一张图快速认识UART、I2C、SPI的主流物联网串行通讯协议原理

UART、I2C和SPI是物联网设备中常用的通讯接口。本文结合动图，让读者快速认识三者的通讯原理，对比分析其优缺点，方便在硬件设计时选型。I2C是一种多主从串行通信协议，适用于低速设备，具有简单、低功耗、多设备支持的特点，但速度慢且存在总线长度限制。SPI是同步串行通信接口，支持高速全双工通信，但连线复杂且传输距离受限。UART是全双工异步通信协议，简单、兼容性好，适合长距离通信，但速度较低且可能不可靠。

I2C 通信协议

I2C (Inter-Integrated Circuit) 通信协议是一种多主从架构的串行通信总线，有两根双向的信号线：一根数据线SDA用于收发数据，一根时钟线SCL用于通信双方时钟的同步。I2C 通信协议通常用于连接低速设备，如传感器、存储器和其他外设。连接在I2C总线上的器件分为主机和从机。主机有权发起和结束一次通信，从机只能被动呼叫。

I2C 通信协议规范的规定的数据传输速率如下：

• 标准模式下，数据传输速率为 100kb/s
• 快速模式下，数据传输速率为 400Kb/s

• 高速模式下，数据传输速率为 3.4 Mb/s

I2C 通信协议的优点：

• 多设备支持：I2C支持多个设备连接到同一总线上，每个设备都有唯一的地址。
• 简单：I2C协议相对简单，易于实现和调试。
• 低功耗：在空闲状态时，I2C总线上的器件可以进入低功耗模式，节省能量。

I2C 通信协议的缺点：

• 速度较慢：I2C通信速度较低，适用于低速设备。
• 受限制：I2C的总线长度和设备数量受到限制，过长的总线可能导致通信问题。
• 冲突：当多个设备尝试同时发送数据时，可能会发生冲突，需要额外的冲突检测和处理机制。

I2C 通信协议在紧凑电路中的效率高成本低，因此在小型传感器、LCD 屏幕控制器和 RTC模块、温度控制设备、电池管理系统中很常见。

SPI 通信协议

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种同步串行通信接口，主要应用于短距离、低数据速率的通信，常用于嵌入式系统。

SPI通信协议的四个重要元素：

• 主机（Master）：初始化通信并控制时钟信号的设备。
• 从机（Slave）：被主机通信的设备。
• 时钟信号（SCK）：主机生成的同步时钟信号，用于同步数据传输。
• 数据输出（MOSI）和数据输入（MISO）：用于主机和从机之间的数据传输。

SPI通信协议分为四种模式：

• 模式0：时钟信号的第一个跳变沿对应数据的首位。
• 模式1：时钟信号的第一个跳变沿对应数据的末位。
• 模式2：时钟信号的第一个跳变沿对应数据的首位，相对模式0，SS信号延迟。
• 模式3：时钟信号的第一个跳变沿对应数据的末位，相对模式0，SS信号延迟。

SPI通信协议的基本步骤：

1. 初始化主机和从机，设置SPI模式和时钟速率。
2. 主机发起通信，拉低从机的片选信号（SS）。
3. 主机发送第一个字节的数据，同时从机回应第一个字节的数据。
4. 主机接收数据并发送下一个数据字节，以此类推，直至完成通信。
5. 通信结束后，主机释放片选信号，结束SPI通信。

SPI通信协议的优点：

• 高速：SPI通信速度较快，适用于对速度要求较高的应用。
• 全双工：SPI支持全双工通信，可以同时进行数据发送和接收。
• 简单：SPI的通信协议相对简单，适用于快速开发和实现。

SPI通信协议的缺点：

• 连线复杂：SPI需要多根线进行连接，可能会增加硬件设计的复杂性。
• 长距离传输受限：SPI的传输距离受到限制，过长的线路可能导致信号衰减和干扰。
• 主从模式限制：SPI通常采用主从模式，主设备数量受限，不适用于多主设备场景。

SPI 非常适合需要快速可靠的数据传输的情况，例如 TFT 显示器、SD 存储卡和无线通信模块。然而，在具有许多从站的复杂系统中，其有效性会降低。

UART 通信协议

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）是一种全双工的通信协议，常用于各种嵌入式系统之间的通信。UART 通信只需要两条线即可运行：TX（发送）和 RX（接收）。该协议允许异步通信，也就是说发送器和接收器之间无需共享时钟。数据被组织成数据包，每个数据包包含一个起始位、5 到 9 个数据位、一个可选的奇偶校验位和一个或两个停止位。

以下是UART通信协议的基本原理：

• 起始位：通信开始时，数据线被拉低。
• 数据位：接着起始位，数据位逐位传输。通常为5位、6位、7位、8位，由双方约定。
• 奇偶校验位：可选，用于检测数据传输过程中的错误。
• 停止位：数据传输结束时，数据线被高电平持续。停止位可以是1位、1.5位、2位，由双方约定。
• 波特率：数据的传输速率，如9600bps、115200bps等。

UART通信协议的优点：

• 简单：UART通信协议相对简单，易于实现和调试。
• 适用性广泛：UART被广泛应用于各种设备之间的通信，具有较好的兼容性。
• 距离：UART通信距离较远，适用于需要长距离传输的场景。

UART通信协议的缺点：

• 速度较低：UART通信速度相对较低，不适用于对速度要求较高的应用。
• 双工：UART通信是双工的，可以进行低速双工传输数据，进行数据的发送和接收。
• 不可靠：由于UART是异步通信，可能会受到噪声和干扰的影响，导致数据传输不可靠。

如何选择通信协议

选择通信协议时，需考虑通信速度、电路设计、距离、双工要求等因素，以确保系统性能和可靠性。当我们为物联网硬件选择合适串口通信协议需要考虑以下几个方面：

• 通信速度：SPI 提供高速度，UART 提供高灵活性，I2C 适用于速度要求较低接线简单的配置。

• 电路设计：I2C 可实现多个设备的高效空间管理，SPI 可实现大型设计中的性能，而 UART 可实现简单性和多功能性。

• 距离和通信环境：UART 在长距离上具有稳定性，而 I2C 更适合短距离。

• 双工要求：SPI 和 UART 提供全双工功能，而 I2C 仅限于半双工。

I2C 通信协议因其简单性和用最少的引脚管理多个从设备的能力而脱颖而出，使其成为短距离通信的理想选择。SPI 通信协议具有高速和全双工模式，非常适合在空间不是主要问题的系统中进行快速高效的数据传输。UART 通信协议在长距离通信和速度要求较低的场景中表现出色。