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  • [串口] 串行通信协议 UART、IIC、SPI
    2021-04-01 22:21:25

    一、概述

    名词解释

    * 串口、COM口指的物理接口形式(硬件)
    * UART是串口收发的逻辑电路,规定了串口数据的传输格式
    * RS-232、RS-485、TTL指电平标准(电信号)
    * USB电平、RS232电平、RS485电平的电平标准都不同,单片机通常要将TTL电平转化为对应的电平标准与其他设备(电脑)通讯
    * PL2303、CP2102、CH340都是USB转TTL电平的芯片;MAX232,SP2323是TTL电平与232电平双向转换的芯片;MAX485是TTL电平与485电平双向转换的芯片
    * 通常用法:USB + PL2303/CP2102/CH340 + 单片机;USB电平转TTL都是点对点的传输,RX接另一个的TX,TX接另一个的RX
        * 电脑USB + USB转TTL模块及线 + 单片机不带电平转换
        * 电脑USB + USB线 + 单片机带USB转TTL芯片
        * 电脑USB + USB转RS-232及线 + 单片机带TTL转RS-232芯片
    * 电脑上安装PL2303/CP2102/CH340等驱动,识别芯片;然后串口软件和单片机定义同样的串口协议波特率
    * uart协议是RX/TX,usb协议是D+/D-
    

    传输电平

    * RS-232-C、RS-422、RS485,规定了串口传输时的电平标准,以UART协议(时序)通过UART收发器的收发端(硬件设备)使用RS232/RS485等电平标准进行数据得传输
    * RS232:采用正负电平的单极性信号,一般以3线制的接口最为普遍,信号包括RS232_TX、RS232_RX及GND,具有全双工通讯能力
    * RS485:采用一对TTL电平的差分信号RS485_D-和RS485_D+,只能半双工通讯
    * TTL:单片机电平
        * 输出 L:<0.8V ; H:>2.4V
        * 输入 L: <1.2V ; H:>2.0V
    

    IIC、SPI、UART区别

    * I2C(INTER IC BUS)
        * 双向、两线(SCL、SDA)、多主设备、半双工,总线仲裁机制,异步
        * 需要上拉电阻,双向IO支持,每个设备都可做主或从
        * 传输数据回带上目的设备的地址,可以实现设备组网
    * SPI(Serial Peripheral Interface串行外设接口)
        * 三条信号线组成:串行时钟(SCLK)、串行数据输出(SDO)、串行数据输入(SDI)
        * 一个主设备Master,提供SPI串行时钟;其他是从设备(Slave)
        * 全双工,同步(有时钟的协议)
        * 有多个设备时,还需增加从设备选择线(CS)
    * UART
        * 异步,固定波特率,三线(TX、RX、GND),全双工,一对一
        * 由波特率产生器(产生的波特率等于传输波特率的16倍)、UART接收器、UART发送器组成
    

    二、UART

    UART即通用异步收发传输器,规定数据怎么传,原理是将数据二进制位一位一位进行传输

    端口

    TX:发送数据端,要接对面设备的RX
    RX:接收数据端,要接对面设备的TX
    GND:保证两设备共地,有统一的参考平面

    协议

    [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-u5sBEUgG-1617286870311)(quiver-image-url/7DA4F0FDE61D76A5A55D577074231749.jpg =700x93)]
    空闲位:总线处于空闲状态时信号线的状态为‘1’即高电平
    起始位:发送端发一个’0’低电平来表示传输数据开始
    数据位:5~9位二进制bit,发和收两端约好
    奇偶校验位:1位
    停止位:1~2位高电平
    波特率:常见的波特率9600bps,115200bps等。一对一设备两端预定同样波特率
    常用设置:1位起始位,8个数据位,没有校验位,1位停止位

    三、SPI

    串行外设接口,高速的,全双工,同步的通信总线

    接口

    SDO/MOSI – 主设备数据输出,从设备数据输入;
    SDI/MISO – 主设备数据输入,从设备数据输出;
    SCLK – 时钟信号,由主设备产生;
    CS/SS – 从设备使能信号,由主设备控制。多个从设备时,每个从设备上都有一个片选引脚接入到主设备机中,通信时需将从设备对应的片选引脚电平拉低或者是拉高
    在这里插入图片描述

