一、串口通信基礎(chǔ)知識(shí)

1、常見(jiàn)的串行通信標(biāo)準(zhǔn)

• 目前常見(jiàn)串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)有RS-232、RS-422、RS-485等。另外，SPI（串行外設(shè)接口）、I²C(內(nèi)置集成電路)和CNA（控制器局域網(wǎng)）通信也屬于串口通信。

2、常見(jiàn)的電平信號(hào)及其電氣特性

1. TTL電平

噪音容限較低，約為0.4V，MCU芯片引腳都是TTL電平
2. CMOS電平

噪音容限高于TTL電平，Vcc為供電電壓
3. RS-232電平

PC的COM口為RS-232電平
4.USB電平

采用差分電壓，4線制：Vcc、GND、D 、D^-

二、UART（通用異步收發(fā)器）協(xié)議

是一種通用的串行、異步通信總線，該總線有兩條數(shù)據(jù)線，可以實(shí)現(xiàn)全雙工的發(fā)送和接收，在嵌入式系統(tǒng)中常用于主機(jī)與輔助設(shè)備之間的通信。

1、UART消息幀格式

• 空閑位：不進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，默認(rèn)為邏輯1，為高電平；
• 起始位：先發(fā)出一個(gè)邏輯“0”，表示消息幀的開(kāi)始；
• 數(shù)據(jù)位：緊接著起始位之后，可由5~8位組成，通常傳輸8位即一個(gè)字節(jié)。先發(fā)送數(shù)據(jù)的低位，后發(fā)送數(shù)據(jù)的高位；
• 奇偶校驗(yàn)位：緊接著數(shù)據(jù)位后面（可有可無(wú)），使得“1”的位數(shù)應(yīng)為偶數(shù)（偶校驗(yàn)）或奇數(shù)（奇校驗(yàn)），校驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸是否正確；
• 停止位：它是消息傳輸結(jié)束的標(biāo)志，它可以是1位、1.5位、2位的高電平， 由于數(shù)據(jù)是在傳輸線上定時(shí)的，并且每一個(gè)設(shè)備有其自己的時(shí)鐘，很可能在通信中兩臺(tái)設(shè)備間出現(xiàn)了小小的不同步。因此停止位不僅僅是表示傳輸?shù)慕Y(jié)束，并且提供計(jì)算機(jī)校正時(shí)鐘同步的機(jī)會(huì)。
• 波特率：是衡量數(shù)據(jù)傳輸速率的指標(biāo)，表示每秒鐘傳輸?shù)奈粩?shù)。例如設(shè)置串口的波特率為9600，則表示是1s傳輸9600個(gè)bit的數(shù)據(jù)，則傳送每個(gè)位的時(shí)間為 1s / 9600 ≈ 104us，從而區(qū)分消息幀中每個(gè)位傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；

假如從A設(shè)備通過(guò)串口傳輸“Hi”給設(shè)備B，參數(shù)為：波特率9600，無(wú)校驗(yàn)位，停止位1位
查詢ASCLL表知道 'H’對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制表示 0100 1000，'i’對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制表示 0110 1001，發(fā)送效果如下圖所示：

設(shè)備A和設(shè)備B按照約定的波特率，設(shè)備A從start開(kāi)始，每經(jīng)過(guò)104us向設(shè)備B發(fā)送一個(gè)bit，同時(shí)設(shè)備B每經(jīng)過(guò)104us向設(shè)備A接收一個(gè)bit的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。
缺點(diǎn)：UART一般直接使用TTL信號(hào)來(lái)表示0和1，但TTL信號(hào)抗干擾能力較差，數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中很容易出錯(cuò)；且TTL信號(hào)的通信距離也很短；

三、RS-232、RS-422、RS-485通信協(xié)議

UART只是對(duì)信號(hào)的時(shí)序進(jìn)行了定義，而未定義接口的電氣特性。
RS-232、RS-422和RS-485標(biāo)準(zhǔn)最初都是由美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)制定并發(fā)布的。

