精髓！精髓！精髓！一张表+一篇文章带你彻底了解UART、USART、IIC、SPI、CAN通讯

一、前言

        最近系统性的复习了常用的嵌入式通讯协议，便总结性的写了这文章，本文适合想要快速一览各通信协议的关系区别的同学，那么废话不多说，直接上表格

二、各通信协议的关系

协议	全称	属性	接线
UART	通用异步收发器	异步、全双工、串行通信	TX-------RX RX-------TX GND--GMD
USART	通用同步/异步收发器	同步/异步、全双工、串行通信	TX--------RX RX--------TX GND----GMD SCLK--SCLK
IIC	集成电路总线	同步、半双工、串行通信	SCL----SCL SDA----SDA
SPI	串行外设接口	同步、全双工、串行通信	SCLK---SCLK MOSI---SIMO MISO---SOMI SS-------SS
CAN	局域控制网络	异步、半双工、串行通信	CAN_H--CAN_H CAN_L--CAN_L

三、各通信协议的简单介绍

1、UART

定义

        UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）通用异步收发传输器，是一种广泛应用于嵌入式系统和电子设备中的串行通信协议。UART 通信不需要时钟信号，为异步通信，数据传输速率以波特率表示，即每秒传输的位数。

        TX（Transmit）：用于发送数据。

        RX（Receive）：用于接收数据。

接线图

数据格式

Start Bit

Data Frame

Parity Bit

Stop Bit

        Start Bit：开始位，表示传输的开始，发送设备通过将 TX 线从高电平拉到低电平来发起通信，表示数据传输的开始，长度：1bit

        Data Frame：数据位，表示传输的数据，长度：通常8bits

        Parity Bit：奇偶校验位，验证数据传输的正确性，校验方式又分为无奇偶校验、奇校验、偶校验，长度：1bit

        Stop Bit：停止位，发送设备通过将 TX 线从低电平拉到高电平来结束通信，长度：通常1bit

2、USART

定义

        USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter）通用同步/异步收发传输器，USART 协议结合了 UART（通用异步收发传输器）和同步通信的特点，既支持异步通信，也支持同步通信，数据传输速率以波特率表示，即每秒传输的位数，当用作异步通信时，与uart没有区别，以下主要分享用作同步通信时的特点

        TX（Transmit）：用于发送数据。

        RX（Receive）：用于接收数据。

        SCLK（Serial Clock）：用于传输时钟信号，由主设备生成。

接线图

数据格式

        在 USART 同步通信模式下，数据传输依赖于时钟信号（SCLK）来同步。时钟信号由主设备生成，并在整个通信过程中保持稳定。从设备根据时钟信号的边沿（上升沿或下降沿）来采样数据线（TX 和 RX）上的数据，数据帧格式与UART一致

3、IIC

定义

        I²C（Inter-Integrated Circuit）集成电路总线，广泛应用于嵌入式系统和电子设备中，用于在微控制器和外围设备之间进行短距离通信。

        SDA（Serial Data Line）：用于传输数据。

        SCL（Serial Clock Line）：用于传输时钟信号。

接线
                       

数据格式：

        开始信号：主设备通过将 SDA 线从高电平拉到低电平，同时 SCL 线保持高电平，来发起通信。

        数据传输：主设备和从设备之间通过 SDA 线传输数据，每传输一个字节后，接收方发送一个应答信号（ACK）。

        停止条件：主设备通过将 SDA 线从低电平拉到高电平，同时 SCL 线保持高电平，来结束通信。

4、SPI

定义：

        SPI（Serial Peripheral Interface）串行外设接口，是一种同步串行通信接口，广泛应用于嵌入式系统和电子设备中，用于在微控制器和外围设备之间进行高速数据传输。

        SCLK（Serial Clock）：用于传输时钟信号，由主设备生成。

        MOSI（Master Out Slave In）：主设备到从设备的数据线（主出从入）。

        MISO（Master In Slave Out）：从设备到主设备的数据线（主入从出）。

        SS（Slave Select）：用于选择从设备，通常为低电平有效。

接线图：

传输方式：

        1、选择从设备：

                SS 线拉低：主设备通过拉低相应的 SS 线来选择特定的从设备。SS 线通常为低电平有效，即当 SS 线为低电平时，从设备被选中。

                从设备准备：从设备在 SS 线被拉低后，准备接收和发送数据。

        2、数据传输：

                时钟信号生成：主设备生成时钟信号（SCLK），用于同步数据传输。时钟信号的频率由主设备控制，通常在几 kHz 到几 MHz 之间。

        3、数据发送：

                主设备发送数据：主设备通过 MOSI 线发送数据，数据在时钟信号的边沿（通常是上升沿或下降沿）被采样。

                从设备发送数据：从设备通过 MISO 线发送数据，数据在时钟信号的边沿（通常是上升沿或下降沿）被采样。

        4、数据接收：

                主设备接收数据：主设备通过 MISO 线接收从设备发送的数据。

                从设备接收数据：从设备通过 MOSI 线接收主设备发送的数据。

       5、 取消选择从设备：

                SS 线拉高：数据传输完成后，主设备通过拉高 SS 线来取消选择从设备。SS 线被拉高后，从设备进入空闲状态，不再接收和发送数据。

5、CAN

定义：

        CAN（Controller Area Network）局域控制网络，是一种广泛应用于汽车、工业控制和其他领域的串行通信协议，CAN 使用差分信号传输数据，意味着数据是通过比较 CAN_H 和 CAN_L 之间的电压差来传输。

        CAN_H（CAN High）：用于传输高电平信号。

        CAN_L（CAN Low）：用于传输低电平信号。

接线：

传输原理：

        1、数据帧格式：

               帧起始：表示数据帧的开始。  

                仲裁场：包括标识符（ID）和远程传输请求位（RTR），用于确定数据包的优先级。

                控制场：包括数据长度码（DLC），表示数据字段的长度。

                数据场：包含实际传输的数据。

                CRC 场：包含循环冗余校验（CRC）码，用于错误检测。

                应答场：接收节点通过应答场确认数据包的接收。

                帧结束：表示数据帧的结束。

        2、数据传输：

                发送节点：发送节点根据数据帧格式生成数据包，并通过 CAN_H 和 CAN_L 线发送数据。

                接收节点：接收节点通过 CAN_H 和 CAN_L 线接收数据包，并根据数据帧格式解析数据。

        3、仲裁机制：

                非破坏性仲裁：当多个节点同时发送数据时，CAN 使用非破坏性仲裁机制来解决冲突。每个节点在发送数据时会监测总线上的电平，如果发现总线电平与自己发送的电平不一致，则自动退出发送，优先级较低的节点会自动退出发送，从而避免了冲突。