    模式

    从设备出厂配置好的,通过CPOL(时钟极性)和CPHA(时钟相位)来控制
    0:CPOL=0,CPHA=0,空闲时SCLK为低,数据采样是在上升沿,数据发送是在下降沿
    1:CPOL=0,CPHA=1,空闲时SCLK为低,数据发送是在上升沿,数据采样是在下降沿
    2:CPOL=1,CPHA=0,空闲时SCLK为高,数据发送是在上升沿,数据采样是在下降沿
    3:CPOL=1,CPHA=1,空闲时SCLK为高,数据采样是在上升沿,数据发送是在下降沿
    在这里插入图片描述
    SPI没有像UART/IIC专门的通信周期、起始终止信号,由时钟信号线控制

    四、IIC

    异步串行总线

    接口

    SDA :串行数据线
    SCL :串行时钟

    协议

    空闲状态:SCL、SDA都为高
    起始位:SCL为高时,SDA出现下降沿
    终止位:SCL为高时,SDA出现上升沿
    起始后,该主从设备独占,其他IIC设备无法访问,直到通讯终止
    传输数据:SCL为高,SDA电平数据写给从机,SCL为低时,SDA电平数据变化
    因此一个SCL脉冲就发送一个BIT,每发8bit(传输以字节为单位),从设备拉低SDA表示回一个应答位
    在这里插入图片描述
    每个IIC设备都一个唯一地址,7bit表述(比如EEPROM 1010***)
    最小包9bit,8bit Data + 1bit ACK或者7bit Addr + 1bit R/W + 1bit ACK
    在这里插入图片描述

    IIC操作类型

    写:起始+(从设地址+写标志+ACK)+(数据+ACK)+(数据+ACK)+终止
    读:起始+(从设地址+读标志+ACK)+(数据+ACK)+(数据+NO ACK)+终止
    先写后读:起始+(从设地址+写标志+ACK)+(数据+ACK)+重启起始+(从设地址+读标志+ACK)+(数据+ACK)+终止

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    串口通讯是什么?学术解释是,通过总线在一个时间点连续发送一位数据的方法。如同弓箭手频繁射出弓箭一般,嗖、嗖、嗖……

    串口通讯协议是什么?说的大白话一点,就是串口通信时所使用的协议传输方式。

    串口通讯协议有几种呢?串行通信协议包括系统间协议和内部系统协议。

    系统间协议:用于通信两个不同设备的系统间协议。就像计算机与微控制器套件之间的通信一样。通过内部总线系统进行通信。常见的有UART协议、USART协议、USB协议。

    内部系统协议:内部系统协议用于通信电路板上的两个设备。在使用这些系统内协议时,我们将不使用系统内协议而扩展微控制器的外围设备。使用系统内协议会增加电路复杂度和功耗。使用系统内协议,电路复杂度和功耗降低,成本降低,并且访问数据非常安全。常见的有I2C协议、SPI协议、CAN协议。

    UART协议
      UART代表通用异步发送器和接收器。UART协议是具有两个有线协议的串口通信。数据电缆信号线标记为Rx和Tx。串口通信通常用于发送和接收信号。它被传输并与串口通信接收数据,而没有类脉冲。UART接收数据字节并按顺序发送各个位。

    USAT协议在嵌入式系统中,通常作为 MCU 的外设; 一般来说,由芯片引脚直接引出的一般是 TTL 电平;而中间接有转换芯片的可能就是RS232电平。详情可查看:串行通讯的标准

    在这里插入图片描述

    串口通讯协议:UART协议

    UART是半双工协议。半双工意味着具有传输和接收数据的功能,但不能同时进行。大多数控制器在电路板上都有硬件UART。它使用一条数据线来发送和接收数据。它具有一个起始位、一个8位数据和一个停止位,表示8位数据传输一个人的信号是从高到低。例如:电子邮件、短信、对讲机,工业物联网传输设备串口服务器。
    在这里插入图片描述

    串口通讯协议:UART协议数据流

    UART协议数据流

    USART协议
      USART代表通用的同步和异步发送器和接收器。它是两线协议的串口通信。数据电缆信号线标记为Rx和TX。该协议用于逐字节发送和接收数据以及时钟脉冲。这是一种全双工协议,意味着同时以不同的板速发送和接收数据。不同的设备通过此协议与微控制器通信。例如电信。
    在这里插入图片描述