1、RS-232協(xié)議

1. 現(xiàn)在工業(yè)控制的RS-232接口一般只使用RXD、TXD、GND三條線，且PC機(jī)一般采用DB-9連接器；
   
2. 特性：

• 工作方式：?jiǎn)味耍ǚ瞧胶猓?/li>
• 節(jié)點(diǎn)數(shù)：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊（1收1發(fā)）；
• 最大傳輸距離：50ft （ 50 * 0.3048 = 15.24m）；
• 最大傳輸速率：20kbit/s；
• 連接方式：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（全雙工）；
• 電氣特性：-3V ~ -15V表示邏輯1，3V ~ 15V表示邏輯0；
  常用芯片有max232、SP232等
  缺點(diǎn)：通信距離短，速率低，而且只能點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，無(wú)法組建多機(jī)通信系統(tǒng)，且容易受外界電氣干擾導(dǎo)致信息傳輸錯(cuò)誤。

2、RS-422協(xié)議

RS-422標(biāo)準(zhǔn)定義了一種平衡通信接口，改變了RS-232標(biāo)準(zhǔn)的單端通信的方式，總線上使用差分電壓進(jìn)行信號(hào)傳輸。傳輸速率提高到10Mbit/s，傳輸距離長(zhǎng)達(dá)4000ft=1219.2m（速率低于100kbit/s時(shí)），而且運(yùn)行總線上最多連接10個(gè)接收器。

1. 特性：

• 工作方式：差分（平衡）；
• 節(jié)點(diǎn)數(shù)：點(diǎn)對(duì)多通訊（1發(fā)10收）；
• 最大傳輸距離：4000ft （ 4000 * 0.3048 = 1219.2m）；
• 最大傳輸速率：10Mbit/s；
• 連接方式：一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)（四線制，全雙工）；
• 電氣特性：2V ~ 6V表示邏輯1，-2V ~ -6V表示邏輯0；
  缺點(diǎn)：連接的設(shè)備少，抗干擾能力不強(qiáng)，無(wú)法完全滿足工業(yè)需求。
  常用芯片有max232、SP232等

2、RS-485協(xié)議

RS-485標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行連接多個(gè)收發(fā)器，即具有多站能力，增加了多點(diǎn)、雙向的通信能力。

1. 特性：

• 工作方式：差分（平衡）；
• 節(jié)點(diǎn)數(shù)：點(diǎn)對(duì)多通訊（1發(fā)32收）；
• 最大傳輸距離：4000ft （ 4000 * 0.3048 = 1219.2m）；
• 最大傳輸速率：10Mbit/s；
• 連接方式：多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)（兩線制，半雙工）；
• 電氣特性：2V ~ 6V表示邏輯1，-2V ~ -6V表示邏輯0；
  常用芯片有max485、SP3072EEN等，以SP3072EEN收發(fā)器芯片的典型應(yīng)用電路如下
  
  
  
  一主多從效果圖：
  

在RS-485總線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)下制定的Modbus應(yīng)用層通信協(xié)議可參考傳感網(wǎng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)（中級(jí)）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議報(bào)文詳解

四、CAN通信協(xié)議

CAN（Control Area Network，控制器局域網(wǎng)）由德國(guó)Bosch公司于1983年開(kāi)發(fā)出來(lái)，最早被應(yīng)用于汽車內(nèi)部控制系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)間的數(shù)據(jù)通信，目前是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。

1、CAN總線具有以下主要特性：

• 數(shù)據(jù)傳輸距離遠(yuǎn)（最遠(yuǎn)10km）；
• 數(shù)據(jù)傳輸速率高（最高數(shù)據(jù)傳輸速率1Mbit/s）；
• 具備優(yōu)秀的仲裁機(jī)制；
• 使用篩選器實(shí)現(xiàn)多地址的數(shù)據(jù)幀傳遞；
• 借助遙控幀實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求；
• 具備錯(cuò)誤檢測(cè)與處理功能；
• 具備數(shù)據(jù)自動(dòng)重發(fā)功能；
• 故障節(jié)點(diǎn)可自動(dòng)脫離總線且不影響總線上其它節(jié)點(diǎn)的正常工作；

2、 CAN技術(shù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)

• ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)的CAN通信數(shù)據(jù)傳輸速率為125kbit/s~1Mbit/s,適合高速通信應(yīng)用場(chǎng)景；而ISO 11519標(biāo)準(zhǔn)的CAN通信數(shù)據(jù)傳輸速率為125kbit/s以下，適合低速通信應(yīng)用場(chǎng)景。
• CAN技術(shù)規(guī)范主要主要對(duì)OSI基本參考模型中的物理層（部分）、數(shù)據(jù)鏈路層和傳輸層（部分）進(jìn)行了定義。
  

