嵌入式開發中常用的幾種通信接口總結
在嵌入式系統中，板上通信接口是指用于將各種集成電路與其他外圍設備交互連接的通信通路或總線。UART、I2C、RS485等普遍在用，對它們的認識可能模棱兩可，本文把它們整理了一下。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/202309/450875.htmUART通用異步收發器
UART口指的是一種物理接口形式（硬件）。
UART是異步，全雙工串口總線，它比同步串口復雜很多。有兩根線，一根TXD用于發送，一根RXD用于接收。
UART的串行數據傳輸不需要使用時鐘信號來同步傳輸，而是依賴于發送設備和接收設備之間預定義的配置。
對于發送設備和接收設備來說，兩者的串行通信配置應該設置為完全相同。
· 起始位：表示數據傳輸的開始，電平邏輯為“0” 。
· 數據位：可能值有5、6、7、8、9，表示傳輸這幾個bit位數據。一般取值為8，因為一個ASCII字符值為8位。
· 奇偶校驗位：用于接收方對接收到的數據進行校驗，校驗“1”的位數為偶數（偶校驗）或奇數（奇校驗），以此來校驗數據傳送的正確性，使用時不需要此位也可以。
· 停止位：表示一幀數據的結束。電平邏輯為“1”。
· 波特率：串口通信時的速率，它用單位時間內傳輸的二進制代碼的有效位（bit）數來表示，其單位為每秒比特數bit/s（bps）。
如果用通用IO口模擬UART總線，則需一個輸入口，一個輸出口。
I2C總線
I2C總線是一種同步、半雙工雙向的兩線式串口總線。它由兩條總線組成：串行時鐘線SCL和串行數據線SDA。
SCL線 —— 負責產生同步時鐘脈沖。
SDA線 —— 負責在設備間傳輸串行數據。
該總線可以將多個I2C設備連接到該系統上。連接到I2C總線上的設備既可以用作主設備，也可以用作從設備。
主設備負責控制通信，通過對數據傳輸進行初始化，來發送數據并產生所需的同步時鐘脈沖。從設備則是等待來自主設備的命令，并響應命令接收。
主設備和從設備都可以作為發送設備或接收設備。無論主設備是作為發送設備還是接收設備，同步時鐘信號都只能由主設備產生。
如果用通用IO口模擬I2C總線，并實現雙向傳輸，則需一個輸入輸出口（SDA），另外還需一個輸出口（SCL）。
SPI串行外設接口
SPI總線是同步、全雙工雙向的4線式串行接口總線。它是由“單個主設備+多個從設備”構成的系統。
在系統中，只要任意時刻只有一個主設備是處于激活狀態的，就可以存在多個SPI主設備。常運用于AD轉換器、EEPROM、FLASH、實時時鐘、數字信號處理器和數字信號解碼器之間實現通信。
為了實現通信，SPI共有4條信號線，分別是：
· 主設備出、從設備入（Master Out Slave In，MOSI）：由主設備向從設備傳輸數據的信號線，也稱為從設備輸入（Slave Input/Slave Data In，SI/SDI）。
· 主設備入、從設備出（Master In Slave Out，MISO）：由從設備向主設備傳輸數據的信號線，也稱為從設備輸出（Slave Output/Slave Data Out，SO/SDO）。
· 串行時鐘（Serial Clock，SCLK）：傳輸時鐘信號的信號線。
· 從設備選擇（Slave Select，SS）：用于選擇從設備的信號線，低電平有效。
SPI的工作時序模式由CPOL（Clock Polarity，時鐘極性）和CPHA（Clock Phase，時鐘相位）之間的相位關系決定。
· CPOL表示時鐘信號的初始電平的狀態，CPOL為0表示時鐘信號初始狀態為低電平，為1表示時鐘信號的初始電平是高電平。
· CPHA表示在哪個時鐘沿采樣數據，CPHA為0表示在首個時鐘變化沿采樣數據，而CPHA為1則表示在第二個時鐘變化沿采樣數據。
根據CPOL和CPHA的不同組合共有4種工作時序模式：
CPOL=0，CPHA=0
CPOL=0，CPHA=1
CPOL=1，CPHA=0
CPOL=1，CPHA=1
UART、SPI、I2C比較設接口
I2C線更少，比UART、SPI更為強大，但是技術上也更加麻煩些，因為I2C需要有雙向IO的支持，而且使用上拉電阻，抗干擾能力較弱，一般用于同一板卡上芯片之間的通信，較少用于遠距離通信。
SPI實現要簡單一些，UART需要固定的波特率，就是說兩位數據的間隔要相等，而SPI則無所謂，因為它是有時鐘的協議.