    串口通讯协议:USART协议

    USART协议数据流

    USB协议
      USB代表通用串行总线。同样,它是两线协议的串行通信。数据电缆信号线标记为D +和D-。此协议用于与系统外围设备进行通信.USB协议用于向主机和外围设备串行发送和接收数据.USB通信需要基于系统功能的驱动程序软件.USB设备可以在其上传输数据主机上没有任何请求的总线。现在,当今大多数设备都在使用这种技术与USB协议进行通信。像计算机一样使用USB与ARM控制器通信。USB以不同的模式传输数据。第一个是10 kbps至100 kbps的慢速模式;第二个是全速模式500kbps至10mbps,高速模式25mbps至400Mbps。USB最大电缆长度为4米。

    例如:鼠标、键盘、集线器、开关、笔式驱动器。
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    串口通讯协议:USB协议通讯

    USB协议通讯

    I2C协议
      I2C代表内部集成电路。I2C只需两条线即可将所有外设连接到微控制器。I2C只需两条线SDA(串行数据线)和SCL(串行时钟线)即可在设备之间传输信息。它是从属通信协议的主控。每个从站都有一个唯一的地址。主设备发送目标从设备的地址和读/写标志。该地址与该设备打开的任何从设备匹配,其余从设备处于禁用模式。一旦地址匹配,在主机和该从机之间进行通信,并发送和接收数据。发送器发送8位数据,接收器回复1位确认。通讯完成后,主站发出停止条件。

    I2C总线是由飞利浦半导体公司开发的。其最初目的是提供一种将CPU连接到外围设备芯片的简便方法。嵌入式系统中的外围设备通常作为内存映射设备连接到微控制器。I2C仅需要两条线即可将所有外设连接到微控制器。这些称为SDA和SCL的有源线都是双向的。SDA线是串行数据线,而SCA线是串行时钟线。
    在这里插入图片描述

    串口通讯协议:I2C协议数据流

    I2C协议数据流

    I2C上拉电阻:

    为什么在I2C SCL和SDA线路中使用上拉电阻。

    SDA和SCL线均为漏极开路驱动器。

    它可以将输出驱动为低电平,将其驱动为高电平。

    为了使线路能够变高,您必须提供上拉电阻

    SPI协议
      SPI代表串行外设接口。它是摩托罗拉开发的串行通信协议之一。有时SPI协议也称为4线协议。它需要四线MOSI,MISO,SS和SCLK.SPI协议用于通信主设备和从设备。主机首先使用频率配置时钟。然后,主机通过拉片选按钮选择特定的从设备进行通信。选择该特定设备并开始主机与该特定从机之间的通信。主机一次仅选择一个从机。它是一种全双工通信协议。在位传输的情况下,不限于8位字。

    在这里插入图片描述

    串口通讯协议:SPI协议数据流

    SPI协议数据流

    CAN协议
      CAN代表控制器局域网。它是一个串行通信协议。它需要两条线CAN高(H +)和CAN低(H-)。它是由Robert bosh公司于1985年开发的,用于车载网络。它基于面向消息的传输协议。

    1970年代是汽车制造商开始引入新功能的时代,例如防抱死制动,空调,齿轮控制,中央操作门锁等。这些功能确保了额外的接线和复杂的设计,从而增加了成本和风险。为了克服这些问题,Robert Bosch在1980年代引入了CAN协议。此串行通信协议在1993年进一步标准化为ISO11898。正是CAN协议完全改变了高级传感器之间的通信。

    CAN协议常用于汽车、飞机和医疗系统中的电子网络。常见产品有Can转以太网设备USR-CANET200
    在这里插入图片描述

    串口通讯协议:CAN协议

    展开全文
  • 本文主要介绍了一下关于STM32的几种串口通信协议,希望对你的学习有所帮助。
  • 高速串行接口的简介

    2019-03-30 13:33:23
    xilinx官方的高速串行接口文档,非常经典,强烈推荐。对于初次接触高速串行接口的人,很多概念不清楚,该文档解释的非常好,看后豁然开朗。
  • 几个串口通信协议的整理

    万次阅读 多人点赞 2019-02-18 09:55:21
    UART是一个大家族,其包括了RS232、RS499、RS423、RS422和RS485等接口标准规范和总线标准规范。它们的主要区别在于其各自的电平范围不相同。 嵌入式设备中常常使用到的是TTL、TTL转RS232的这种方式。常用的就三根...

