嵌入式常用總線有哪些

嵌入式系統(tǒng)中常用的總線種類繁多，它們各自具有不同的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景。以下將詳細(xì)介紹幾種嵌入式開發(fā)中常用的總線，包括UART、I2C、SPI、RS-232、RS-485、CAN以及USB等，每種總線將從其定義、特點(diǎn)、工作原理、應(yīng)用場(chǎng)景等方面進(jìn)行闡述。

1. UART（通用異步收發(fā)器）

定義與特點(diǎn) ：

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）是一種廣泛使用的串行通信協(xié)議，通過兩根數(shù)據(jù)線（Tx發(fā)送、Rx接收）實(shí)現(xiàn)全雙工通信。UART通信是異步的，即通信雙方不需要共同的時(shí)鐘信號(hào)，而是通過約定好的波特率（每秒傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)）來同步數(shù)據(jù)。UART通信簡(jiǎn)單、靈活，適用于短距離、低速率的通信場(chǎng)景。

工作原理 ：

UART通信以幀為單位傳輸數(shù)據(jù)，每幀包括起始位、數(shù)據(jù)位、可選的校驗(yàn)位和停止位。起始位為低電平，用于通知接收方數(shù)據(jù)開始傳輸；數(shù)據(jù)位通常為5到8位，根據(jù)雙方約定而定；校驗(yàn)位用于檢查數(shù)據(jù)傳輸過程中的錯(cuò)誤，可選奇校驗(yàn)、偶校驗(yàn)或無校驗(yàn)；停止位為高電平，用于表示一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束。

應(yīng)用場(chǎng)景 ：

UART常用于嵌入式系統(tǒng)與外設(shè)之間的通信，如MCU與GPS模塊、藍(lán)牙模塊、串口屏等設(shè)備的通信。此外，UART還廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的通信，如串口鼠標(biāo)、串口鍵盤等。

2. I2C（Inter-Integrated Circuit）

定義與特點(diǎn) ：

I2C（Inter-Integrated Circuit）總線是一種由Philips公司推出的同步串行通信協(xié)議，具有接口線少、控制方式簡(jiǎn)化、通信速率較高等優(yōu)點(diǎn)。I2C總線采用兩根信號(hào)線（SDA數(shù)據(jù)線、SCL時(shí)鐘線）進(jìn)行通信，支持多主機(jī)多從機(jī)系統(tǒng)，通過地址識(shí)別通信對(duì)象。

工作原理 ：

I2C通信過程包括起始信號(hào)、地址字節(jié)、數(shù)據(jù)字節(jié)和應(yīng)答信號(hào)等。起始信號(hào)由主機(jī)發(fā)出，隨后主機(jī)發(fā)送一個(gè)地址字節(jié)（包括7位從機(jī)地址和1位讀寫方向位），被尋址的從機(jī)發(fā)送應(yīng)答信號(hào)回應(yīng)主機(jī)。之后，主機(jī)和從機(jī)之間可以連續(xù)發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，每個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)后面都跟隨一個(gè)應(yīng)答信號(hào)。通信結(jié)束后，主機(jī)發(fā)送終止信號(hào)釋放總線。

應(yīng)用場(chǎng)景 ：

I2C總線廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中的各種傳感器、EEPROM、實(shí)時(shí)時(shí)鐘等設(shè)備的通信。由于其接口線少、通信速率適中，非常適合于對(duì)引腳資源有嚴(yán)格要求的嵌入式系統(tǒng)。

3. SPI（Serial Peripheral Interface）

定義與特點(diǎn) ：

SPI（Serial Peripheral Interface）總線是一種高速、全雙工、同步的串行外設(shè)接口，廣泛應(yīng)用于MCU與各種外設(shè)之間的通信。SPI總線采用主從模式架構(gòu)，至少包括四根信號(hào)線（MISO、MOSI、SCLK、CS），其中MISO為主設(shè)備輸入從設(shè)備輸出線，MOSI為主設(shè)備輸出從設(shè)備輸入線，SCLK為時(shí)鐘信號(hào)線，CS為片選信號(hào)線。

工作原理 ：

SPI通信過程中，主設(shè)備通過控制時(shí)鐘信號(hào)線SCLK來同步數(shù)據(jù)傳輸。在時(shí)鐘信號(hào)的每個(gè)邊沿（上升沿或下降沿），主設(shè)備和從設(shè)備之間可以交換一位數(shù)據(jù)。SPI通信沒有起始信號(hào)和終止信號(hào)，數(shù)據(jù)以幀為單位連續(xù)傳輸。

