嵌入式通信篇---常用的串行通信协议&无线通信协议

Ronin-Lotus

1072人浏览 · 2025-01-15 20:07:10

Ronin-Lotus · 2025-01-15 20:07:10 发布

前言

本文仅仅简单介绍了串行通信协议、无线通信协议等通信协议。

第一部分：通信模式介绍

1.串行通信

串行通信（Serial Communication）
串行通信是指数据按位顺序依次传输，每次只传输一个位。这种方式只需要一条数据线（以及可能的一条或几条控制线），因此比并行通信节省了线缆资源，但速度相对较慢。

优点：线缆数量少，适用于长距离通信。
缺点：数据传输速度慢。

2.并行通信

并行通信（Parallel Communication）
并行通信是指数据的多个位同时通过多条数据线进行传输，需要额外的时钟信号线。
例如：一个8位的并行通信会同时通过8条线传输8个位。

优点：数据传输速度快，适用于短距离通信。
缺点：线缆数量多，成本高，且不适合长距离通信（信号同步问题）。

3.同步通信

同步通信（Synchronous Communication）
同步通信要求发送方和接收方之间有精确的时钟同步。数据传输以固定的时钟信号为基准，每个数据位在时钟信号的特定时刻传输。
SPI、I2C

优点：传输效率高，适合高速通信。一对多通信。
缺点：需要精确的时钟同步，硬件复杂度较高。

4.异步通信

异步通信（Asynchronous Communication）
异步通信不要求发送方和接收方之间有精确的时钟同步。数据传输以起始位和停止位界定一个数据帧，接收方在检测到起始位后开始接收数据，并在停止位后结束。
UART

优点：不需要精确的时钟同步，硬件实现简单。一对一通信。
缺点：传输效率低于同步通信，每个数据帧都需要额外的起始位和停止位。

5.全双工通信

全双工（Full Duplex）
全双工通信模式允许数据同时在两个方向上传输，就像电话通话一样，通话双方可以同时说话和听。

优点：通信效率高，实时性好。
缺点：需要更多的硬件资源来实现。

6.半双工通信

半双工（Half Duplex）
半双工通信模式允许数据在两个方向上传输，但不是同时进行。在任何给定时间，数据只能在一个方向上传输。就像对讲机一样，一方说话时，另一方必须等待。

优点：比全双工简单，硬件资源需求较低。
缺点：通信效率不如全双工，需要时间来切换传输方向。

7.单工通信

单工（Simplex）
单工通信模式，它只允许数据在一个方向上传输。
例如，传统的广播就是单工通信，信息只能从广播站发送到接收器。

优点：实现简单，适用于单向数据传输。
缺点：不能进行双向通信。

第二部分：串行通信协议

1.UART（串行、异步）

UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)：串口通信

特点：异步通信，**不需要时钟同步线，使用起始位和停止位**来界定一个数据帧。
速度：通常速度较低，从300bps到几Mbps不等。
应用：用于短距离、点对点的通信。
缺点：不能远距离传输信号、通信速度慢（衍生SPI）、不能一对多进行通信（衍生I2C）
使用TTL电平，因此传输距离很短，否则信号很容易受到干扰，因此通信抗干扰的能力很弱

RX:接收数据
TX:发送数据
GND:参考

过程：
由高电平转到低电平代表通信开始
波特率：接收器每隔多少秒读取一次数据（注意开始读取数据的不稳定）
数据长度
开始/停止位：读取到停止位时，数据读取结束

2.SPI（串行、同步）

SPI (Serial Peripheral Interface)

特点：**全双工，主从模式，使用时钟线（SCLK）**来同步数据传输。
速度：通常速度较高，可以达到几Mbps到几十Mbps。
应用：用于单片机与外围设备（如传感器、闪存等）的通信。

过程：
时钟线的高电平，对应发送数据以及读取数据

3.USART（串行、同步）

USART (Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter)

特点：结合了UART和SPI的功能，可以支持同步和异步通信。
速度：与UART相似，但同步模式下速度可以更高。

4.I2C（串行、同步）

I2C (Inter-Integrated Circuit)

特点：半双工，多主从模式，使用两条线（SDA和SCL）进行数据传输。
速度：通常速度较低，标准模式下可达100Kbps，快速模式下可达400Kbps，高速模式下可达3.4Mbps。
应用：用于同一电路板上的芯片之间通信。

过程：
4. 所有通信的设备都挂载在两根线上（一根Data、一根Clock）
5. 发送端会在时钟信号线（Data）的高电平发送数据，接受端会在时钟信号线（Data）的高电平读取数据
注意：
6. 在数据线（Data）增加了上拉电阻，所以数据线默认为高电平，设备只是进行拉低电平来进行数据通信（上拉电阻：如果总线设备多或者需求通信速度快的话，则上拉电阻要求小一些）
7. I2C的数据线通信相似于GPIO的开漏输出，因此通信抗干扰的能力很弱，只适合短距离通信，比如电路板芯片上的通信
8. I2C的起始信号：CLOCK高电平，DATA低电平；其余，I2C的数据是在CLOCK的高电平时候读取的
9. 发送起始信号后，接着发送从机的地址码，再者发送目标数据，然后保持DATA的高电平等待设备应答（将高电平拉低为低电平）
10.主从模式：总线大多时候由主机掌控，只有在应答、读数据时由从机掌控