485 CAN 单总线 SPI I2C 特点

最新推荐文章于 2024-11-10 11:50:32 发布

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#单片机 #嵌入式硬件

本文详细介绍了几种常见的通信接口：RS485以其长距离、多节点及抗干扰能力强等特点广泛应用于工业控制；CAN总线以其高效的仲裁机制和高可靠性在汽车电子中占有一席之地；单总线则是节省资源的单线双向通信协议，常用于低功耗设备；SPI作为一种高速全双工同步接口，常见于微控制器与外围设备间的数据交换。每种协议都有其独特的应用场景和优势。

485（一般称作 RS485/EIA-485）是隶属于 OSI 模型物理层的电气特性规定为 2 线，半双工，多点通信的标准。它的电气特性和 RS-232 大不一样。用缆线两端的电压差值来表示传递信号。

RS485 的特点：

1）接口电平低，不易损坏芯片。RS485 的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+(2~ 6)V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-(2~6)V 表示。接口信号电平比 RS232 降低了，不易损坏接口电路的芯片，且该电平与 TTL 电平兼容，可方便与 TTL 电路连接。

2）传输速率高。10 米时，RS485 的数据最高传输速率可达 35Mbps，在 1200m 时，传输速度可达 100Kbps。

3）抗干扰能力强。RS485 接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好。

4）传输距离远，支持节点多。RS485 总线最长可以传输 1200m 以上（速率≤100Kbps）一般最大支持 32 个节点，如果使用特制的 485 芯片，可以达到 128 个或者 256 个节点，最大的可以支持到 400 个节点

协议

RS485 仅仅规定了接受端和发送端的电气特性，它没有规定或推荐任何数据协议

使用方法

RS485 推荐使用在点对点网络中，线型，总线型，不能是星型，环型网络。

理想情况下 RS485需要 2 个匹配电阻，其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗(一般 120Ω)

没有特性阻抗的话，当所有的设备都静止或者没有能量的时候就会产生噪声，而且线移需要双端的电压差

没有终接电阻的话，会使得较快速的发送端产生多个数据信号的边缘，导致数据传输出错。

CAN

CAN 是控制器局域网络 (Controller Area Network) 的简称

它是由研发和生产汽车电子产品著称的德国 BOSCH 公司开发的，并最终成为国际标准(ISO11519以及ISO11898)，是国际上应用最广泛的现场总线之一。

CAN 的特点：

( 1) CAN 为多主工作方式 ,网络上的任意节点在任意时刻都可以主动地向其他节点发送信息 ,不分主从 ,方式灵活。

( 2) CAN 网络节点可以安排优先级顺序 ,以满足和协调各自不同的实时性要求。

( 3) 采用非破坏性的总线仲裁技术 ,多点同时发送信息时 ,按优先级顺序通信 ,节省总线冲突仲裁时间 ,避免网络瘫痪。

( 4) 可以进行点对点、一点对多点和全域广播方式传递信息。

( 5) 通信速率最高可达 1M bps( 40m以内 ) ,最长传递距离达 10km(速率为 5kbps以下 )。

( 6) 网络节点目前可达 110个 ,报文标志符 2 032种 ( CAN2. 0A) ,扩展标准 ( CAN2. 0B)中报文标志符几乎不受限制。

( 7) 短帧数据结构 ,传输时间短 ,抗干扰能力强 ,检错效果好。

( 8) 通信介质可以用双绞线、同轴电缆或光纤。

( 9) 网络节点在错误严重的情况下可以自动关闭输出功能 ,脱离网络。

( 10) 实现了标准化、规范化 (国际标准 ISO11898)。

CAN协议有两个标准：

ISO11898标准（通信速率为125kbps-1Mkbps的高速通信标准）和ISO1159-2标准（125kbps以下的低速通信标准）。

单总线：

单总线是美国DALLAS公司推出的外围串行扩展总线技术。与SPI、I²C串行数据通信方式不同．它采用单根信号线，既传输时钟又传输数据，而且数据传输是双向的，具有节省I/O口线、资源结构简单、成本低廉、便于总线扩展和维护等诸多优点。

DS18B20 需要严格的单总线协议以确保数据的完整性。协议包括集中单总线信号类型：复位脉冲、存在脉冲、写 0、写 1、读 0 和读 1。所有这些信号，除存在脉冲外，都是由总线控制器发出的。

由于单总线是主从结构，只有主机呼叫从机时，从机才能应答，因此主机访问器件都必须严格遵循单总线命令序列，即初始化、ROM命令和功能命令。如果出现序列混乱，器件将不响应主机(搜索ROM命令、报警搜索命令除外)。

SPI

SPI，是英语Serial Peripheral interface的缩写，顾名思义就是串行外围设备接口。是Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。SPI接口主要应用在 EEPROM，FLASH，实时时钟，AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片集成了这种通信协议，比如MSP430单片机系列处理器。

特点

采用主-从模式(Master-Slave) 的控制方式

SPI 规定了两个 SPI 设备之间通信必须由主设备 (Master) 来控制次设备 (Slave)。一个 Master 设备可以通过提供 Clock 以及对 Slave 设备进行片选 (Slave Select) 来控制多个 Slave 设备，SPI 协议还规定 Slave 设备的 Clock 由 Master 设备通过 SCK 管脚提供给 Slave 设备， Slave 设备本身不能产生或控制 Clock，没有 Clock 则 Slave 设备不能正常工作。

采用同步方式(Synchronous)传输数据

Master 设备会根据将要交换的数据来产生相应的时钟脉冲(Clock Pulse)，时钟脉冲组成了时钟信号(Clock Signal) ，时钟信号通过时钟极性 (CPOL) 和时钟相位 (CPHA) 控制着两个 SPI 设备间何时数据交换以及何时对接收到的数据进行采样，来保证数据在两个设备之间是同步传输的。

数据交换(Data Exchanges)

SPI 设备间的数据传输之所以又被称为数据交换，是因为 SPI 协议规定一个 SPI 设备不能在数据通信过程中仅仅只充当一个 "发送者(Transmitter)" 或者 "接收者(Receiver)"。在每个 Clock 周期内，SPI 设备都会发送并接收一个 bit 大小的数据(不管主设备好还是从设备)，相当于该设备有一个 bit 大小的数据被交换了。一个 Slave 设备要想能够接收到 Master 发过来的控制信号，必须在此之前能够被 Master 设备进行访问 (Access)。所以，Master 设备必须首先通过 SS/CS pin 对 Slave 设备进行片选, 把想要访问的 Slave 设备选上。在数据传输的过程中，每次接收到的数据必须在下一次数据传输之前被采样。如果之前接收到的数据没有被读取，那么这些已经接收完成的数据将有可能会被丢弃，导致 SPI 物理模块最终失效。因此，在程序中一般都会在 SPI 传输完数据后，去读取 SPI 设备里的数据, 即使这些数据(Dummy Data)在我们的程序里是无用的(虽然发送后紧接着的读取是无意义的，但仍然需要从寄存器中读出来)。

SPI只有主模式和从模式之分

SPI没有读和写的说法，因为实质上每次SPI是主从设备在交换数据。也就是说，你发一个数据必然会收到一个数据；你要收一个数据必须也要先发一个数据。

I2C

I2C(Inter－Integrated Circuit)是一种通用的总线协议。中文应该叫集成电路总线，它是一种串行通信总线，使用多主从架构，是由飞利浦公司在1980年代初设计的，方便了主板、嵌入式系统或手机与周边设备组件之间的通讯。由于其简单性，它被广泛用于微控制器与传感器阵列，显示器，IoT设备，EEPROM等之间的通信。

特点