硬件串口通信协议学习(UART、IIC、SPI、CAN)

0.前言

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1. 通信的目的：将一个设备的数据传送到另一个设备，扩展硬件系统
2. 通信协议：制定通信的规则，通信双方按照协议规则进行数据收发

1. 全双工：通信双方能够同时进行双向通信，一般有两根数据线。比如TX和RX，MOSI和MISO，发送和接收互不影响。
2. 半双工：只有一条数据线(IIC、CAN和USB)，
3. 时钟信号：高速接收方什么时候需要采集数据，分为同步和异步。IIC和SPI有单独的时钟线，所以他们是同步的，接收方可以在时钟信号的指引下进行采样。剩下的串口，CAN和USB没有时钟线，所以需要双方约定一个采样频率，为异步通信。

CAN协议使用两条差分信号线进行通信，其中一条线是CAN高线，另一条线是CAN低线。这两条线通过电压的差异来表示数据的0和1。CAN协议的物理层只有这两条差分线，因此在一个时刻只能表示一个信号，所以CAN通信是半双工的，即在同一时刻只能有一个节点发送信号，其他节点只能接收信号。

USB协议，数据传输方向，D+只能接另外一个设备的D+，D-接D-，一根数据线为半双工。

USART中的“S”表示同步，只支持时钟输出，不支持时钟输入，是为了兼容别的协议或特殊用途而设计的，并不支持两个USART之间进行同步通信，所以这个功能几乎不会用到，一般更常使用的是UART异步收发器。

一、UART协议

1.1  UART协议简介

1. UART是通用异步收发传输器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)的缩写，它是一种常见的串口通信接口。
2. 使用差分信号可以抑制共模噪声，可以极大的提高信号的抗干扰特性，所以一般差分信号的传输速度和传输距离都非常高。

1. TX与RX要交叉连接
2. 当只需单向的数据传输时，可以只接一根通信线
3. 当电平标准不一致时，需要加电平转换芯片

电平标准：

1. TTL电平：+3.3V或+5V表示1，0V表示0
2. RS232电平：-3~-15V表示1，+3~+15V表示0
3. RS485电平：两线压差+2~+6V表示1，-2~-6V表示0（差分信号）

串口参数及时序：

1. 波特率：串口通信的速率(bit/s)
2. 起始位：标志一个数据帧的开始，固定为低电平
3. 数据位：数据帧的有效载荷，1为高电平，0为低电平，低位先行
4. 校验位(选填)：用于数据验证，根据数据位计算得来
5. 停止位：用于数据帧间隔，固定为高电平

无校验位：

 有校验位：

 1.2 串口通信时序图

串口时序：低位先行，先发送B0(先转换为二进制，然后先画低位波形)

发送一个字节的数据0x55（0101 0101）：8位数据+1位停止位，无校验位

起始位低电平，停止位高电平

 偶校验位(低电平0)：

 二、IIC协议

2.1 IIC协议简介

1. I2C（Inter IC Bus）是由Philips公司开发的一种通用数据总线
2. 两根通信线：SCL（Serial Clock）、SDA（Serial Data）
3. 同步，半双工
4. 带数据应答
5. 支持总线挂载多设备（一主多从、多主多从）

硬件电路：

1. 所有I2C设备的SCL连在一起，SDA连在一起
2. 设备的SCL和SDA均要配置成开漏输出模式
3. SCL和SDA各添加一个上拉电阻，阻值一般为4.7KΩ左右

 

1. 从机的权利比较小，对于SCL线，在任何时刻都只能被动的读取，从机不允许控制SCL线。
2. 对于SDA数据线，从机不允许主动发起对SDA的控制。只有在主机发送读取从机的命令后，或者从机应答的时候，从机才能短暂地获取SDA的控制权。

主机的SDA引脚在发送的时候是输出模式，在接收的时候是输入模式。为了避免总线没协调好，导致电源短路的问题。IIC的设计是禁止所有设备输出强上拉的高电平。

设计为弱上拉电阻(4.7K)加开漏输出的模式。

这个模式具有“线与”的功能，只要总线上有一个输出低电平，总线就处于低电平。只有所有设备都输出高电平，总线才输出高电平。

2.2 IIC时序基本单元

起始和终止信号均由主机产生，从机不允许产生起始和终止信号，所以在总线空闲状态时，从机必须始终放手。

1. 起始条件：SCL高电平期间，SDA从高电平切换到低电平。下降沿，触发起始条件。
2. 终止条件：SCL高电平期间，SDA从低电平切换到高电平。上升沿，触发终止条件，回到最初的空闲状态(SDA和SCL均为高电平)
3. 除了起始和终止条件，每个时序单元的SCL都是以低电平开始，低电平结束。

• 发送一个字节：SCL低电平期间，主机将数据位依次放到SDA线上（高位先行，先发送B7），然后释放SCL，从机将在SCL高电平期间读取数据位，所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化，依次循环上述过程8次，即可发送一个字节。

• SCL低电平期间：允许SDA的电平发生变化，如果发送1就为高电平，发送0为低电平。
• SCL高电平期间：不允许SDA的电平发生变化。
• 一般在SCL上升沿的时刻，从机就已经读取完成了。从机在上升沿时立刻把数据读走。主机在放手SCL一段时间后(高电平)，就可以继续拉低SCL，传输下一位了。
• 主机也需要在SCL下降沿之后，尽快把数据放在SDA上。
• 接收一个字节：SCL低电平期间，从机将数据位依次放到SDA线上（高位先行），然后释放SCL，主机将在SCL高电平期间读取数据位，所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化，依次循环上述过程8次，即可接收一个字节（主机在接收之前，需要释放SDA，即高电平）

