嵌入式常见通信接口

IIC、UART、SPI、LIN、CAN通信接口

IIC： 

1、I2C总线是PHLIPS公司在20世纪80年代推出的一种串行总线。

2、PHILIPS公司开发用于连接微控制器及其外围设备

3、一条是串行数据线ＳＤＡ，一条是串行时钟线ＳＣＬ

4、支持多个通讯主机和多个通讯从机，但是任意时间点上只能存在一个主控

5、半双工串行异步通信接口，

6、连接到总线的IC数量只是受到总线的最大负载电容400pf限制

7、每个连接到总线的器件都可以通过唯一的地址和其它器件通信

8、空闲状态时，SDA和SCL处于高电平

9、串行的 8 位双向数据传输位速率在标准模式下可达100kbit/s

快速模式下可达400kbit/s

高速 模式下可达3.4Mbit/s

协议：

1. 起始信号

2. 终止信号

3. 写数据信号

4. 读数据信号

5. 应答信号

6. 非应答信号

通信过程以AT24Cxx系列为例：

写的过程：

1、发送起始信号；

2、发送从设备地址 7 位，写信号 1 位，等待应答；

3、发送待写入数据的存储地址，等待应答；

4. 发送数据给从设备，等待应答；

5、最后发送停止信号。

读的过程：

1、发送起始信号；

2、发送从设备地址 7 位，写信号 1 位，等待 应答；

3、发送待读取数据的存储地址，等待应答；

4、再发送一个起始信号；

5、发送从设备地址 7 位，读信号一位，等待应答；

6、读去数据，8 个时钟，从设备就把对应的数据反馈给处理器；

7、最后发送停止信号。

UART：

1、通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），通常称作UATR

2、串行数据总线，用于异步通信，全双工通信，采用TTL/COMS电平

UART控制器中包含四种寄存器：

输出缓存寄存器、输出移位寄存器、输入缓存寄存器、输入移位寄存器。

    1、输出缓存寄存器：该寄存器用来存放处理传输过来的并行数据。

    2、输出移位寄存器：读取输出缓存寄存器中的值，将并行数据串行输出，LSB先传输。

    3、输入移位寄存器：接收对方UART接口传输的串行数据，一帧数据接收完毕后，将把数据传输给输入缓存寄存器。

    4、输入缓存寄存器：保存从输入移位寄存器传递过来的串行数据。

UART接口数据线：

1、RX：接收数据

2、TX：发送数据

3、GND：数字地

4、VCC：直流电源

数据格式：

UART作为异步传输接口，接口不需要共用同一个时钟，只需通讯双方在传输过程中的时钟频率大小保持一致。

数据帧包括：起始位、数据位、奇偶校验位、停止位。

1、起始位：表明将要发送数据，起始位为低电平“0”。

2、数据位：数据位可以是5 bits、6 bits、7 bits或者8 bits等，常用为8 bits（ASCII码）。

3、奇偶校验位：用于表示所传输的数据位中1的个数，奇数个1则为1，偶数个1则为0。

4、停止位：表明数据传输结束，停止位为高电平“1”。

空闲状态：

当UART未发送数据时，数据线TX、RX状态为高电平“1”。

波特率：

每秒钟传输的数据位，此时可以等同于比特率。常用的UART波特率为：9600、115200。

SPI:

1、SPI是英语Serial Peripheral interface的缩写，顾名思义就是串行外围设备接口。Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的

2、SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，

3、是一种最常见的板内芯片间的串行接口

4、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。

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

SPI接口一般使用4条线通信：

1、MISO 主设备数据输入，从设备数据输出。

2、MOSI 主设备数据输出，从设备数据输入。

3、SCLK时钟信号，由主设备产生。

4、CS从设备片选信号，由主设备控制。

SPI工作原理总结

1、硬件上为4根线。

2、主机和从机都有一个串行移位寄存器，主机通过向它的SPI串行寄存器写入一个字节来发起一次传输。

3、串行移位寄存器通过MOSI信号线将字节传送给从机，从机也将自己的串行移位寄存器中的内容通过MISO信号线返回给主机。

这样，两个移位寄存器中的内容就被交换。

4、外设的写操作和读操作是同步完成的。如果只进行写操作，主机只需忽略接收到的字节；

反之，若主机要读取从机的一个字节，就必须发送一个空字节来引发从机的传输。

SPI传输模式：

通过设置控制寄存器SPICR1中的时钟极性 (CPOL)和时钟相位 (CPHA)位，

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

同时将SPI可以分成四种传输模式

LIN:

1、LIN（Local Interconnect Network）总线是基于UART/SCI（通用异步收发器/串行接口）的低成本串行通讯协议。

2、其目标定位于车身网络模块节点间的低端通信，主要用于智能传感器和执行器的串行通信，

3、而这正是CAN总线的带宽和功能所不要求的部分。

4、LIN总线采用的是单线传输形式，应用了单主机多从机的概念，总线电平一般为12V，传输速率最高限制为20kbps。

5、网络由一个主节点与若干个从节点构成。由于物理层的限制，一个LIN网络最多可以连接16个节点，否则网络阻抗降低，影响通信。

6、由于LIN网络在汽车中一般不独立存在，通常会与上层CAN网络相连，形成CAN-LIN网关节点。

电平逻辑：

显性电平 0(地)

隐性电平 1(12V)

LIN通信协议：

一个LIN信息帧有同步间隔、同步域、标示符域（受保护ID域）、数据域、校验码域以及响应间隔构成。

除起始域与响应间隔，其他部分都是以字节为单位传送，每个字节都有自己的格式，称之为字节域（ByteField）。

字节之间有字节间隔（InterByteSpace），在头信息和响应之间有一个响应间隔（ResponseSpace），这两个间隔的最小值为0。

帧的结构：

帧包括帧头和应答两部分，主机发送帧头，从机接收帧头并解析内容，然后确认发送应答或者是接收应答还是不做处理。

帧头包括同步间隔断、同步段、受保护PID段；应答包括数据段和校验和段

1、同步间隔域（Break Field）

同步间隔域由同步间隔(Break)和同步间隔域间隔符(Break Delimiter) 构成。

同步间隔至少持续13位的显性电平。从机检测到总线上出现持续11位的显性电平则认为是帧开始！

其中同步间隔段的间隔符至少为1位隐性电

2、同步域（Sync Byte Field）

字节域(Byte Field)：1位起始位(Start Bit显性)+8位数据位+1位停止位(Stop Bit隐性)，是一种标准UART数据传输格式，一般为0x55

3、受保护ID域（Protected Identifier Field）

受保护ID 段的前6位叫作帧ID(Frame ID)，加上两个奇偶校验位后称作受保护ID 。

P0 = ID0 ⊕ID1 ⊕ID2 ⊕ID4

P1 = ~(ID1 ⊕ID3 ⊕ID4 ⊕ID5)

数据域长度（字节数）由标示符域的ID4、ID5决定。

4、数据域

数据段包含1-8个字节，先发送编号最低的字节，编号依次增加。

5、校验码域

检验和段是对帧中所传内容进行校验

检验和分为标准型和增强型，标准型只需要校验数据段，而增强型需要校验PID和数据段

检验方法是将检验对象的各个字节进行带进位二进制加法，当结果大于0xFF时，结果减去0xFF，并将最终结果取反。

接收方对接收数据进行相同操作，结果不取反，然后和接收到的校验和相加，如果相加等于0xFF则校验无误。

CAN:

1、CAN是Controller Area Network 的缩写（以下称为CAN），是ISO国际标准化的串行通信协议。

2、CAN协议经过ISO标准化后有两个标准：ISO11898标准和ISO11519-2标准。

3、其中ISO11898是针对通信速率为125Kbps~1Mbps的高速通信标准，而ISO11519-2是针对通信速率为125Kbps以下的低速通信标准。

4、、CAN具有很高的可靠性，广泛应用于：汽车电子、工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。

