串行通信协议-优快云博客

串行通信协议详解

1. UART（通用异步收发传输器）

基本概念

UART是一种异步串行通信协议，使用两条数据线进行全双工通信。

物理特性

参数	说明
线路数量	2线（TX、RX）或3线（加上GND）
通信方式	全双工
同步方式	异步
最大设备数	点对点

数据帧格式

┌───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┐
│ S │D0│D1│D2│D3│D4│D5│D6│D7│ P │ E │
└───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┘
S:起始位, D:数据位, P:校验位, E:停止位

代码示例

// Arduino串口示例
void setup() {
    Serial.begin(9600);  // 初始化串口，波特率9600
}

void loop() {
    Serial.println("Hello World!");
    
    if (Serial.available() > 0) {
        String data = Serial.readString();
        Serial.print("Received: ");
        Serial.println(data);
    }
    delay(1000);
}

特点

✅ 优点: 简单、成本低、广泛支持
❌ 缺点: 速度较慢、传输距离有限
🎯 应用: 调试输出、GPS模块、蓝牙模块

2. I2C（内部集成电路）

基本概念

I2C是一种同步、多主从、半双工的串行通信总线。

物理特性

参数	说明
线路数量	2线（SDA、SCL）
通信方式	半双工
同步方式	同步
最大设备数	理论128个（7位地址）

通信时序

┌───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┐
│ S │地址│ W │ACK│数据│ACK│数据│ACK│...│ P │
└───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┘
S:起始条件, W:写位, ACK:应答, P:停止条件

代码示例

// Arduino I2C主设备示例
#include <Wire.h>

void setup() {
    Wire.begin();
    Serial.begin(9600);
}

void loop() {
    // 写入数据
    Wire.beginTransmission(0x50);
    Wire.write(0x00);  // 内存地址
    Wire.write(0xAB);  // 数据
    Wire.endTransmission();
    
    delay(100);
    
    // 读取数据
    Wire.beginTransmission(0x50);
    Wire.write(0x00);
    Wire.endTransmission(false);  // 重复起始条件
    
    Wire.requestFrom(0x50, 1);
    if (Wire.available()) {
        byte data = Wire.read();
        Serial.print("Read: 0x");
        Serial.println(data, HEX);
    }
    delay(1000);
}

特点

✅ 优点: 引脚少、支持多设备、有ACK机制
❌ 缺点: 速度中等、协议相对复杂
🎯 应用: 传感器、EEPROM、RTC时钟

3. SPI（串行外设接口）

基本概念

SPI是一种同步、全双工的串行通信协议。

物理特性

参数	说明
线路数量	4线（MOSI、MISO、SCK、SS）
通信方式	全双工
同步方式	同步
最大设备数	理论上无限制（每个从设备需要单独的SS）

信号线说明

信号线	方向	描述
MOSI	主→从	主设备输出，从设备输入
MISO	从→主	主设备输入，从设备输出
SCK	主→从	时钟信号
SS	主→从	从设备选择（低电平有效）

代码示例

// Arduino SPI主设备示例
#include <SPI.h>

void setup() {
    Serial.begin(9600);
    SPI.begin();
    pinMode(SS, OUTPUT);
    digitalWrite(SS, HIGH);
}

void loop() {
    digitalWrite(SS, LOW);
    byte received = SPI.transfer(0x55);
    digitalWrite(SS, HIGH);
    
    Serial.print("Received: 0x");
    Serial.println(received, HEX);
    delay(1000);
}

特点

✅ 优点: 速度快、全双工、协议简单
❌ 缺点: 引脚多、不支持多主设备
🎯 应用: SD卡、显示屏、Flash存储器

4. USB（通用串行总线）

基本概念

USB是一种通用的高速串行总线标准，支持热插拔。

USB版本对比

版本	速度	发布时间	特点
USB 1.0	1.5 Mbps	1996年	最早版本
USB 1.1	12 Mbps	1998年	广泛使用
USB 2.0	480 Mbps	2000年	当前主流
USB 3.0	5 Gbps	2008年	蓝色接口
USB 3.1	10 Gbps	2013年	Type-C接口
USB 4.0	40 Gbps	2019年	雷电3协议

代码示例

// Arduino作为USB键盘示例
#include "Keyboard.h"

void setup() {
    Keyboard.begin();
    delay(2000);  // 等待电脑识别
}

void loop() {
    Keyboard.print("Hello World!");
    Keyboard.write(KEY_RETURN);
    delay(5000);
}

USB设备类型

设备类	描述	示例
HID	人机接口设备	键盘、鼠标
CDC	通信设备类	虚拟串口
MSC	大容量存储	U盘、移动硬盘
Audio	音频设备	麦克风、扬声器

特点

✅ 优点: 高速、热插拔、供电能力强
❌ 缺点: 协议复杂、开发难度大
🎯 应用: 外设连接、数据存储、音频设备

协议对比总结

特性	UART	I2C	SPI	USB
通信方式	异步	同步	同步	异步/同步
线路数量	2-3	2	4+	4+
最大速度	~115.2 kbps	~3.4 Mbps	~50 Mbps	~40 Gbps
传输距离	中等（15m）	短（几米）	短（几米）	中等（5m）
复杂度	低	中	中	高
成本	低	低	中	高
多设备支持	❌	✅	✅	✅
全双工	✅	❌	✅	✅
错误检测	可选校验	ACK位	无	CRC校验