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嵌入式软硬件开发，常见通信总线

article 2026/2/2 14:38:12

嵌入式通信总线分类与应用指南

一、片上/板级通信接口（内部互联）

  1. I2C总线

    • 核心特性
      • 同步半双工传输，SCL时钟线+SDA数据线
      • 7/10位地址寻址，支持多主多从架构
      • 标准模式100kbps，高速模式3.4Mbps，超高速模式5Mbps
    • 典型应用
      • 板载低速设备：温度传感器、RTC时钟、EEPROM存储器
      • 硬件监控：电源管理IC、风扇控制器

  2. SPI总线

    • 核心特性
      • 同步全双工，四线制（MOSI/MISO/SCK/CS）
      • 主从架构，硬件片选信号控制设备访问
      • 时钟极性(CPOL)和相位(CPHA)可配置
      • 理论速率可达50Mbps（实际受PCB布局影响）
    • 典型应用
      • 高速存储：NOR Flash、SD卡控制器
      • 显示接口：OLED屏幕驱动
      • 模数转换：高速ADC芯片

  3. UART/USART

    • 核心区别
      • UART：纯异步通信（TX/RX/GND）
      • USART：可切换同步/异步模式（增加SCLK时钟线）
    • 技术参数
      • 异步模式依赖波特率匹配（常用115200bps）
      • 同步模式最高速率受时钟频率限制
    • 应用场景
      • 系统调试：通过USB转TTL模块连接PC
      • 设备互联：蓝牙/Wi-Fi模组通信

  4. 单总线(1-Wire)

    • 突出特点
      • 单线实现数据+供电（寄生电源模式）
      • 每个设备具有唯一64位ROM编码
    • 典型器件
      • DS18B20温度传感器
      • iButton电子钥匙
二、系统级通信总线（模块间互联）

  1. CAN/CAN FD

    • 协议优势
      • 差分信号（CAN_H/CAN_L）抗电磁干扰
      • 非破坏性逐位仲裁机制
      • CAN FD支持可变数据段速率（最高5Mbps）
    • 汽车电子应用
      • 动力总成：发动机ECU通信
      • 车身控制：车门/车窗模块

  2. LIN总线

    • 设计特点
      • 单线传输（12V信号电平）
      • 主从结构，主节点提供时钟基准
    • 成本优势
      • 相比CAN节省60%以上线束成本

  3. 高速总线对比

    类型速率拓扑结构典型延迟应用领域
    FlexRay10Mbps星型/链型≤1ms线控制动系统
    MOST150Mbps环形固定时隙车载娱乐系统
    Ethernet100Mbps-1G星型微秒级智能驾驶域控制器
三、设备级接口（外部扩展）

  1. 工业串行接口

    • RS-485关键指标
      • 最大节点数：128个（需终端电阻匹配）
      • 传输距离：1200米（@100kbps）

  2. USB演进对比

    版本速率供电能力典型应用
    USB2.0480Mbps500mA外设连接
    USB3.220Gbps900mA高速数据采集

  3. 专用接口

    • MIPI CSI-2：4通道1.5Gbps/lane，用于摄像头模组
    • PCIe Gen3：8GT/s速率，适用于AI加速模块
四、选型决策树

  1. 确定需求优先级
    是
    否
    >10m
    <1m
    通信需求
    是否多设备共享?
    I2C/SPI/CAN
    UART/USART
    传输距离?
    RS-485/CAN
    板级总线

  2. 关键参数对比

    • 实时性要求：FlexRay > CAN > Ethernet
    • 成本敏感度：LIN > CAN > MOST
五、设计注意事项

  1. 信号完整性

    • SPI高速布线需控制50Ω阻抗
    • CAN总线需配置120Ω终端电阻

  2. EMC防护

    • RS-485接口建议加TVS管
    • 汽车电子需通过ISO7637测试

  3. 协议栈选择

    • CANopen：工业设备组网
    • Modbus：HMI设备控制

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