    一、UART

    UART是一个大家族,其包括了RS232、RS499、RS423、RS422和RS485等接口标准规范和总线标准规范。它们的主要区别在于其各自的电平范围不相同。

    嵌入式设备中常常使用到的是TTL、TTL转RS232的这种方式。常用的就三根引线:发送线TX、接收线RX、电平参考地线GND。

    1.1 电路示意图

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    1.2 通信协议

    将传输数据的每个字符一位接一位地传输。

    https://img-blog.csdn.net/20170719232822650” alt=”串口数据传输示意图.png” title=”” />

    起始位:先发出一个逻辑”0”的信号,表示传输字符的开始。

    数据位:紧接着起始位之后。数据位的个数可以是4、5、6、7、8等,构成一个字符。通常采用ASCII码。

    奇偶校验位:数据位加上这一位后,使得“1”的位数应为偶数(偶校验)或奇数(奇校验),以此来校验资料传送的正确性。

    停止位:它是一个字符数据的结束标志。可以是1位、1.5位、2位的高电平。

    空闲位:处于逻辑“1”状态,表示当前线路上没有资料传送。

    波特率:数据传输的速率。有以下几个档位:300、600、1200、2400、4800、9600、19200、38400、43000、56000、57600、115200.当然也可以自定义。在数据传输和接收双方,需要预先统一波特率,以便正确的传输数据。

    二、I2C 总线

    2.1 电路示意图

    I²C (Inter-Integrated Circuit)。其拥有一根数据线SDA和一根时钟线SCL。其总线通过上拉电阻与电源相连接。每个接到I2C总线上的器件都有唯一的地址。其中,主动发起操作的一方为主机,另外一方为从机。

    IIC 总线

    2.2 数据传输

    当没有数据传输的时候,两根总线都为高电平;当采集IIC上的数据时,其时钟线SCL必须是高电平且SDA的数据必须保持稳定不变—将SDA的电平与SCL的高电平进行“与”操作后,以便确定SDA上是1还是0;在SCL为低电平的时候,SDA上的数据可以进行跳变。

    数据传输开始时,需要发送一个起始信号;数据传输结束后,需要发送一个终止信号;每8bit数据传输结束,都需要一个ACK。起止信号都有Master发出,而ACK则可能由Master或者SLAVE来发出。数据的传输采用大端传输。

    开始信号:SCL为高电平,SDA的电平由高跳到低表示开始信号。

    终止信号:SCL为高电平,SDA的电平由低跳到高表示终止信号。
    IIC时序

    2.3 数据协议

    IIC数据协议

    2.4 I2C读写流程

    I2C读写流程

    I2C写寄存器的标准流程.png

    I2C读寄存器的标准流程.png

    三、SPI总线

    SPI(Serial Peripheral Interface)是一种串行串行同步通讯协议,由一个主设备和一个或多个从设备组成。其拥有四根(类)硬脚引线,分别为 SDI(串行数据输入),SDO(串行数据输出),SCK(串行移位时钟),CS(片选)。因为一个主设备可以挂多个从设备,则通过片选引脚对从设备进行选择。从设备的工作时钟则是来自于主设备的SCK线。

    3.1 电路示意图

    SPI总线

    3.2 数据的传输

    SPI在数据传输的时候,需要确定两件事情:其一,数据是在时钟的上升沿采集还是下降沿采集;其二,时钟的初始(空闲)状态是为高电平还是低电平。而I2C的空闲状态,时钟线为高电平;数据采集的时候,时钟线也为高电平。但SPI给出了更自由的方式。

    CPOL:时钟极性, 表示 SPI 在空闲时, 时钟信号是高电平还是低电平。

    CPHA:时钟相位, 表示 SPI 设备是在 SCK 管脚上的时钟信号变为上升沿时触发数据采样, 还是在时钟信号变为下降沿时触发数据采样。

    那么,SPI CPOL有两种可能,CPHA有两种可能,则SPI数据传输就有四种可能—按照标准的说法,SPI数据传输就有四种模式。

    SPI数据传输就有四种模式

    SPIMode0.png

    SPIMode2.png

    这里写图片描述

    3.3 SPI读写

    SPI在硬件设计上采用的双数据线制,根据设计,在SPI通信过程中,主从设备之间会形成一个数据环形链路—也即是,主设备向从设备写一次数据,从设备就会回一次数据(至于该从设备回复的数据是否有效,则另当别论—如果有效,主设备就把它读入;如果无效,则丢弃即可)。

