Arduino常用的三種通信協(xié)議 1

UART、I2C和SPI是嵌入式世界里最常見的三種通信協(xié)議。在閱讀教程，或者購(gòu)買模塊時(shí)常常看見“這個(gè)模塊是用I2C協(xié)議驅(qū)動(dòng)的”, “兩個(gè)設(shè)備之間數(shù)據(jù)走SPI”諸如此類的描述，很多新手覺得是什么高階的知識(shí)就一知半解得略過去略了。今天小編簡(jiǎn)略地為大家介紹一下這三種協(xié)議，以及它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

什么是通信協(xié)議

白話點(diǎn)說，通信協(xié)議就是通信時(shí)候雙方約定的規(guī)則。打個(gè)類比，就像你跟另外一個(gè)人交流，你們之間需要一種交流的約定，就是語言。要么都說中文，要么都說英文。通信協(xié)議就類似于硬件之間交流的語言。

串行通信和并行通信

在硬件通信里，一般有兩種通信方式：串行通信(Serial Communication)和并行通信(Parallel Communication)。這兩種通信方式的區(qū)別從字面理解也很簡(jiǎn)單：串行就是數(shù)據(jù)一個(gè)接一個(gè)的發(fā)送；并行就是所有數(shù)據(jù)都同時(shí)發(fā)出。

但由于并行通信在線路成本和同步困難方面的問題使其在實(shí)際應(yīng)用上面遠(yuǎn)不如串口通信來得廣泛。本文介紹的UART, I2C和SPI三種通信協(xié)議都屬于串口通信。

單工，半雙工，雙工

根據(jù)串行數(shù)據(jù)的傳輸方向，我們可以將通信分為單工，半雙工，雙工。

• 單工：

  是指數(shù)據(jù)傳輸僅能沿一個(gè)方向，不能實(shí)現(xiàn)反向傳輸。

• 半雙工：

  是指數(shù)據(jù)傳輸可以沿兩個(gè)方向，但不能同時(shí)進(jìn)行傳輸。

• 全雙工：

  是指數(shù)據(jù)可以同時(shí)進(jìn)行雙向傳輸。

同步通信和異步通信

根據(jù)串行數(shù)據(jù)傳輸方式，我們又可以分為：同步通信和異步通信。

同步通信是指發(fā)送端和接收端必須使用同一時(shí)鐘，是一種連續(xù)傳送數(shù)據(jù)的通信方式。由于發(fā)送和接收的雙方都采用同一時(shí)鐘，這樣接收方就可以通過時(shí)鐘信號(hào)來確定每個(gè)信息位。

異步通信不需要雙方使用同一時(shí)鐘，并且它是一種不連續(xù)的傳輸通信方式，一次通信只能傳輸一個(gè)字符數(shù)據(jù)（字符幀）。而字符幀之間的間隙可以是任意的。但由于不知道對(duì)方什么時(shí)候發(fā)送數(shù)據(jù)，所以發(fā)送方要在數(shù)據(jù)的開始后結(jié)束都要加一些輔助的信息，比如開始要有起始位，結(jié)束要有結(jié)束位等。

同步通信的通信效率比異步通信高，可以傳輸較大的數(shù)據(jù)量但對(duì)于時(shí)鐘同步要求比較高，而異步通信不需要同步時(shí)鐘，通信實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，但是傳輸速率不高，某些通訊中還需要雙方約定數(shù)據(jù)的傳輸速率，以便更好地同步。

了解了上面的幾個(gè)基本概念，我們?cè)賮戆磦€(gè)看一看UART、I2C和SPI三種協(xié)議。

UART協(xié)議

UART的全稱叫 Universal Asynchronous Reception and Transmission通用異步收發(fā)。從名字我們就可以知道，UART是異步串行通信的。利用UART協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，需要兩個(gè)數(shù)據(jù)引腳，一個(gè)用于傳輸數(shù)據(jù)的TX，另一個(gè)用于接收的RX。

Arduino板上默認(rèn)的RX和TX引腳分別是Pin0和Pin1。UART硬件層和軟件層的功能都是Arduino集成的，一般我們不需要從底層操作數(shù)據(jù)。一個(gè)UART口(一組RX和TX)只能連接一個(gè)UART設(shè)備進(jìn)行通信，我們需要這樣就接線：

注意，一個(gè)設(shè)備的TX接的是另一設(shè)備的RX，反之RX接TX，最后需要將兩個(gè)設(shè)備共地，共地是讓它們的參考電壓一致。

下面，我們用兩塊Arduino實(shí)際實(shí)踐一下。如圖連接兩個(gè)Arduino：

我們?cè)贏rduino A里燒錄以下代碼：

void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
  Serial.begin(9600);
}
void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly:
    char s[]="I am Arduino A";//每隔1s發(fā)送一次字符數(shù)組s
    Serial.print(s);
    delay(1000);
}

再在Arduino B里燒錄以下代碼：

String a=""; //定義字符串，接收數(shù)據(jù)


void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
  Serial.begin(9600);
}
void loop() {
   while(Serial.available())//當(dāng)發(fā)現(xiàn)緩存中有數(shù)據(jù)時(shí)，將數(shù)據(jù)送至字符數(shù)組a中
   {
     a+=char(Serial.read());
     delay(3);
   }
   if (a.length() > 0){
      Serial.println(a)
      a = ""
   }
}

這樣就A就通過UART向B發(fā)送了“I am Arduino A”消息，B接收到以后輸出。當(dāng)然你可以修改A的代碼實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸，這里我們就點(diǎn)到即止了。

UART是最常見的通信協(xié)議之一，它可以實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸，但它的傳輸速度比較慢，而且只能支持一對(duì)一的設(shè)備。

I2C協(xié)議

I2C是Philips公司在1980年代發(fā)明的一種協(xié)議，全稱是Inter-Integrated Circuit。I2C最常被應(yīng)用于模塊或者傳感器之間的通信，因?yàn)镮2C基于二根傳輸線，同步通信的半雙工協(xié)議，而且協(xié)議也非常簡(jiǎn)單可靠。I2C使用兩根傳輸線實(shí)現(xiàn)一個(gè)主設(shè)備與多個(gè)從設(shè)備，甚至是多個(gè)主設(shè)備與對(duì)應(yīng)從設(shè)備之間的通信。 這兩根通訊線一根為控制時(shí)鐘線，稱之為SCL，用于同步設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)鐘； 另一根為數(shù)據(jù)線，稱之為SDA，用于攜帶數(shù)據(jù)。理論上，一條I2C總線上能支持掛載128臺(tái)設(shè)備。

Arduino UNO的I2C引腳是A4(SDA), A5(SDL)。Arduino對(duì)I2C協(xié)議也進(jìn)行了庫(kù)封裝：

https://www.arduino.cc/en/Reference/Wire