UART、I2C、SPI串行總線(xiàn)通信原理，你知道嗎？

I2C、SPI、UART是嵌入式物聯(lián)網(wǎng)終端備最常用的三種串口通信協(xié)議

本篇博文簡(jiǎn)要介紹UART、I2C、SPI串行總線(xiàn)通信原理。更詳細的說(shuō)明請看以下三篇文章。

一文搞懂I2C總線(xiàn)通信

一文搞懂SPI通信協(xié)議

一文搞懂UART通信協(xié)議

I2C 通信協(xié)議

I2C (Inter-Integrated Circuit) 通信協(xié)議是一種多主從架構的串行通信總線(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。I2C 通信協(xié)議通常用于連接低速設備，如傳感器、存儲器和其他外設。連接在I2C總線(xiàn)上的器件分為主機和從機。主機有權發(fā)起和結束一次通信，從機只能被動(dòng)呼叫。

I2C 通信協(xié)議規范的規定的數據傳輸速率如下：

• 標準模式下，數據傳輸速率為 100kb/s

• 快速模式下，數據傳輸速率為 400Kb/s

• 高速模式下，數據傳輸速率為 3.4 Mb/s

I2C 通信協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)：

• 多設備支持：I2C支持多個(gè)設備連接到同一總線(xiàn)上，每個(gè)設備都有唯一的地址。

• 簡(jiǎn)單：I2C協(xié)議相對簡(jiǎn)單，易于實(shí)現和調試。

• 低功耗：在空閑狀態(tài)時(shí)，I2C總線(xiàn)上的器件可以進(jìn)入低功耗模式，節省能量。

I2C 通信協(xié)議的缺點(diǎn)：

• 速度較慢：I2C通信速度較低，適用于低速設備。

• 受限制：I2C的總線(xiàn)長(cháng)度和設備數量受到限制，過(guò)長(cháng)的總線(xiàn)可能導致通信問(wèn)題。

• 沖突：當多個(gè)設備嘗試同時(shí)發(fā)送數據時(shí)，可能會(huì )發(fā)生沖突，需要額外的沖突檢測和處理機制。

I2C 通信協(xié)議在緊湊電路中的效率高成本低，因此在小型傳感器、LCD 屏幕控制器和 RTC模塊、溫度控制設備、電池管理系統中很常見(jiàn)。

SPI 通信協(xié)議

SPI（Serial Peripheral Interface）是一種同步串行通信接口，主要應用于短距離、低數據速率的通信，常用于嵌入式系統。

SPI通信協(xié)議的四個(gè)重要元素：

• 主機（Master）：初始化通信并控制時(shí)鐘信號的設備。

• 從機（Slave）：被主機通信的設備。

• 時(shí)鐘信號（SCK）：主機生成的同步時(shí)鐘信號，用于同步數據傳輸。

• 數據輸出（MOSI）和數據輸入（MISO）：用于主機和從機之間的數據傳輸。

SPI通信協(xié)議分為四種模式：

• 模式0：時(shí)鐘信號的第一個(gè)跳變沿對應數據的首位。

• 模式1：時(shí)鐘信號的第一個(gè)跳變沿對應數據的末位。

• 模式2：時(shí)鐘信號的第一個(gè)跳變沿對應數據的首位，相對模式0，SS信號延遲。

• 模式3：時(shí)鐘信號的第一個(gè)跳變沿對應數據的末位，相對模式0，SS信號延遲。

SPI通信協(xié)議的基本步驟：

1. 初始化主機和從機，設置SPI模式和時(shí)鐘速率。

2. 主機發(fā)起通信，拉低從機的片選信號（SS）。

3. 主機發(fā)送第一個(gè)字節的數據，同時(shí)從機回應第一個(gè)字節的數據。

4. 主機接收數據并發(fā)送下一個(gè)數據字節，以此類(lèi)推，直至完成通信。

5. 通信結束后，主機釋放片選信號，結束SPI通信。

SPI通信協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)：

• 高速：SPI通信速度較快，適用于對速度要求較高的應用。