I2C的速度比SPI慢一點，協議比SPI復雜一點，但是連線也比標準的SPI要少。
UART一幀可以傳5/6/7/8位，I2C必須是8位。I2C和SPI都從最高位開始傳。
SPI用片選信號選擇從機，I2C用地址選擇從機。
RS232串口通信
傳輸線有兩根，地線一根。電平是負邏輯：
-3V~-15V邏輯“1”，+3V~+15V邏輯“0”。
RS-232串口通信傳輸距離15米左右?？勺龅诫p向傳輸，全雙工通訊，傳輸速率低20kbps 。
下圖是DB9公頭和母頭的定義，一般用最多的是RXD、TXD、GND三個信號。
TTL和RS-232互轉
單片機接口一般是TTL電平，如果接232電平的外設，就需要加TTL轉RS232的模塊。如下圖，可用芯片MAX232進行轉換。
RS422串口通信
RS-422有4根信號線：兩根發送、兩根接收和一根地線，是全雙工通信。
它有一個主設備，其余為從設備，從設備之間不能通信，所以RS-422支持點對多的雙向通信。
RS485串口通信
RS-485采用平衡發送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。
采用兩線半雙工傳輸，最大速率10Mb/s，電平邏輯是兩線的電平差來決定的，提高抗干擾能力，傳輸距離長（幾十米到上千米）。
+2V~+6V邏輯“1”，-2~-6V邏輯“0”。
TTL轉成RS-485很常見，比如MAX485，參考電路如下
· RE引腳：接收器輸出使能（低電平有效）。
· DE引腳：發送器輸出使能（高電平有效）?？梢灾苯油ㄟ^MCU的IO端口控制。
TTL
嵌入式里面說的串口，一般是指UART口。4個pin（Vcc，GND，RX，TX），用TTL電平。
PC中的COM口即串行通訊端口，簡稱串口。9個Pin，用RS232電平。
串口、COM口是指的物理接口形式（硬件）。而TTL、RS-232、RS-485是指電平標準（電信號）。
單片機與PC通訊示意圖如下：
CAN總線
CAN是控制器局域網絡的簡稱，是一種能夠實現分布式實時控制的串行通信網絡。CAN總線的功能復雜且智能，主要用于汽車通信。
CAN總線網絡主要掛在CAN_H和CAN_L，各個節點通過這兩條線實現信號的串行差分傳輸，為了避免信號的反射和干擾，還需要在CAN_H和CAN_L之間接上120歐姆的終端電阻。
每一個設備既可做主設備也可做從設備。CAN總線的通信距離可達10千米（速率低于5Kbps），速度可達1Mbps（通信距離小于40M）。
CAN電平邏輯
CAN總線采用"線與"的規則進行總線仲裁，1&0為0，所以稱0為顯性，1為隱性。
從電位上看，因為規定高電位為0，低電位為1，同時發出信號時實際呈現為高電位，從現象上看就像0覆蓋了1，所以稱0為顯性，1為隱性。
USB通信串行總線
USB接口最少有四根線，其中有兩根是數據線，而所有的USB數據傳輸都是通過這兩根線完成。它的通信遠比串口復雜的多。
兩根數據線采用差分傳輸，即需要兩根數據線配合才能傳輸一個bit，因此是半雙工通信，同一時間只能發送或者接收。
USB規定，如果電壓電平不變，代表邏輯1；如果電壓電平變化，則代表邏輯0。
USB轉TTL
一般USB轉串口都是用CH340G芯片。
用串口通信比USB簡單，因為串口通信沒有協議。
SD卡
SD卡是一種存儲卡，可用于手機作為內存卡使用。
嵌入式中，單片機與SD卡通信有兩種模式：
· SPI總線通信模式
· SD總線通信模式
值得注意的是，SD總線模式中有4條數據線；SPI總線模式中僅有一條數據線（MOSI和MISO不能同時讀數據，也不能同時寫數據）；
這樣在嵌入式中，單片機與SD卡通信時采用SD總線模式比SPI總線模式速度快幾倍。
1-WIRE總線
1-Wire由美國Dallas（達拉斯）公司推出，是一種異步半雙工串行傳輸。采用單根信號線，既傳輸時鐘又傳輸數據，而且數據傳輸是雙向的。
單總線的數據傳輸速率一般為16.3Kbit/s，最大可達142Kbit/s，通常情況下采用100Kbit/s以下的速率傳輸數據。
1-Wire線端口為漏極開路或三態門的端口，因此一般需要加上拉電阻Rp，通常選用5K~10KΩ
主要應用在：打印墨盒或醫療消耗品的識別；印刷電路板、配件及外設的識別和認證。
DMA直接存儲器訪問
DMA是STM32內的一個硬件模塊，它獨立于CPU，在外圍設備和內存之間進行數據傳輸，解放了CPU，可使CPU的效率大大提高。
它可以高速訪問外設、內存，傳輸不受CPU的控制，并且是雙向通信。因此，使用DMA可以大大提高數據傳輸速度，這也是ARM架構的一個亮點 —— DMA總線控制。
DMA就相應于一條高速公路，專用、高速的特性。如果不使用DMA，也可以達到目的，只是達到目的的時間比較長。
Ethernet以太網
以太網是目前應用最普遍的局域網技術。大家知道，以太網接口可分為協議層和物理層。
協議層是由一個叫MAC（Media Access Layer）控制器的單一模塊實現。
物理層由兩部分組成，即PHY（Physical Layer）和傳輸器。
目前很多主板的南橋芯片已包含了以太網MAC控制功能，只是未提供物理層接口。因此，需外接PHY芯片以提供以太網的接入通道。
網絡變壓器的作用是：
耦合差分信號，抗干擾能力更強
變壓器隔離網線端不同設備的不同電平，隔離直流信號
以太網接口參考電路，如下圖所示。
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