3、CAN總線報(bào)文信號(hào)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h2>

ISO 11898在靜態(tài)時(shí)兩條信號(hào)線上電平電壓均為2.5V左右（電位差0V），此時(shí)的狀態(tài)表示1（稱為“隱性電平”狀態(tài)），當(dāng)CAN_H上的電壓值為3.5V且CAN_L上的電壓值為1.5V時(shí)，兩線的電位差為2V，此時(shí)的狀態(tài)表示邏輯0（稱為“顯性電平”狀態(tài)）。

ISO 11519標(biāo)準(zhǔn)在靜態(tài)時(shí)，當(dāng)CAN_H上的電壓值為4.0V且CAN_L上的電壓值為1.0V時(shí)，兩線的電位差為3.0V，，此時(shí)的狀態(tài)表示0（稱為“顯性電平”狀態(tài)），當(dāng)CAN_H上的電壓值為1.75V且CAN_L上的電壓值為3.25V時(shí)，兩線的電位差為-1.50V，此時(shí)的狀態(tài)表示邏輯1（稱為“隱性電平”狀態(tài)）。

CAN總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如下：

高速CAN總線ISO 11898網(wǎng)絡(luò)被應(yīng)用在汽車動(dòng)力與傳動(dòng)系統(tǒng)，它是閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)，總線最大長(zhǎng)度是40m，求端各有一個(gè)120Ω的電阻。
低速CAN總線ISO 11519網(wǎng)絡(luò)被應(yīng)用在車身系統(tǒng)，它的兩根總線是獨(dú)立的，不形成閉環(huán)，要求每根總線上各串聯(lián)一個(gè)2.2kΩ的電阻。
傳輸介質(zhì)可用雙絞線、同軸電纜和光纖。

4.、CAN通信幀的介紹

（1）數(shù)據(jù)幀

用途：用于發(fā)送單元向接收單元傳送數(shù)據(jù)

1. 數(shù)據(jù)幀由7個(gè)段構(gòu)成

• 幀起始，表示數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀的起始，他僅由一個(gè)“顯性電平”位組成。
• 仲裁段，是表示幀優(yōu)先級(jí)的段。標(biāo)準(zhǔn)幀的仲裁段由11bit的標(biāo)識(shí)符ID和RTR（遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求）位組成；擴(kuò)展幀的仲裁段由29bit的標(biāo)識(shí)符ID、SRR（替代遠(yuǎn)程請(qǐng)求位）、IDE位和RTR為構(gòu)成。
• 控制段，是表示數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)和保留位的段，標(biāo)準(zhǔn)幀與擴(kuò)展幀的控制段格式不同。
• 數(shù)據(jù)段，用于承載數(shù)據(jù)的內(nèi)容，它包含0~8B的數(shù)據(jù)，從MSB（最高有效位）開(kāi)始輸出。
• CRC段，是用于檢查幀傳輸是否錯(cuò)誤的段，它由15bit的CRC序列和1bit的CRC界定符（用于分隔）構(gòu)成。
• ACK段，是用于確認(rèn)接收是否正確的段，它由ACK槽和ACK界定符（用于分隔）構(gòu)成，長(zhǎng)度為2bit
• 幀結(jié)束，用于表示數(shù)據(jù)幀的結(jié)束，它由7bit的隱性位構(gòu)成。
  
  
  
  

（2）遙控幀

用途：用于接收單元向具有相同ID的發(fā)送單元請(qǐng)求數(shù)據(jù)。

（3）錯(cuò)誤幀

用途：用于當(dāng)檢測(cè)出錯(cuò)誤時(shí)向其他單元通知錯(cuò)誤。

（4）過(guò)載幀

用途：用于接收單元通知發(fā)送單元其尚未做好接收準(zhǔn)備。

（5）幀間隔

用途：用于分隔數(shù)據(jù)幀和遙控幀的幀。
幀間隔的構(gòu)成元素有三個(gè)：
一是間隔，它由3bit的隱性位構(gòu)成。
二是總線空閑，它由隱性電平構(gòu)成，且無(wú)長(zhǎng)度限制。只有在總線處于空閑狀態(tài)下，要發(fā)送的單元才開(kāi)始訪問(wèn)總線。
三是延遲傳送，它由8bit的隱性位構(gòu)成。

