一、UART協(xié)議

1.UART簡介

通用異步收發(fā)器，是一種通用的串行、異步通信總線，該總線有兩條數據線，可以實現全雙工的發(fā)送和接收在嵌入式系統(tǒng)中常用于主機與輔助設備之間的通信。

2.UART接口

TXD:發(fā)送數據；RXD：接收數據；CTS：清除發(fā)送、允許發(fā)送；RTS：請求發(fā)送。

RTS/CTS協(xié)議即請求發(fā)送/允許發(fā)送協(xié)議，相當于一種握手協(xié)議，主要用來解決"隱藏終端"問題。"隱藏終端"是指，基站A向基站B發(fā)送信息，基站C未偵測到A也向B發(fā)送，故A和C同時將信號發(fā)送至B，引起信號沖突，最終導致發(fā)送至B的信號都丟失了。"隱藏終端"多發(fā)生在大型單元中（一般在室外環(huán)境），這將帶來效率損失，并且需要錯誤恢復機制。當需要傳送大容量文件時，尤其需要杜絕“隱藏終端”現象的發(fā)生。IEEE802.11提供了如下解決方案。在參數配置中，若使用RTS/CTS協(xié)議，同時設置傳送上限字節(jié)數，一旦待傳送的數據大于此上限值時，即啟動RTS/CTS握手協(xié)議：首先，A向B發(fā)送RTS信號，表明A要向B發(fā)送若干數據，B收到RTS后，向所有基站發(fā)出CTS信號，表明已準備就緒，A可以發(fā)送，其余基站暫時“按兵不動”，然后，A向B發(fā)送數據，最后，B接收完數據后，即向所有基站廣播ACK確認幀，這樣，所有基站又重新可以平等偵聽、競爭信道了。

3.UART幀格式

空閑位：數據線在空閑的時候，數據線的狀態(tài)為高電平；

起始位：表示一次通信的開始；

數據位：串口協(xié)議規(guī)定，先發(fā)低位、后發(fā)高位；可以發(fā)送5-8位數據；

校驗位：校驗數據的正確性，若數據位1的個數為偶數，則檢驗位為1，否則為0；檢驗位只能發(fā)現錯誤，但不能糾錯。

停止位：表示一次通信的結束，數據線的狀態(tài)為高電平。

二、I2C協(xié)議

1.I2C物理層特點

（1）它是一個支持設備的總線。“總線”指多個設備共用的信號線。在一個 I2C 通訊總線中，可連接多個I2C通訊設備，支持多個通訊主機及多個通訊從機。

（2）一個I2C總線只使用兩條總線線路，一條雙向串行數據線(SDA) ，一條串行時鐘線(SCL)。數據線即用來表示數據，時鐘線用于數據收發(fā)同步。

（3）每一個連接總線的設備都有一個獨立的地址，主機可以通過這個地址進行選擇連接總線的設備與之通信。

（4）總線通過上拉電阻接到電源。當I2C設備空閑時，會輸出高阻態(tài)，而當所有設備都空閑，都輸出高阻態(tài)時，由上拉電阻把總線拉成高電平。

（5）多個主機同時使用總線時，為了防止多個設備發(fā)送數據沖突，會利用仲裁方式決定由哪個設備占用總線。

（6）具有三種傳輸模式：標準模式傳輸速率為100kbit/s，快速模式為400kbit/s，快速模式+為1Mbit/s，高速模式下可達3.4Mbit/s，但目前大多I2C設備尚不支持高速模式。

（7）連接到相同總線的 IC 數量受到總線的最大電容 400pF限制。

2.字節(jié)格式

SDA數據線上的每個字節(jié)必須是8位，每次傳輸的字節(jié)數量沒有限制。每個字節(jié)后必須跟一個響應位（ACK）。首先傳輸的數據是最高位（MSB)，SDA上的數據必須在SCL高電平周期時保持穩(wěn)定，數據的高低電平翻轉變化發(fā)生在SCL低電平時期。

