在MCU(微控制器单元)开发中,通信模块是实现设备与外部世界(其他设备、传感器、云端等)数据交互的关键组件。通信模块的选择取决于应用场景(如距离、速率、功耗、成本等要求)。这些模块可以是MCU内置的外设,也可以是外接的独立芯片或模块。以下将详细讲解 MCU 开发中常见的通信模块,包括其原理、特点、典型芯片和应用场景,并结合 STM32 等 MCU 示例进行说明。
一、通信模块分类
通信模块可以分为有线通信和无线通信两大类,每类下又有多种具体实现方式。
1. 有线通信模块
有线通信通过物理线路传输数据,通常具有较高的可靠性和速率,但受限于布线成本和距离。
(1) UART/USART(通用异步/同步收发器)
- 原理:通过 TX(发送)和 RX(接收)两根线传输数据,支持异步(无时钟信号)和同步(有时钟信号)模式。数据以帧的形式传输,包含起始位、数据位、校验位和停止位。
- 特点:
- 速率:通常 9600 bps 至 115200 bps,最高可达数 Mbps。
- 距离:短距离(<15米,视波特率)。
- 功耗:低。
- 协议:简单,无复杂协议栈。
- 典型芯片:
- 内置:STM32F103 的 USART1/2/3。
- 外接:MAX232(电平转换芯片,用于 RS-232)。
- 应用场景:
- MCU 与 PC 通信(如串口调试)。
- 与蓝牙模块(如 HC-05/HC-06)透传数据。
- STM32 示例:STM32F103C8T6 有 3 个 UART/USART,支持中断和 DMA 传输。
(2) SPI(串行外设接口)
- 原理:通过四线(MOSI、MISO、SCLK、CS)实现主从通信,主设备控制时钟信号,数据全双工传输。
- 特点:
- 速率:高达数 Mbps(视 MCU 主频)。
- 距离:短距离(<1米)。
- 功耗:中等。
- 协议:无标准协议,需自定义。
- 典型芯片:
- 内置:STM32F103 的 SPI1/2。
- 外接:W25Q64(SPI Flash)、ENC28J60(以太网芯片)。
- 应用场景:
- MCU 与 SPI Flash 存储通信。
- 与传感器(如 MPU6050)或显示屏(如 SPI TFT)通信。
- STM32 示例:STM32F103C8T6 支持 2 个 SPI,最高速率达 18 Mbps。
(3) I2C(Inter-Integrated Circuit)
- 原理:通过两线(SDA 数据线、SCL 时钟线)实现主从通信,支持多主多从架构,使用 7 位或 10 位地址寻址。
- 特点:
- 速率:100 kbps(标准模式)、400 kbps(快速模式)、最高 1 Mbps。
- 距离:短距离(<1米)。
- 功耗:低。
- 协议:标准协议,支持多设备挂接。
- 典型芯片:
- 内置:STM32F103 的 I2C1/2。
- 外接:EEPROM(如 AT24C02)、传感器(如 BMP280)。
- 应用场景:
- MCU 与 I2C 传感器(如温度、气压传感器)通信。
- 与存储芯片(如 EEPROM)读写配置。
- STM32 示例:STM32F103C8T6 支持 2 个 I2C,支持快速模式。
(4) CAN(控制器局域网)
- 原理:通过差分信号(CAN_H、CAN_L)实现多节点通信,具有高可靠性和容错能力,广泛用于汽车和工业领域。
- 特点:
- 速率:最高 1 Mbps。
- 距离:长距离(<1000米,视速率)。
- 功耗:中等。
- 协议:CAN 2.0A/2.0B,支持多主通信。
- 典型芯片:
- 内置:STM32F103 的 CAN 控制器。
- 外接:MCP2515(SPI 转 CAN)。
- 应用场景:
- 汽车电子(如 ECU 通信)。
- 工业自动化(如设备互联)。
- STM32 示例:STM32F103C8T6 内置 1 个 CAN 控制器,需外接收发器(如 TJA1050)。
(5) USB(通用串行总线)
- 原理:通过 D+ 和 D- 差分信号实现高速通信,支持主机和设备模式,广泛用于 PC 和外设连接。
- 特点:
- 速率:全速 12 Mbps(STM32F103),高速 480 Mbps(部分高端型号)。
- 距离:短距离(<5米)。
- 功耗:中等。
- 协议:USB 2.0,支持多种类(如 HID、CDC)。
- 典型芯片:
- 内置:STM32F103 的 USB 外设。
- 外接:CH340(USB 转 UART)。
- 应用场景:
- MCU 模拟 U 盘(Mass Storage)。
- USB 虚拟串口(CDC)与 PC 通信。
- STM32 示例:STM32F103C8T6 支持全速 USB 设备模式。
(6) 以太网(Ethernet)
- 原理:通过以太网 MAC 和 PHY 实现有线网络通信,支持 TCP/IP 协议栈。
- 特点:
- 速率:10/100 Mbps(STM32F4/F7),部分支持 1000 Mbps。
- 距离:长距离(<100米,视网线)。
- 功耗:较高。
- 协议:TCP/IP(如 LwIP)。
- 典型芯片:
- 内置:STM32F407

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