I2C、SPI、UART是嵌入式物聯網終端備最常用的三種串口通信協議

本篇博文簡要介紹UART、I2C、SPI串行總線通信原理。更詳細的說明請看以下三篇文章。

一文搞懂I2C總線通信

一文搞懂SPI通信協議

一文搞懂UART通信協議

I2C 通信協議

I2C (Inter-Integrated Circuit) 通信協議是一種多主從架構的串行通信總線，有兩根雙向的信號線：一根數據線SDA用于收發數據，一根時鐘線SCL用于通信雙方時鐘的同步。I2C 通信協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總線上的器件分為主機和從機。主機有權發起和結束一次通信，從機只能被動呼叫。

I2C 通信協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 通信協議的優點：

• 多設備支持：I2C支持多個設備連接到同一總線上，每個設備都有唯一的地址。

• 簡單：I2C協議相對簡單，易于實現和調試。

• 低功耗：在空閑狀態時，I2C總線上的器件可以進入低功耗模式，節省能量。

I2C 通信協議的缺點：

• 速度較慢：I2C通信速度較低，適用于低速設備。

• 受限制：I2C的總線長度和設備數量受到限制，過長的總線可能導致通信問題。

• 沖突：當多個設備嘗試同時發送數據時，可能會發生沖突，需要額外的沖突檢測和處理機制。

I2C 通信協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。

SPI 通信協議

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通信協議的四個重要元素：

• 主機（Master）：初始化通信并控制時鐘信號的設備。

• 從機（Slave）：被主機通信的設備。

• 時鐘信號（SCK）：主機生成的同步時鐘信號，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通信協議分為四種模式：

• 模式0：時鐘信號的第一個跳變沿對應數據的首位。

• 模式1：時鐘信號的第一個跳變沿對應數據的末位。

• 模式2：時鐘信號的第一個跳變沿對應數據的首位，相對模式0，SS信號延遲。

• 模式3：時鐘信號的第一個跳變沿對應數據的末位，相對模式0，SS信號延遲。

SPI通信協議的基本步驟：

1. 初始化主機和從機，設置SPI模式和時鐘速率。

2. 主機發起通信，拉低從機的片選信號（SS）。

3. 主機發送第一個字節的數據，同時從機回應第一個字節的數據。

4. 主機接收數據并發送下一個數據字節，以此類推，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通信協議的優點：

• 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，可以同時進行數據發送和接收。

• 簡單：SPI的通信協議相對簡單，適用于快速開發和實現。

SPI通信協議的缺點：

• 連線復雜：SPI需要多根線進行連接，可能會增加硬件設計的復雜性。

• 長距離傳輸受限：SPI的傳輸距離受到限制，過長的線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 存儲卡和無線通信模塊。然而，在具有許多從站的復雜系統中，其有效性會降低。

UART 通信協議

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

以下是UART通信協議的基本原理：

• 起始位：通信開始時，數據線被拉低。

• 數據位：接著起始位，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程中的錯誤。

• 停止位：數據傳輸結束時，數據線被高電平持續。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通信協議的優點：

• 簡單：UART通信協議相對簡單，易于實現和調試。

• 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，適用于需要長距離傳輸的場景。

UART通信協議的缺點：

• 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，可以進行低速雙工傳輸數據，進行數據的發送和接收。

• 不可靠：由于UART是異步通信，可能會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議

當我們為物聯網硬件選擇合適串口通信協議需要考慮以下幾個方面：

• 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簡單的配置。

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

• 距離和通信環境：UART 在長距離上具有穩定性，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 通信協議因其簡單性和用最少的引腳管理多個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 通信協議具有高速和全雙工模式，非常適合在空間不是主要問題的系統中進行快速高效的數據傳輸。

UART 通信協議在長距離通信和速度要求較低的場景中表現出色。