嵌入式通信协议 ¶
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基本概念 ¶
- 并行传输：以字或字节为单位、多个位同时传输；快、线多、不宜远距离通信
- 串行传输：逐位传输，慢、通信线少、适宜远距离通信
几乎所有计算机控制系统均采用串行数据通信
- 单工通信：单一方向传输，没有反向交互 ( 如传统的键盘、鼠标通信 )
- 半双工通信：双方可以交互数据，但不在同时，应用广泛 ( 只需 2 根通信线 )
-
全双工通信：双方可以同时交互数据，效率高，至少 3 根 ( 共地 ) 或 4 根通信线
- 全双工要求双方能同时收发数据，所以不能共用数据线。
- 必须分开发送线（TX）和接收线（RX
） ，形成两个独立的通信方向。
- GND 是必须的：双方电平参考必须一致，否则无法可靠解码信号。
波特率 波特率：指单位时间内传输的信息量，单位通常用“位/秒”表示
- 基带传输：数字信号的数字传输。按数字波形、以“位”流形式直接在信道上传输，速度较高，远距离传输易因信号衰减发生畸变（中继）
- 频带传输：数字信号的模拟传输。也称为载波传输，发送端把数字信号调制成一定频带范围的模拟信号，接收方解调还原。如 HART 信号，FSK
- 宽带传输：适用于传输影像、语音信息
差动传输指的是：信号不是相对于地（GND）传输的，而是两个信号线之间的电压差表示信号的逻辑状态。
📌 举个例子（以 RS-485 为例
它规定：
当 A > B（例如 A=5V，B=0V）时，表示逻辑 1
当 A < B（例如 A=0V，B=5V）时，表示逻辑 0
接收器只关心 A 和 B 之间的电压差（A-B
🎯 好处： 能有效抵抗电磁干扰（EMI）：外界干扰会同时影响 A、B 两根线，差值不变
双线平衡是差动传输的一种实现方式，它强调信号在线路上的对称性和平衡性，即：
发送端同时在两根线上发送等幅反向的信号，接收端感应两线之间的差值。
UART¶
TTL 电平 ¶
RS232 - 全双工 ¶
RS-232 标准是一种全双工通信协议
标准接口是 25 针 D 型插头；后简化成 9 针，一般只用 TXD、RXD、GND 三条线
- 单端输入（单线共地
） ，抗干扰能力弱 - 工作速率低（19.6Kbps
） 、通信距离短（15m，加 Modem 可延长）
- 原理
- 由 EIA 制定的异步串行通信标准，采用负逻辑电平（逻辑 1：-5V-15V，逻辑 0：+5V+15V
） 。
- 由 EIA 制定的异步串行通信标准，采用负逻辑电平（逻辑 1：-5V-15V，逻辑 0：+5V+15V
- 应用
- 早期计算机与调制解调器、打印机连接，工业控制设备通信。
| 引脚顺序 | 引脚作用 + 名称 |
|---|---|
| 1 | 数据载波检测 |
| 2 | 数据发射 |
| 3 | 数据接收 |
| 4 | 数据设备准备 |
| 5 | 地 |
| 6 | 数据终端准备 |
| 7 | 清除发送 |
| 8 | 请求发送 |
| 9 | 振铃指示 |
RS422 - 全双工 ¶
RS-422 是由 RS-232 改进而来：
- 接口采用差分、双线平衡传输，抑制共模干扰能力强
- 接收器高输入阻抗，发送驱动能力更强
- 最高传输速率可达 10 Mbps
- 最大通信距离 1200 m（不加中继，且与速率有关）
- 传输线可连接多个接收节点
- 支持全双工通信
RS485¶
- 原理
- 差分信号传输（A/B 线电压差表示逻辑
） ，支持半双工 / 全双工，抗干扰能力强。 - 传输距离达 1200 米，波特率最高 10Mbps（随距离降低
） ，支持多点连接（同一网段最大支持 32 个节点，如果使用特制芯片，可以连接 128 个甚至更多节点） 。