    SPI主从连接.png

    SPI读写.png

    展开全文
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    一、IIC

    1.1 IIC概述

    • 同步串行通信总线: SCL——时钟线 SDA——数据线

    同步通信:通信中双方使用频率一致的时钟
    异步通信:通信中的接收方并不知道数据什么时候会到达,收发双方可以有各自自己的时钟

    • 主从架构、半双工协议
    • 标准模式 100kbps, 快速模式 400kbps, 高速模式 3.4 Mbps
    • IC数量受到总线最大电容 400pF 限制
    • 模块连接图
      在这里插入图片描述
      IIC总线通过上拉电阻接正电源。总线空闲时,SDA 和 SCL 均为高电平。总线上任意器件输出低电平,总线信号变低。即各器件的 SDA 和 SCL 是线与关系

    1.2 IIC 总线的主机与从机

    • 主机特征:起始,产生时钟信号,终止
    • 无论是主机和从机,都可以充当发送器或接收器
    • 多主机系统要通过总线仲裁决定谁控制总线

    1.3 IIC具体协议

    只要理解六幅图即可

    • 数据有效性规定:SCL 高电平器件 SDA 要求稳定,SCL 低电平器件数据可以变化
    • 起始与停止:起始和停止信号都由主机发生
      在这里插入图片描述
    • 字节传送与应答:一帧共9位,数据位加应答位
      在这里插入图片描述
    • 数据帧格式:阴影部分表示主机向从机发送数据,无阴影部分表示数据由从机向主机传送。 A 表示应答 ,/A表示无应答。S表示起始信号,P表示终止信号

    下图为主机发送数据,起始信号之后,发送从机地址共7位,第8位为R/W,表示数据传送方向
    在这里插入图片描述
    下图为主机读取数据,起始信号后,发送从机地址和R/W,之后接收数据,当接收到最后一个数据字节后,对从机非应答表示结束传送,之后从机释放总线,主机产生结束信号
    在这里插入图片描述
    当传送过程中改变方向时,起始信号和从机地址需要重复一次
    在这里插入图片描述

    1.4 IIC总线仲裁

    • 当多个主机同时访问从机时,需要总线仲裁。总线仲裁分两部分:SCL 线同步和 SDA 线仲裁
    • SCL 同步:主机同时访问从机,即多个节点同时发送时钟信号,由于总线具有线与特点,表现为SCL同步
      在这里插入图片描述
    • SDA 线仲裁:
      节点在发送一位数据后,比较总线上所呈现的数据是否与自己发送的一致,是继续发送,否则退出竞争
      在这里插入图片描述
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    总的来说,UART用在与主机(比如...最早是没有统一的串行接口标准的,各个公司在自己的领域分别提出来,最终成为了通用的标准。这些协议分别用在不同的通信,分别完成不通的功能。就像人体内有很多肌肉。但由于...
  • 通信可以形象的比喻成两个人讲话:1、你说的别人得能听懂:双方约定信号的协议。2、你的语速别人得能接受:双方满足时序要求。 一、IIC协议: 2C串行总线一般有两根信号线,一根是双向的数据线SDA,另一根是时钟线...
  • TTL、RS-232、RS-485区别详解1、物理接口形式2、电平标准2.1 **TTL**2.2 **RS232**2.3 **RS485**2.4 TTL标准及RS-232标准2.5 补充3、几种常见、常用的硬件接口二、串口通信百度百科三、协议层1. 波特率2. 通讯的...
  • 串口、Modbus通信协议

    千次阅读 2022-04-12 10:40:00
    串口:一般来说就是指串行通讯口,常用的有RS485, RS232和RS422,如下图所示: Modbus通信协议:Modbus通信协议分为MODBUS RTU,MODBUS ASCII和MODBUS TCP三种模式。MODBUS RTU,MODBUS ASCII所用的物理硬件接口都...

空空如也

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常用串口协议