五、I²C通信協(xié)議

1、總線簡(jiǎn)介

IIC（Inter-Integrated Circuit）其實(shí)是IICBus簡(jiǎn)稱，所以中文應(yīng)該叫集成電路總線，它是一種串行通信總線，使用多主從架構(gòu)，由飛利浦公司在1980年代為了讓主板、嵌入式系統(tǒng)或手機(jī)用以連接低速周邊設(shè)備而發(fā)展；IIC總線有兩根雙向的信號(hào)線，一根數(shù)據(jù)線SDA用于收發(fā)數(shù)據(jù)，一根時(shí)鐘線SCL用于通信雙方時(shí)鐘的同步。

2、IIC通信過(guò)程

1. 主機(jī)發(fā)送起始信號(hào)啟用總線；
2. 主機(jī)發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)指明從機(jī)地址和確定后續(xù)主機(jī)從機(jī)的傳遞方向；
3. IIC總線上各從機(jī)判斷主機(jī)發(fā)送的從機(jī)地址是否是自己，匹配的從機(jī)發(fā)送應(yīng)答信號(hào)回應(yīng)主機(jī)；
4. 發(fā)送器發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)；
5. 接收器發(fā)送應(yīng)答信號(hào)回應(yīng)發(fā)送器；
6. …（循環(huán)重復(fù)步驟4、5）；
7. 最后通信完成后主機(jī)發(fā)送停止信號(hào)釋放總線；

IIC總線發(fā)送和停止時(shí)序圖：

IIC總線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)序圖：

3、IIC典型時(shí)序

1. 主機(jī)向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)
2. 從機(jī)向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)
   
   
   
   3.主機(jī)先向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，然后從機(jī)再向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)
   
   

六、SPI通信協(xié)議

1、SPI總線的簡(jiǎn)介

SPI是由摩托羅拉公司開(kāi)發(fā)的高速全雙工同步串行通信協(xié)議（一主多從）。 有點(diǎn)類似IIC，但又與IIC選通從設(shè)備的方式不同，IIC是通過(guò)發(fā)送從機(jī)地址來(lái)選通從機(jī)，而SPI是通過(guò)拉低連接到從機(jī)的NSS引腳對(duì)從機(jī)進(jìn)行選通的。

SPI一般應(yīng)用由四個(gè)引腳組成（一主多從）：

• SCLK(Serial Clock)：串行時(shí)鐘，由主機(jī)發(fā)出；
• MOSI（Maser Output，Slave Input）：主機(jī)輸出從機(jī)輸入信號(hào)，由主機(jī)發(fā)出；
• MISO（Master Input，Slave Output）：主機(jī)輸入從機(jī)輸出信號(hào)，由從機(jī)發(fā)出；
• NSS（Slave Selected）：選擇信號(hào)，由主機(jī)發(fā)出，一般是低電位有效。
  SPI主從連接如圖所示：
  
  

2、SPI通信的過(guò)程

SPI是串行通信協(xié)議，但是主機(jī)占用的引腳明顯比IIC和UART多，而主機(jī)引腳數(shù)會(huì)隨著從機(jī)數(shù)量增多而增多。主機(jī)在通過(guò)MOSI數(shù)據(jù)線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)，從機(jī)也會(huì)通過(guò)MISO將數(shù)據(jù)傳輸給主機(jī)（收發(fā)同時(shí)進(jìn)行），它們以虛擬似緩形拓?fù)溥B接。數(shù)據(jù)通常先移出最高位，在時(shí)鐘邊沿，主機(jī)和從機(jī)均移出一位，然后在傳輸線上輸出給對(duì)方（改變數(shù)據(jù)）。在下一個(gè)時(shí)鐘沿，主從設(shè)備的接收器都從傳輸線接受該位，并設(shè)置為移位寄存器的新的最低有效位(采樣數(shù)據(jù))。在完成這樣一個(gè)移出一移入的周期后，主機(jī)和從機(jī)就交換了寄存器中的一位，傳輸可能會(huì)持續(xù)任意數(shù)量的時(shí)鐘周期。傳輸完成后，主設(shè)備會(huì)停止時(shí)鐘信號(hào)，并拉高NSS選通線。