嵌入式中常見通訊方式的基礎概念簡介

目錄

(1)UART

(2)SPI

(3)IIC

(4)TTL

(5)RS232

(6)RS422

(7)RS485

(8)CAN

(9)USB

在這裡，主要針對一些常用的通訊協定，或者與通訊有關的一些基礎概念，做一些簡單的介紹，由于網絡協定屬于特别大的一塊，是以在此不對網絡協定的相關東西進行介紹。

先對單工、半雙工、全雙工做一個簡單介紹，假如A與B進行通信：

單工方式：隻能A發送B接收，或者隻能B發送A接收

半雙工方式：可以A發送B接收，也可以B發送A接收，但是二者不能同時進行互相發送

全雙工方式：可以A發送B接收，也可以B發送A接收，并且二者可以同時互相進行發送和接收

(1)UART

序列槽傳輸；三根線傳輸：TX(發送)，RX(接收)，GND(地線)。全雙工方式，TX和RX要反着接，即A的TX接B的RX，A的RX接B的TX。在單片機和主機使用序列槽進行通信時，需要接一塊電平轉換晶片，将TTL/CMOS(單片機電平)轉換為RS232(PC機電平)。

資料協定：以PC機A給單片機B發資料為例(1為高電平，0為低電平)：A.TX到B.RX。剛開始B.RX的端口保持1，當A.TX發來一個0作為起始位告訴B我要發資料了！然後就開始發資料，發多少呢？通常一次是5位、6位、7位、8位，這個雙方事先要用軟體設定好。PC機一般會用序列槽助手設定，單片機會在uart的驅動中設定。一小幀資料發送完了以後，A.TX給個高電平1告訴B.RX我發完了一幀。如果還有資料，就再給個0然後重複上一步。如果雙方約定有校驗位，還要在發停止位1之前發送個校驗位，不過現在一般都不需要校驗位了，因為出錯的機率太小了，而且一般用于調試。

(2)SPI

串行同步外設接口。由摩托羅拉(Motorola)公司開發的全雙工同步串行總線，由SDI（串行資料輸入），SDO（串行資料輸出），SCK（串行移位時鐘），CS（從使能信号）四種信号構成。一主多從。CS決定了唯一的與主裝置通信的從裝置，片選信号低電平有效。

資料協定：資料在時鐘的上升或下降沿由SDO輸出，在緊接着的下降或上升沿被采集讀取，輸入的道理也一樣。這樣經過8/16次時鐘的改變，完成8/16 位資料的傳輸。

(3)IIC

(Inter－Integrated Circuit)總線是由飛利浦(Philips)公司開發的兩線式串行總線。一個時鐘線SCL和一個資料線SDA。半雙工。兩根線上可以挂很多從裝置(各個從裝置的IIC位址不同)，可以通過IIC位址來差別各個裝置。

資料協定：假設A給B發資料（這裡A.SCL接B.SCL,A.SDA接B.SDA）。起初SDA和SCL上的電平都為高電平。然後在SCL高電平的時候，将SDA拉低，之後再将SCL拉低（即發送起始位）。SDA發送資料和SCL發送脈沖的要符合的關系是：SDA必須在SCL是高電平時保持有效，在SCL是低電平時發送下一位（SCL會在上升沿對SDA進行采樣）。規定一次必須傳8位資料，8位資料傳輸結束後A釋放SDA，但SCL再發一個脈沖（這是第九個脈沖），這會觸發B通過将SDA置為低電平表示确認（該低電平稱為ACK）。最後SCL先變為高電平，SDA再由低電平變為高電平（即結束标志）。如果B沒有将SDA置為0，則A停止發送下一幀資料。IIC總線（即SDA和SCL）上的每個裝置都有唯一位址，資料包傳輸時先發送位址位，接着才是資料。一個位址位元組由7個位址位（可以挂128個裝置）和1個訓示位組成（7位尋址模式）。訓示位是0表示寫，1表示讀。還有10位尋址模式，使用兩個位元組來儲存位址，第一個位元組的最低兩位和第二個位元組的8位合起來構成10位位址。在時鐘線（SCL）為高電平的時候，一定不能動資料線（SDA）狀态，除非是啟動或者結束總線。

信号類型：

            (1)開始信号START：SCL為高電平時，SDA由高電平向低電平跳變，開始傳送資料

            (2)結束信号STOP：SCL為高電平時，SDA由低電平向高電平跳變，結束傳送資料

            (3)資料傳輸信号：在開始條件以後，時鐘信号SCL的高電平周期期間，當資料線穩定時，資料線SDA的狀态表示資料有效，即資料可以被讀走，開始進行讀操作。在時鐘信号SCL的低電平周期期間，資料線上資料才允許改變。每位資料需要一個時鐘脈沖。

