右聲道的數據。LRCK的頻率等于采樣頻率。
3、串行數據SDATA，就是用二進(jìn)制補碼表示的音頻數據。I2S（Inter-IC Sound Bus）是飛利浦公司為數字音頻設備之間的音頻數據傳輸而制定的一種總線(xiàn)標準。在飛利浦公司的I2S標準中，既規定了硬件接口規范，也規定了數字音頻數據的格式。
I2S有3個(gè)主要信號：
1.串行時(shí)鐘SCLK，也叫位時(shí)鐘（BCLK），即對應數字音頻的每一位數據，SCLK都有1個(gè)脈沖。SCLK的頻率=2×采樣頻率×采樣位數
2. 幀時(shí)鐘LRCK，用于切換左右聲道的數據。LRCK為“1”表示正在傳輸的是左聲道的數據，為“0”則表示正在傳輸的是右聲道的數據。LRCK的頻率等于采樣頻率。3.串行數據SDATA，就是用二進(jìn)制補碼表示的音頻數據。
有時(shí)為了使系統間能夠更好地同步，還需要另外傳輸一個(gè)信號MCLK，稱(chēng)為主時(shí)鐘，也叫系統時(shí)鐘（Sys Clock），是采樣頻率的256倍或384倍。一個(gè)典型的I2S信號見(jiàn)圖3。（圖3 I2S信號）圖3

I2S格式的信號無(wú)論有多少位有效數據，數據的最高位總是出現在LRCK變化（也就是一幀開(kāi)始）后的第2個(gè)SCLK脈沖處。這就使得接收端與發(fā)送端的有效位數可以不同。如果接收端能處理的有效位數少于發(fā)送端，可以放棄數據幀中多余的低位數據；如果接收端能處理的有效位數多于發(fā)送端，可以自行補足剩余的位。這種同步機制使得數字音頻設備的互連更加方便，而且不會(huì )造成數據錯位。
隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，在統一的 I2S接口下，出現了多種不同的數據格式。根據SDATA數據相對于LRCK和SCLK的位置不同，分為左對齊（較少使用）、I2S格式（即飛利浦規定的格式）和右對齊（也叫日本格式、普通格式）。這些不同的格式見(jiàn)圖4和圖5。（圖4 幾種非I2S格式）圖4（圖5 幾種I2S格式）圖5　

為了保證數字音頻信號的正確傳輸，發(fā)送端和接收端應該采用相同的數據格式和長(cháng)度。當然，對I2S格式來(lái)說(shuō)數據長(cháng)度可以不同。
五、SSP 總線(xiàn)
SSP 總線(xiàn)兼容SPI，SSI 和Microwire 總線(xiàn)的接口。