3.7-bit尋址數據傳輸

常見的傳輸方向及格式有如下兩種：

（1）主機寫數據——從機接收，傳輸方向不變

要進行數據寫入從機，首先主機發(fā)送START條件+從機地址+R/W=0(寫操作，設置為0)，從機讀取到該地址后回應ACK，主機將繼續(xù)發(fā)送需要操作的寄存器地址，從機繼續(xù)回應ACK，表示從機準備完畢。之后主機發(fā)送寄存器的數據（可能是1byte也可能是多個byte），每個byte從機都會回應ACK，發(fā)送完成后，主機發(fā)送STOP命令，將總線釋放，完成寫操作。如下圖示意：

（2）主機讀數據-從機發(fā)送，傳輸方向改變

讀數據與寫數據相似，但讀數據會多幾個步驟。要想從從機讀取數據，首先要知道從機地址以及寄存器地址，這兩部需要進行讀操作來實現，和寫操作一致。讀操作完成后，主機發(fā)送重復開始+從機地址+R/W=1(讀操作，設置為1)，從機返回ACK，此時主機釋放SDA線轉由從機控制，主機讀取SDA總線進行數據接收，每發(fā)送1 byte數據，主機會響應ACK表示還需要再接收數據。當主機接收完想要的數據后，主機將會返回NACK，告訴從機釋放SDA總線，隨后主機發(fā)送STOP命令，將總線釋放，完成讀操作。如下圖示意：

4.SCL同步和SDA仲裁

SCL線的同步（時鐘同步）

SCL同步是由于總線具有線“與”的邏輯功能，即只要有一個節(jié)點發(fā)送低電平時，總線上就表現為低電平。當所有的節(jié)點都發(fā)送高電平時，總線才能表現為高電平。正是由于線“與”邏輯功能的原理，當多個節(jié)點同時發(fā)送時鐘信號時，在總線上表現的是統(tǒng)一的時鐘信號。這就是SCL的同步原理。

SDA仲裁

SDA線的仲裁也是建立在總線具有線“與”邏輯功能的原理上的。節(jié)點在發(fā)送1位數據后，比較總線上所呈現的數據與自己發(fā)送的是否一致。是，繼續(xù)發(fā)送；否則，退出競爭。SDA線的仲裁可以保證I2C總線系統(tǒng)在多個主節(jié)點同時企圖控制總線時通信正常進行并且數據不丟失。總線系統(tǒng)通過仲裁只允許一個主節(jié)點可以繼續(xù)占據總線。

三、SPI協(xié)議

1.SPI簡介

SPI是串行外設接口，也是一種單片機外設芯片串行擴展接口，是一種高速、全雙工、同步通信總線，所以可以在同一時間發(fā)送和接收數據，SPI沒有定義速度限制，通常能達到甚至超過10M/bps。

SPI有主、從兩種模式，通常由一個主模塊和一個或多個從模塊組成（SPI不支持多主機），主模塊選擇一個從模塊進行同步通信，從而完成數據的交換。提供時鐘的為主設備（Master），接收時鐘的設備為從設備（Slave），SPI接口的讀寫操作，都是由主設備發(fā)起，當存在多個從設備時，通過各自的片選信號進行管理。

MISO：主設備數據輸入，從設備數據輸出；

MOSI：主設備數據輸出，從設備數據輸入；

SCLK：時鐘信號，由主設備產生；

CS/SS：從設備使能信號，由主設備控制，一主多從時，CS/SS是從芯片是否被主芯片選中的控制信號，只有片選信號為預先規(guī)定的使能信號時（高電位或低電位），主芯片對此從芯片的操作才有效。一主設備一從設備模式

SPI主設備和從設備都有一個串行移位寄存器，主設備通過向它的SPI串行寄存器寫入一個字節(jié)來發(fā)起一次傳輸。

SPI數據通信的流程

主設備發(fā)起信號，將CS/SS拉低，啟動通信。

主設備通過發(fā)送時鐘信號，來告訴從設備進行寫數據或者讀數據操作（采集時機可能是時鐘信號的上升沿（從低到高）或下降沿（從高到低）），它將立即讀取數據線上的信號，這樣就得到了一位數據（1bit）。

主機（Master）將要發(fā)送的數據寫到發(fā)送數據緩存區(qū)（Menory），緩存區(qū)經過移位寄存器（緩存長度不一定，看單片機配置），串行移位寄存器通過MOSI信號線將字節(jié)一位一位的移出去傳送給從機，同時MISO接口接收到的數據經過移位寄存器一位一位的移到接收緩存區(qū)。