應(yīng)用場(chǎng)景 ：

SPI總線廣泛應(yīng)用于需要高速通信的場(chǎng)合，如MCU與FLASH、ADC、LCD等設(shè)備之間的通信。由于其通信速率高、接口簡(jiǎn)單，SPI總線在嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。

4. RS-232

定義與特點(diǎn) ：

RS-232是美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）制定的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的通信。RS-232接口采用單端信號(hào)傳輸方式，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，因此通信距離較短（一般不超過15米）。

工作原理 ：

RS-232接口通過三根信號(hào)線（TXD發(fā)送線、RXD接收線、GND地線）實(shí)現(xiàn)全雙工通信。數(shù)據(jù)傳輸速率可根據(jù)雙方約定而定，但受到接口電氣特性的限制。

應(yīng)用場(chǎng)景 ：

RS-232接口常用于計(jì)算機(jī)與調(diào)制解調(diào)器、打印機(jī)等外設(shè)之間的通信。盡管其通信距離較短，但在一些特定場(chǎng)合下仍具有不可替代的作用。

5. RS-485

定義與特點(diǎn) ：

RS-485是一種基于差分信號(hào)傳輸?shù)拇型ㄐ艠?biāo)準(zhǔn)，具有通信距離遠(yuǎn)（可達(dá)數(shù)千米）、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。RS-485接口采用兩線制（A線和B線），通過差分信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)，有效抑制了共模干擾。

工作原理 ：

RS-485通信過程中，發(fā)送器將TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)后發(fā)送出去，接收器則將接收到的差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為TTL電平信號(hào)進(jìn)行處理。RS-485接口支持多節(jié)點(diǎn)通信，可以方便地構(gòu)建分布式系統(tǒng)。

應(yīng)用場(chǎng)景 ：

RS-485接口廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、智能儀表、遠(yuǎn)程監(jiān)控等領(lǐng)域，特別是在需要長(zhǎng)距離通信和多點(diǎn)互連的場(chǎng)合下具有顯著優(yōu)勢(shì)。

6. CAN（Controller Area Network）

定義與特點(diǎn) ：

CAN總線是一種高度可靠的、多主機(jī)的消息廣播系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于汽車和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域進(jìn)行設(shè)備之間的通信。CAN總線采用差分信號(hào)傳輸方式，具有通信距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、通信速率高等優(yōu)點(diǎn)。

工作原理 ：

CAN總線通信過程中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以作為發(fā)送器或接收器。發(fā)送器將待發(fā)送的數(shù)據(jù)打包成數(shù)據(jù)幀后發(fā)送到總線上，接收器則根據(jù)數(shù)據(jù)幀中的標(biāo)識(shí)符來判斷是否接收該數(shù)據(jù)幀。CAN總線還支持優(yōu)先級(jí)控制功能，確保重要數(shù)據(jù)能夠優(yōu)先傳輸。

應(yīng)用場(chǎng)景 ：

CAN總線廣泛應(yīng)用于汽車控制系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)等領(lǐng)域。在汽車控制系統(tǒng)中，CAN總線實(shí)現(xiàn)了ECU（電子控制單元）之間的高效通信；在工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，CAN總線則用于連接各種傳感器、執(zhí)行器等設(shè)備實(shí)現(xiàn)集中控制。

7. USB（Universal Serial Bus）

定義與特點(diǎn) ：

USB是一種由多家計(jì)算機(jī)和通信公司共同推出的新型接口標(biāo)準(zhǔn)，具有即插即用、傳輸速度快、支持熱插拔等優(yōu)點(diǎn)。USB接口采用四線制（Vcc電源線、GND地線、D+數(shù)據(jù)線、D-數(shù)據(jù)線），支持多種數(shù)據(jù)傳輸速率和多種設(shè)備類型。

工作原理 ：

USB通信過程中，主機(jī)通過輪詢方式檢測(cè)連接到總線上的設(shè)備并與之進(jìn)行通信。每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)唯一的設(shè)備描述符用于標(biāo)識(shí)自身信息。USB通信協(xié)議包括控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸和同步傳輸?shù)榷喾N傳輸類型以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

應(yīng)用場(chǎng)景 ：

USB接口廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的通信以及移動(dòng)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。隨著USB技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，USB接口已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)和移動(dòng)設(shè)備中不可或缺的接口之一。

綜上所述，嵌入式系統(tǒng)中常用的總線包括UART、I2C、SPI、RS-232、RS-485、CAN以及USB等。每種總線都具有其獨(dú)特的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景，在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)具體需求選擇合適的總線類型以實(shí)現(xiàn)高效、可靠的通信。