CAN协议的特点：

1、多主控制。总线空闲时，所有单元都可发送消息，而两个以上的单元同时开始发送消息时，根据标识符（ID，非地址）决定优先级；

2、系统柔软性。连接总线的单元，没有类似“地址”的信息，因此，在总线上添加单元时，已连接的其他单元的软硬件和应用层都不需要做改变。

3、速度快，距离远。最高1Mbps（距离<40M），最远可达10KM（速率<5Kbps）。

4、具有错误检测、错误通知和错误恢复功能

5、故障封闭功能。CAN 可以判断出错误的类型是总线上暂时的数据错误（如外部噪声等）还是持续的数据错误（如单元内部故障、驱动器故障、断线等）。

6、连接节点多。CAN 总线是可同时连接多个单元的总线。可连接的单元总数理论上是没有限制的。但实际上可连接的单元数受总线上的时间延迟及电气负载的限制。

降低通信速度，可连接的单元数增加；提高通信速度，则可连接的单元数减少。

物理层特征：

1、CAN 控制器根据CAN_L和CAN_H上的电位差来判断总线电平。

2、总线电平分为显性电平和隐性电平，二者必居其一。

3、显性电平具有优先权，只要有一个单元输出显性电平，总线上即为显性电平。

4、CAN总线的起止端都有一个120Ω的终端电阻，来做阻抗匹配，以减少回波反射

显性电平对应逻辑：0

CAN_H和CAN_L之差为2V左右。

隐性电平对应逻辑：1

CAN_H和CAN_L之差为0V。

CAN通信是以以下5种类型的帧进行的：

1、数据帧：用于发送单元向接收单元传送数据的帧

2、遥控帧：用于接收单元向具有相同 ID 的发送单元请求数据的帧

3、错误帧：用于当检测出错误时向其它单元通知错误的帧

4、过载帧：用于接收单元通知其尚未做好接收准备的帧

5、间隔帧：用于将数据帧及遥控帧与前面的帧分离开来的帧

其中，数据帧和遥控帧有标准格式和扩展格式两种格式。

标准格式有11 个位的标识符（ID），扩展格式有29 个位的ID 。

数据帧由7个段组成：

1、帧起始：表示数据帧开始的段。

2、仲裁段：表示该帧优先级的段。

3、控制段：表示数据的字节数及保留位的段。

4、数据段：数据的内容，一帧可发送0~8个字节的数据。

5、CRC段：检查帧的传输错误的段。

6、ACK段：表示确认正常接收的段。

7、帧结束：表示数据帧结束的段。

基本ID，禁止高7位都为隐性，即不能：ID=1111111XXXX。

CRC的值计算范围包括：帧起始、仲裁段、控制段、数据段。

发送单元ACK段：发送2个隐性位。

接收单元ACK段：接收到正确消息的单元，在ACK槽发送显性位，通知发送单元，正常接收结束。称之为发送ACK/返回ACK。

总线仲裁：

1、总线空闲时，最先发送的单元获得发送优先权，一但发送，其他单元无法抢占。

2、如果有多个单元同时发送，则连续输出显性电平多的单元，具有较高优先级。

3、从ID开始比较，如果ID相同，还可能会比较RTR和SRR等位

位速率：由发送单元在非同步的情况下发送的每秒钟的位数称为位速率。一个位一般可以分为如下四段：

1、同步段（SS）

2、传播时间段（PTS）

3、相位缓冲段1（PBS1）

4、相位缓冲段2（PBS2）

标识符筛选器：

1、CAN的标识符不表示目的地址而是表示发送优先级。接收节点根据标识符的值，来决定是否接收对应消息。

2、筛选器可配置为：屏蔽位模式和标识符列表模式。

2.1、在屏蔽位模式下，标识符寄存器和屏蔽寄存器一起，指定报文标识符的任何一位，应该按照“必须匹配”或“不用关心”处理。

2.2、在标识符列表模式下，屏蔽寄存器也被当作标识符寄存器用。因此，不是采用一个标识符加一个屏蔽位的方式，而是使用2个标识符寄存器。

接收报文标识符的每一位都必须跟筛选器标识符相同。

3、为了过滤出一组标识符，应该设置筛选器组工作在屏蔽位模式。

4、为了过滤出一个标识符，应该设置过滤器组工作在标识符列表模式。

例：设置筛选器组0工作在：1个32位筛选器-标识符屏蔽模式，然后设置CAN_F0R1=0XFFFF0000，CAN_F0R2=0XFF00FF00。

其中存放到CAN_F0R1的值就是期望收到的ID，即（STID+EXTID+IDE+RTR）最好是：0XFFFF0000。

而0XFF00FF00就是设置我们需要必须关心的ID，表示收到的映像，其位[31:24]和位[15:8]这16个位的必须和CAN_F0R1中对应的位一模一样，

而另外的16个位则不关心，可以一样，也可以不一样，都认为是正确的ID，即收到的映像必须是0XFFxx00xx，才算是正确的（x表示不关心）。