單片機(jī)通信協(xié)議方式有哪幾種？圖解分析

單片機(jī)通信協(xié)議是指單片機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)所遵循的規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)。通信協(xié)議的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)是保證單片機(jī)之間可靠通信的關(guān)鍵。常見的單片機(jī)通信協(xié)議包括串口通信協(xié)議、I2C總線協(xié)議、SPI總線協(xié)議等。串口通信協(xié)議是單片機(jī)之間最常見的通信方式，包括硬件部分和軟件部分兩個(gè)方面。硬件部分主要指串口接口電路，而軟件部分主要指數(shù)據(jù)傳輸格式和控制流程。

單片機(jī)通信協(xié)議方式主要有以下幾種：

UART(通用異步收發(fā)器)：一種全雙工通信協(xié)議，速率較慢，適用于近距離通信，通常用于單片機(jī)和計(jì)算機(jī)之間的通信。UART通信協(xié)議的基本工作原理，發(fā)送方和接收方之間通過兩根線(一根用于發(fā)送數(shù)據(jù)，一根用于接收數(shù)據(jù))進(jìn)行通信。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送方將數(shù)據(jù)按照一定的格式(通常是起始位、數(shù)據(jù)位、可選的校驗(yàn)位和停止位)發(fā)送到接收方;在接收數(shù)據(jù)時(shí)，接收方按照同樣的格式接收數(shù)據(jù)，并進(jìn)行校驗(yàn)和處理。

UART通信協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，簡(jiǎn)單、靈活、易于實(shí)現(xiàn)、成本低等。它廣泛應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)外設(shè)中，比如打印機(jī)、掃描儀、攝像頭等。同時(shí)，UART也是很多其他通信協(xié)議的基礎(chǔ)，比如RS-232、RS-485等。

I2C(雙向、兩線、串行、多主控接口標(biāo)準(zhǔn))：一種半雙工通信協(xié)議，速率較快，適用于近距離通信，通常用于單片機(jī)和外設(shè)之間的通信。I2C(Inter-Integrated Circuit BUS) 集成電路總線，該總線由 NXP(原 PHILIPS)公司設(shè)計(jì)，多用于主控制器和從器件間的主從通信，在小數(shù)據(jù)量場(chǎng)合使用，傳輸距離短，任意時(shí)刻只能有一個(gè)主機(jī)等特性。

I2C只要求兩條總線線路，一條是串行數(shù)據(jù)線SDA，一條是串行時(shí)鐘線SCL,(IIC 是半雙工，而不是全雙工)。每個(gè)連接到總線的器件都可以通過唯一的地址和其它器件通信，主機(jī)/從機(jī)角色和地址可配置，主機(jī)可以作為主機(jī)發(fā)送器和主機(jī)接收器。IIC 是真正的多主機(jī)總線，(而這個(gè) SPI 在每次通信前都需要把主機(jī)定死，而 IIC 可以在通訊過程中，改變主機(jī))，如果兩個(gè)或更多的主機(jī)同時(shí)請(qǐng)求總線，可以通過沖突檢測(cè)和仲裁防止總線數(shù)據(jù)被破壞。傳輸速率在標(biāo)準(zhǔn)模式下可以達(dá)到 100kb/s,快速模式下可以達(dá)到 400kb/s。

SPI(高速同步串行口)：一種全雙工通信協(xié)議，速率較快，適用于近距離通信，通常用于單片機(jī)和外設(shè)之間的通信。通常 SPI 通信要求 4 根線，分別是 MOSI(mast output salve input), MISO, CLK, CS。當(dāng)發(fā)送和接受數(shù)據(jù)的工作都準(zhǔn)備好了，只要有時(shí)鐘 CLK,就發(fā)送數(shù)據(jù)，沒有時(shí)鐘就不發(fā)送，而且一個(gè)時(shí)鐘周期發(fā)送一位(bit)數(shù)據(jù)，所以發(fā)送數(shù)據(jù)的快慢由時(shí)鐘頻率來控制。

至于時(shí)鐘和數(shù)據(jù)的相位沒有特別嚴(yán)格的要求(而 IIC 中，數(shù)據(jù)的變化只能在 SCL 是低電平的時(shí)候發(fā)生)， SPI數(shù)據(jù)的變化是一個(gè)時(shí)鐘周期一次，這樣的方法來傳輸數(shù)據(jù)就簡(jiǎn)單多了。我們可以根據(jù)需求對(duì)時(shí)鐘的極性和相位做調(diào)整，看看是在時(shí)鐘上升沿還是下降沿來發(fā)送數(shù)據(jù)，還有停止發(fā)送時(shí)時(shí)鐘的極性，是保持高電平還是低電平。另外在多機(jī)通信時(shí)， SPI 只是簡(jiǎn)單的通過一個(gè)片選信號(hào)來選擇哪個(gè)設(shè)備占用總線，但是 IIC 是通過發(fā)送從設(shè)備地址來自動(dòng)選擇的。

USB(高速同步串行口)：一種全雙工通信協(xié)議，速率較快，適用于近距離和遠(yuǎn)距離通信，通常用于單片機(jī)和計(jì)算機(jī)之間的通信。在單片機(jī)應(yīng)用中，可以使用專門的USB芯片來實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的通信，例如CH340、FT232等。這些芯片內(nèi)置了USB通信協(xié)議，可以方便地與單片機(jī)進(jìn)行連接和通信。同時(shí)，也可以使用一些開源的USB庫或驅(qū)動(dòng)程序來簡(jiǎn)化開發(fā)過程。

CAN(控制器局域網(wǎng))：一種全雙工通信協(xié)議，速率較快，適用于遠(yuǎn)距離通信，通常用于汽車和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的通信。CAN 是控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network, CAN)的簡(jiǎn)稱，是由以研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國BOSCH 公司開發(fā)的，并最終成為國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO 11898)，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。 在北美 和西歐， CAN總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)總線，并且擁有以 CAN 為底層協(xié)議專為大型貨車和重工機(jī)械車輛設(shè)計(jì)的J1939 協(xié)議。

DMA(直接內(nèi)存訪問)：一種通過外部設(shè)備直接訪問內(nèi)存的技術(shù)，通常用于高速數(shù)據(jù)傳輸，如音頻和視頻數(shù)據(jù)的傳輸。

在設(shè)計(jì)通信協(xié)議時(shí)，需要考慮到數(shù)據(jù)的可靠性、實(shí)用性和兼容性等原則，以確保單片機(jī)之間能夠進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)傳輸。例如，可以采用校驗(yàn)和、錯(cuò)誤重傳等技術(shù)來提高數(shù)據(jù)的可靠性;盡量簡(jiǎn)化協(xié)議，減少不必要的操作，以提高實(shí)用性;同時(shí)要考慮到不同型號(hào)、不同廠家的單片機(jī)之間的兼容性問題，盡可能遵循標(biāo)準(zhǔn)化的通信協(xié)議。單片機(jī)通信協(xié)議是單片機(jī)應(yīng)用中的重要技術(shù)之一，需要根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的通信協(xié)議，并進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。