1. 发送应答：主机在接收完一个字节之后，在下一个时钟发送一位数据，数据0表示应答，数据1表示非应答
2. 接收应答：主机在发送完一个字节之后，在下一个时钟接收一位数据，判断从机是否应答，数据0表示应答，数据1表示非应答（主机在接收之前，需要释放SDA）

•  
  • 接收应答：主机发送完毕后，需要立刻调用接收应答的时序(在SCL低电平期间，SDA切换为高电平)

 2.3 IIC通信时序参考图

• 指定地址写
• 对于指定设备（Slave Address），在指定地址（Reg Address）下，写入指定数据（Data）

空闲状态，SDA、SCL均为高电平。

然后主机需要给从机写入数据时，SCL高电平期间，拉低SDA，产生起始条件。

发送一个字节的数据(字节的内容：从机地址7位+1位读写位)

读写位：0表示之后的时序主机要进行写入操作，1表示之后的时序主机要进行读出操作。

应答位RA(Receive ACK, RA)：根据IIC协议的规定，在这个时刻，主机要释放SDA

SCL低电平期间，SDA可以变换数据

SCL高电平期间，SDA保持不变，从机读取数据

• 当前地址读
• 对于指定设备（Slave Address），在当前地址指针指示的地址下，读取从机数据（Data）

• 指定地址读
• 对于指定设备（Slave Address），在指定地址（Reg Address）下，读取从机数据（Data）

三、SPI协议

3.1 SPI协议简介

1. SPI（Serial Peripheral Interface）是由Motorola公司开发的一种通用数据总线
2. 四根通信线：SCK（Serial Clock）、MOSI（Master Output Slave Input）、MISO（Master Input Slave Output）、SS（Slave Select）从机选择线，有几个从机，需要几根从机线，一人一根
3. 同步，全双工(两根数据线，一根发送，一根接收，设备双方可以同时进行数据通信)
4. 支持总线挂载多设备（一主多从）

SPI通信的基础是交换一个字节：有了交换一个字节，就可以实现发送一个字节、接收一个字节，和发送同时接收一个字节，这三种功能。

硬件电路：

1. 所有SPI设备的SCK、MOSI、MISO分别连在一起
2. 主机另外引出多条SS控制线，分别接到各从机的SS引脚
3. 输出引脚配置为推挽输出，输入引脚配置为浮空或上拉输入

从机SS引脚，输入低电平代表被选中进行数据通信，如果只有一个从机设备，SS引脚可以直接接地。

1. 从机设备的DI：相当于MOSI引脚
2. 从机设备的DO：相当于MISO引脚
3. CS片选：其实就是SS

移位示意图：高位先行，每来一个时钟，移位寄存器都会向左进行移动一位。

原理：在波特率发生器时钟的上升沿，所有移位寄存器向左移动一位，移出的位放到引脚上。波特率发生器的下降沿，引脚上的位，采样输入到移位寄存器的最低位。

在波特率发生器的上升沿：移出一位放到引脚上：

 

 在波特率发生器的下降沿：主机和从机都会进行数据采样输入：

 8个时钟后，完成一个字节的交换：一般在接收的时候，主机会统一发送0x00或0xFF，去跟从机换数据。

 3.2 SPI时序基本单元

1. 起始条件：SS从高电平切换到低电平
2. 终止条件：SS从低电平切换到高电平
3. 在通信期间：SS始终保持在低电平，在从机SS未被选中时，从机的MISO引脚必须关断输出，也就是设置为高阻态。

CPOL:：Clock Polarity，时钟极性

CPHA：Clock Phase，时钟相位

每一位可以配置为1或0，总共组合起来，共有4种模式。在实际使用中，只需要其中的一种即可。

注意：CHPA表示的是时钟相位，决定第一个时钟采样移入还是第二个时钟采样移入。并不能单独决定上升沿采样还是下降沿采样。

3.3 交换一个字节的时序图

1. 交换一个字节（模式0）
2. CPOL=0：空闲状态时，SCK为低电平
3. CPHA=0：SCK第一个边沿移入数据，第二个边沿移出数据

1. 交换一个字节（模式1），常用
2. CPOL=0：空闲状态时，SCK为低电平
3. CPHA=1：SCK第一个边沿移出数据，第二个边沿移入数据

通讯原理：

1. SS高电平时，从机未被选中，MISO用一条中间的线表示高阻态。
2. SS下降沿之后，从机的MISO被允许开启输出，SS上升沿之后，从机的MISO必须置回高阻态。
3. 移位传输的操作：因为CPHA = 1，所以SCK第一个边沿移出数据(所以在SCK第一个上升沿，主机和从机同时移出数据)。主机通过MOSI移出最高位B7，从机通过MISO移出最高位B7。
4. 时钟运行，产生下降沿，此时主机和从机同时移入数据，也就是进行数据采样。主机移出的B7进入从机移位寄存器的最低位B0。从机移出的B7进入主机移位寄存器的最低位。这样一个时钟脉冲产生完毕，一个数据位传输完毕。

通过上述步骤可以完成一个字节的交换。在SS的上升沿，MOSI还可以再变化一次，将MOSI置到一个默认的高电平或低电平，当然也可以不管他。MISO从机必须得置回高阻态，此时如果主机的MISO为上拉输入，那MISO引脚的电平为高电平。如果主机MISO为浮空输入，此时MISO引脚的电平不确定。

1. 交换一个字节（模式2）
2. CPOL=1：空闲状态时，SCK为高电平
3. CPHA=0：SCK第一个边沿移入数据，第二个边沿移出数据

1. 交换一个字节（模式3）
2. CPOL=1：空闲状态时，SCK为高电平
3. CPHA=1：SCK第一个边沿移出数据，第二个边沿移入数据

 3.4 模式1完整时序图

向SS指定从机设备，发送指令0x06：

四、CAN协议