- 差分信号传输（A/B 线电压差表示逻辑
- 应用
- 工业自动化（PLC、传感器网络
） 、楼宇控制、远距离数据采集。
- 工业自动化（PLC、传感器网络
USB/PCIe/SATA¶
- USB
- 通用串行总线，支持热插拔，版本包括 USB 2.0（480Mbps
） 、USB 3.2（20Gbps） 。 - 应用：外设连接（键盘、摄像头
） 、移动设备充电。
- 通用串行总线，支持热插拔，版本包括 USB 2.0（480Mbps
- PCIe
- 高速串行计算机扩展总线，点对点架构，通道数可扩展（x1/x16
） 。 - 应用：显卡、NVMe SSD、数据中心互联。
- 高速串行计算机扩展总线，点对点架构，通道数可扩展（x1/x16
- SATA
- 串行 ATA 接口，替代并行 IDE，速率最高 6Gbps（SATA III
） 。 - 应用：机械硬盘、固态硬盘连接。
- 串行 ATA 接口，替代并行 IDE，速率最高 6Gbps（SATA III
CAN（控制器局域网）¶
- 原理
- 差分信号（CAN_H/CAN_L
） ，多主架构，CSMA/CD+ 非破坏性仲裁（优先级高的 ID 胜出） 。 - 帧格式包含 ID、数据、CRC 校验，错误检测机制完善（如 ACK 超时
） 。
- 差分信号（CAN_H/CAN_L
- 应用
- 汽车电子（ECU 通信
） 、工业控制（电梯、机械臂） 。
- 汽车电子（ECU 通信
- 特点
- 抗干扰强；传输距离长（5kbps 下可达 10km
） ；实时性高。
- 抗干扰强；传输距离长（5kbps 下可达 10km
I2C¶
- 原理
- 两线制（SDA、SCL
） ，多主多从，7/10 位地址寻址，支持标准（100kbps） 、快速（400kbps）模式。 - 起始 / 停止条件定义通信周期，ACK/NACK 应答机制确保数据完整性。
- 两线制（SDA、SCL
- 应用
- 传感器（温度、加速度计
） 、EEPROM、LCD 控制器（如 OLED 驱动） 。
- 传感器（温度、加速度计
- 特点
- 引脚少；支持总线仲裁；速率低于 SPI，适合低速设备互联。
SSI（同步串行接口）¶
- 原理
- 基于 RS-422 的差分通信，主设备提供单向时钟，从设备在上升沿输出数据。
- 数据帧包含位置信息（二进制或格雷码
） ，支持单圈 / 多圈绝对值编码器。
- 应用
- 高精度工业编码器（如机器人关节控制
） 、数控机床位置反馈。
- 高精度工业编码器（如机器人关节控制
- 特点
- 抗干扰强；时钟频率 80kHz~2MHz；需 FPGA 或专用 SPI 模式配置时序。
SPI¶
- 原理
- 全双工同步串行接口，四线制（SCLK、MOSI、MISO、SS
） ，主从架构。 - 数据在时钟边沿采样，支持多从机（每从机独立 SS 片选
） 。
- 全双工同步串行接口，四线制（SCLK、MOSI、MISO、SS
- 应用
- Flash 存储器、ADC/DAC、触摸屏控制器（如 TFT 驱动
） 。
- Flash 存储器、ADC/DAC、触摸屏控制器（如 TFT 驱动
- 特点
- 速率高（可达 100MHz
） ；无寻址机制；引脚多但传输效率高。
- 速率高（可达 100MHz
以太网¶
- 原理
- 基于 IEEE 802.3，物理层（PHY）和 MAC 层协同工作，双绞线（CAT5e/6）或光纤传输。
- TCP/IP 协议栈支持，速率从 10Mbps 到 100Gbps，全双工通信。
- 应用
- 局域网（企业网络
） 、互联网接入、车载以太网（自动驾驶数据传输） 。
- 局域网（企业网络
- 关键点
- 交换机实现数据包转发；PoE（以太网供电）简化设备部署。