從機（Slave）也將自己的串行移位寄存器（緩存長度不一定，看單片機配置）中的內容通過MISO信號線返回給主機。同時通過MOSI信號線接收主機發(fā)送的數據，這樣，兩個移位寄存器中的內容就被交換。

SPI只有主模式和從模式之分，沒有讀和寫的說法，外設的寫操作和讀操作是同步完成的。若只進行寫操作，主機只需忽略接收到的字節(jié)（虛擬數據）；反之，若主機要讀取從機的一個字節(jié)，就必須發(fā)送一個空字節(jié)來引發(fā)從機的傳輸。也就是說，你發(fā)一個數據必然會收到一個數據；你要收一個數據必須也要先發(fā)一個數據。

SPI時鐘特點

主要包括：時鐘速率、時鐘極性和時鐘相位三方面。

時鐘速率

SPI總線上的主設備必須在通信開始時候配置并生成相應的時鐘信號。從理論上講，只要實際可行，時鐘速率就可以是你想要的任何速率，當然這個速率受限于每個系統(tǒng)能提供多大的系統(tǒng)時鐘頻率，以及最大的SPI傳輸速率。

時鐘極性

根據硬件制造商的命名規(guī)則不同，時鐘極性通常寫為CKP或CPOL。時鐘極性和相位共同決定讀取數據的方式，比如信號上升沿讀取數據還是信號下降沿讀取數據。

CKP可以配置為1或0。可以根據需要將時鐘的默認狀態(tài)（IDLE）設置為高或低。極性反轉可以通過簡單的邏輯逆變器實現

CKP = 0：時鐘空閑IDLE為低電平 0；

CKP = 1：時鐘空閑IDLE為高電平1。

時鐘相位

根據硬件制造商的不同，時鐘相位通常寫為CKE或CPHA。顧名思義，時鐘相位/邊沿，也就是采集數據時是在時鐘信號的具體相位或者邊沿；

CKE = 0：在時鐘信號SCK的第一個跳變沿采樣；

CKE = 1：在時鐘信號SCK的第二個跳變沿采樣。

4.SPI四種MODE

根據SPI的時鐘極性和時鐘相位特性可以設置4種不同的SPI通信操作模式，它們的區(qū)別是定義了在時鐘脈沖的哪條邊沿轉換輸出信號，哪條邊沿采樣輸入信號，還有時鐘脈沖的穩(wěn)定電平值（就是時鐘信號無效時是高還是低），詳情如下所示：

Mode0：CKP=0，CKE =0：當空閑態(tài)時，SCK處于低電平，數據采樣是在第1個邊沿，也就是SCK由低電平到高電平的跳變，所以數據采樣是在上升沿（準備數據），（發(fā)送數據）數據發(fā)送是在下降沿。

Mode1：CKP=0，CKE=1：當空閑態(tài)時，SCK處于低電平，數據發(fā)送是在第2個邊沿，也就是SCK由低電平到高電平的跳變，所以數據采樣是在下降沿，數據發(fā)送是在上升沿。

Mode2：CKP=1，CKE=0：當空閑態(tài)時，SCK處于高電平，數據采集是在第1個邊沿，也就是SCK由高電平到低電平的跳變，所以數據采集是在下降沿，數據發(fā)送是在上升沿。

Mode3：CKP=1，CKE=1：當空閑態(tài)時，SCK處于高電平，數據發(fā)送是在第2個邊沿，也就是SCK由高電平到低電平的跳變，所以數據采集是在上升沿，數據發(fā)送是在下降沿。