• 全雙工：SPI支持全雙工通信，可以同時(shí)進(jìn)行數據發(fā)送和接收。

• 簡(jiǎn)單：SPI的通信協(xié)議相對簡(jiǎn)單，適用于快速開(kāi)發(fā)和實(shí)現。

SPI通信協(xié)議的缺點(diǎn)：

• 連線(xiàn)復雜：SPI需要多根線(xiàn)進(jìn)行連接，可能會(huì )增加硬件設計的復雜性。

• 長(cháng)距離傳輸受限：SPI的傳輸距離受到限制，過(guò)長(cháng)的線(xiàn)路可能導致信號衰減和干擾。

• 主從模式限制：SPI通常采用主從模式，主設備數量受限，不適用于多主設備場(chǎng)景。

SPI 非常適合需要快速可靠的數據傳輸的情況，例如 TFT 顯示器、SD 存儲卡和無(wú)線(xiàn)通信模塊。然而，在具有許多從站的復雜系統中，其有效性會(huì )降低。

UART 通信協(xié)議

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）是一種全雙工的通信協(xié)議，常用于各種嵌入式系統之間的通信。UART 通信只需要兩條線(xiàn)即可運行：TX（發(fā)送）和 RX（接收）。該協(xié)議允許異步通信，也就是說(shuō)發(fā)送器和接收器之間無(wú)需共享時(shí)鐘。數據被組織成數據包，每個(gè)數據包包含一個(gè)起始位、5 到 9 個(gè)數據位、一個(gè)可選的奇偶校驗位和一個(gè)或兩個(gè)停止位。

以下是UART通信協(xié)議的基本原理：

• 起始位：通信開(kāi)始時(shí)，數據線(xiàn)被拉低。

• 數據位：接著(zhù)起始位，數據位逐位傳輸。通常為5位、6位、7位、8位，由雙方約定。

• 奇偶校驗位：可選，用于檢測數據傳輸過(guò)程中的錯誤。

• 停止位：數據傳輸結束時(shí)，數據線(xiàn)被高電平持續。停止位可以是1位、1.5位、2位，由雙方約定。

• 波特率：數據的傳輸速率，如9600bps、115200bps等。

UART通信協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)：

• 簡(jiǎn)單：UART通信協(xié)議相對簡(jiǎn)單，易于實(shí)現和調試。

• 適用性廣泛：UART被廣泛應用于各種設備之間的通信，具有較好的兼容性。

• 距離：UART通信距離較遠，適用于需要長(cháng)距離傳輸的場(chǎng)景。

UART通信協(xié)議的缺點(diǎn)：

• 速度較低：UART通信速度相對較低，不適用于對速度要求較高的應用。

• 雙工：UART通信是雙工的，可以進(jìn)行低速雙工傳輸數據，進(jìn)行數據的發(fā)送和接收。

• 不可靠：由于UART是異步通信，可能會(huì )受到噪聲和干擾的影響，導致數據傳輸不可靠。

我們該如何選擇通信協(xié)議

當我們?yōu)槲锫?lián)網(wǎng)硬件選擇合適串口通信協(xié)議需要考慮以下幾個(gè)方面：

• 通信速度：SPI 提供高速度，UART 提供高靈活性，I2C 適用于速度要求較低接線(xiàn)簡(jiǎn)單的配置。

• 電路設計：I2C 可實(shí)現多個(gè)設備的高效空間管理，SPI 可實(shí)現大型設計中的性能，而 UART 可實(shí)現簡(jiǎn)單性和多功能性。

• 距離和通信環(huán)境：UART 在長(cháng)距離上具有穩定性，而 I2C 更適合短距離。

• 雙工要求：SPI 和 UART 提供全雙工功能，而 I2C 僅限于半雙工。

I2C 通信協(xié)議因其簡(jiǎn)單性和用最少的引腳管理多個(gè)從設備的能力而脫穎而出，使其成為短距離通信的理想選擇。

SPI 通信協(xié)議具有高速和全雙工模式，非常適合在空間不是主要問(wèn)題的系統中進(jìn)行快速高效的數據傳輸。

UART 通信協(xié)議在長(cháng)距離通信和速度要求較低的場(chǎng)景中表現出色。