            (4)應答信号ACK：接收資料的IC在接收到8bit資料後，向發送資料的IC發出特定的低電平脈沖，表示已收到資料。CPU向受控單元發出一個信号後，等待受控單元發出一個應答信号，CPU接收到應答信号後，根據實際情況作出是否繼續傳遞信号的判斷。若未收到應答信号，由判斷為受控單元出現故障。

        寫流程：

            (1)Master發起START

            (2)Master發送I2C addr(7bit)和 W操作0(1bit)，等待ACK

            (3)Slave發送ACK

            (4)Master發送reg addr(8bit)，等待ACK

            (5)Slave發送ACK

            (6)Master發送data(8bit)，即要寫入寄存器中的資料，等待ACK

            (7)Slave發送ACK

            (8)第6步和第7步可以重複多次，即順序寫多個寄存器

            (9)Master發起STOP

        讀流程：

            (1)Master發起START

            (2)Master發送I2C addr(7bit)和 W操作0(1bit)，等待ACK

            (3)Slave發送ACK

            (4)Master發送reg addr(8bit)，等待ACK

            (5)Slave發送ACK

            (6)Master發起START

            (7)Master發送I2C addr(7bit)和 R操作1(1bit)，等待ACK

            (8)Slave發送ACK

            (9)Slave發送data(8bit)，即寄存器裡的值

            (10)Master發送ACK

            (11)第9步和第10步可以重複多次，即順序讀多個寄存器

            (12)Master發起STOP

接着介紹一下與上述有關的幾種電氣接口等：

(4)TTL

邏輯門電路，有晶體三極管和電阻構成。速度快，傳輸延遲時間短(5-10納秒)，但是功耗大。

TTL電平：+5V為邏輯1，0V為邏輯0。

(5)RS232

異步傳輸标準接口。全雙工。電平信号。主要使用三根線：TX、RX、GND。一收一發。

在TxD和RxD上：邏輯1(MARK)=-3V～-15V，邏輯0(SPACE)=+3～+15V。在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制線上：信号有效（接通，ON狀态，正電壓）=+3V～+15V，信号無效（斷開，OFF狀态，負電壓）=-3V～-15V。傳輸速率較低，傳輸距離大概15米左右。

(6)RS422

全雙工。差分信号。有五根線：TXA、RXA、TXB、RXB、GND。一發十收。

發送驅動器A、B之間的正電平在+2～+6V，是一個邏輯狀态，負電平在-2～6V，是另一個邏輯狀态。最大傳輸距離為4000英尺（約1219米），最大傳輸速率為10Mb/s。其平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比。

(7)RS485

半雙工。差分信号。有三根線：TX/RX+、TX/RX-、GND。一發多收。

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。最大傳輸距離标準值為4000英尺，實際上可達3000米。

最後再介紹兩種常用的總線：

(8)CAN

(Controller Area Network)控制器區域網路絡。現場總線。包括兩根線CAN_H和CAN_L。串行差分信号。

在CAN_H和CAN_L之間需要接上120歐姆的終端電阻。CAN收發器的作用是負責邏輯電平和信号電平之間的轉換。

是由以研發和生産汽車電子産品著稱的德國BOSCH公司開發的，并最終成為國際标準(ISO-11898)，是國際上應用最廣泛的現場總線之一。

CAN總線采用不歸零碼位填充技術，CAN總線上信号有兩種不同的信号狀态，分别是顯性的邏輯0和隐性的邏輯1，信号每一次傳輸完之後不需要傳回到邏輯0的電平。位填充規則：發送器隻要檢測到位流裡有5個連續相同值的位，便自動在位流裡插入補充位。

CAN_H-CAN_L < 0.5V 時候為隐性的，邏輯信号表現為"邏輯1"- 高電平。

CAN_H-CAN_L > 0.9V 時候為顯性的，邏輯信号表現為"邏輯0"- 低電平。

CAN總線是一個廣播類型的總線，在仲裁期間，每一個發送器都對發送的電平與被監控的總線電平進行比較。如果電平相同，則這個單元可以繼續發送。如果發送的是一"隐性"電平而監視到的是一"顯性"電平，那麼這個節點失去了仲裁，必須退出發送狀态。

(9)USB

(Universal Serial Bus)通用串行總線

總線協定是以Intel為主，并有Compaq，Microsoft，IBM，DEC，Northern_Telecom以及日本NEC等共七家公司共同制定的串行接口标準。屬于一種輪詢式總線，主機控制端口初始化所有的資料傳輸。每一總線動作最多傳送三個資料包，包括令牌(Token)、資料(Data)、聯絡(HandShake)。