5.SPI優(yōu)缺點

優(yōu)點：

無起始位和停止位，因此數據位可以連續(xù)傳輸而不會被中斷；

沒有像I2C這樣復雜的從設備尋址系統(tǒng)；

數據傳輸速率比I2C更高（幾乎快兩倍）；

分離的MISO和MOSI信號線，因此可以同時發(fā)送和接收數據；

極其靈活的數據傳輸，不限于8位，它可以是任意大小的字；

非常簡單的硬件結構。從站不需要唯一地址（與I2C不同）。從機使用主機時鐘，不需要精密時鐘振蕩器/晶振（與UART不同）。不需要收發(fā)器（與CAN不同）。

缺點：

使用四根信號線（I2C和UART使用兩根信號線）；

無法確認是否已成功接收數據（I2C擁有此功能）；

沒有任何形式的錯誤檢查，如UART中的奇偶校驗位；

只允許一個主設備；

沒有硬件從機應答信號（主機可能在不知情的情況下無處發(fā)送）；

沒有定義硬件級別的錯誤檢查協(xié)議；

與RS-232和CAN總線相比，只能支持非常短的距離。

CAN協(xié)議

1.CAN簡介

CAN總線簡稱——控制器局域網絡，是一種串行的差分總線，并且這種差分總線只傳遞數據信息。CAN總線已經是國際上的一種通信標準（ISO11519），它具有高可靠性、良好的錯誤檢測能力、總線仲裁等優(yōu)良特點，被廣泛應用在汽車控制系統(tǒng)、環(huán)境惡劣場所、電磁輻射強、干擾性大等場所中。

CAN是一種異步的通信方式，它的通訊不需要時鐘進行同步，線路上只有CAN_H、CAN_L兩根通信線，數據以差分信號的方式進行傳輸。

CAN的閉環(huán)通信網絡

CAN控制器 -- CAN收發(fā)器 -- 濾波電路

最高速度可達1Mbps，總線最大長度為40m；總線的兩端要求各有一個120歐姆的電阻。

CAN的開環(huán)通信網絡

最高的通信速度為125Kbps，是一種低速通信的連接方式；最大的通信距離可達1Km；兩根總線獨立，且要求每根總線上要串聯(lián)一個2.2K歐姆的電阻。

CAN總線

CAN總線的數據傳輸使用的是差分信號的方式進行的。這兩根線中的信號振幅相等，相位相反，邏輯1 和 邏輯0 通過兩根信號線的電壓差值表示出來。在CAN的應用中，邏輯1也稱為隱性電平，邏輯0也稱為顯性電平。

CAN總線上，在同一個時刻只能處于隱性電平（邏輯1）或者顯性電平（邏輯0）中的一個狀態(tài)，且顯性電平相比隱性電平具有優(yōu)先權。比如：CAN總線上有兩個節(jié)點，在同一個時刻，一個輸出隱性電平，一個輸出顯性電平，這個時候總線上是顯性電平狀態(tài)。

CAN 的位同步

在CAN中使用了 “位同步” 的方式來抵抗干擾、吸收誤差，實現對總線電平信號的正常采樣，確保通訊正常進行。同時，這個位同步也是用于調節(jié)通信過程中的采樣點的。

CAN實現位同步的過程中，會把每一個數據位的時序進行分解，會分解成SS段、PTS段、PBS1段、PBS2段，這四個段加起來就是一個CAN的數據位長度。分解后的最小時間單位為Tq。它們分別如下：

同步段（SS段）：該段的大小固定為1Tq。

當總線上的節(jié)點在SS段的范圍內檢測到總線上信號發(fā)生了跳變，就認為該節(jié)點與總線的時序是同步的。當節(jié)點與總線同步時，在采樣點采集到的總線電平即可以確認為該位的電平。

傳播時間段（PTS段）：該段的大小為 1Tq ~ 8Tq。

這個時間段是用于補償網絡的物理延時時間。是總線上輸入比較器延時和輸出驅動器延時總和的兩倍。

相位緩沖段1（PBS1）：該段的大小為 1Tq ~ 8Tq。

主要用來補償邊沿階段的誤差，它的時間長度在重新同步的時候可以加長。

相位緩沖段2（PBS2）：該段的大小為 1Tq ~ 8Tq。

是用來補償邊沿階段誤差的，它的時間長度在重新同步時可以縮短。

上圖是對CAN通信中的邏輯0進行分解的說明示意圖。圖中就表示每個數據位的長度為19Tq（SS 段占 1Tq，PTS 段占 6Tq，PBS1 段占 5Tq，PBS2 段占 7Tq），信號的采樣點位于 PBS1 段與 PBS2 段之間，通過控制各段的長度，可以改變采樣點的位置。

CAN的幀種類和用途

CAN總線的數據幀

數據幀一般由 7 個段構成，即：

（1） 幀起始。表示數據幀開始的段。

（2） 仲裁段。表示該幀優(yōu)先級的段,即ID信息。

（3） 控制段。表示數據的字節(jié)數及保留位的段。

（4） 數據段。數據的內容，一幀可發(fā)送 0~8 個字節(jié)的數據。

（5） CRC 段。檢查幀的傳輸錯誤的段。

（6） ACK 段。表示確認正常接收的段。

（7） 幀結束。表示數據幀結束的段。

RS485,RS422,RS232的接口協(xié)議

RS485簡介

RS485是通信物理層的標準接口，一種信號傳輸方式，OSI（開放系統(tǒng)互連）模型的第一級。創(chuàng)建 RS-485 是為了擴展 RS-232 接口的物理功能。RS485采用半雙工工作方式。

關鍵特性：

（1）接口電平低，不易損壞芯片。RS485的電氣特性：邏輯“1”以兩線間的電壓差為+(2–6)V表示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為-(2–6)V表示。接口信號電平比RS232降低了，不易損壞接口電路的芯片。

（2）傳輸速率高。最高傳輸速率為：10Mbps

（3）抗干擾能力強。RS485接口是采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強，即抗噪聲干擾性好。

（4）傳輸距離遠，支持節(jié)點多。RS485總線最長可以傳輸1200m以上（速率≤100Kbps）一般最大支持32個節(jié)點，如果使用特制的485芯片，可以達到128個或者256個節(jié)點，最大的可以支持到400個節(jié)點。

2.RS232簡介

RS232接口被廣泛用于計算機串行接口外設連接。連接電纜和機械、電氣特性、信號功能及傳送過程。

RS232特點:

（1）接口的信號電平值較高，易損壞接口電路的芯片。

（2）傳輸速率較低，在異步傳輸時，比特率為20Kbps。

（3）接口使用一根信號線和一根信號返回線而構成共地的傳輸形式，這種共地傳輸容易產生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱

（4）傳輸距離有限，最大傳輸距離標準值為50英尺，實際上也只能用在15米左右。

RS422簡介

RS422標準全稱是"平衡電壓數字接口電路的電氣特性"”，它定義了接口電路的特性。實際上還有一根信號地線，共5根線。由于接收器采用高輸入阻抗和發(fā)送驅動器比RS232更強的驅動能力，故允許在相同傳輸線上連接多個接收節(jié)點，最多可接10個節(jié)點。一個主設備(Master)，其余為從設備(Slave)，從設備之間不能通信，所以RS422支持點對多的雙向通信。

RS422和RS485電路原理基本相同，都是以差動方式發(fā)送和接收，不需要數字地線。差動工作是同速率條件下傳輸距離遠的根本原咽，這正是二者與RS232的根本區(qū)別，因為RS232是單端輸入輸出，雙工工作時至少需要數字地線。發(fā)送線和接受線三條線(異步傳輸)，還可以加其它控制線完成同步等功能。

RS422通過兩對雙絞線可以全雙工工作收發(fā)互不影響，而RS485只能半雙工工作，發(fā)收不能同時進行，但它只需要一對雙絞線。

RS422的電氣性能與RS485完全一樣。主要的區(qū)別在于:RS422有4根信號線:兩根發(fā)送(Y、Z)、兩根接收(A B)。由于RS422的收與發(fā)是分開的所以可以同時收和發(fā)（全雙工)﹔RS485有2根信號線:發(fā)送和接收。

4.RS485,RS422,RS232的接口協(xié)議的區(qū)別

（1）RS232是全雙工的，RS485是半雙工的，RS422是全雙工的。

（2）RS485與RS232僅僅是通訊的物理協(xié)議(即接口標準)有區(qū)別，RS485是差分傳輸方式，RS232是單端傳輸方式，但通訊程序沒有太多的差別。

（3）PC機上已經配備有RS232，直接使用就行了，若使用RS485通訊，只要在RS232端口上配接一個RS232轉RS485的轉換頭就可以了，不需要修改程序。

（4）RS-232只允許一對一通信（單站能力），RS-485接口在總線上是允許連接多達128個收發(fā)器（具有多站能力）。