串口通信協(xié)議有哪些

串口通信（Serial Communications）的概念非常簡單，串口按位（bit）發(fā)送和接收字節(jié)。盡管比按字節(jié)（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時用另一根線接收數(shù)據(jù)。它很簡單并且能夠實現(xiàn)遠距離通信。比如IEEE488定義并行通行狀態(tài)時，規(guī)定設備線總長不得超過20米，并且任意兩個設備間的長度不得超過2米；而對于串口而言，長度可達1200米。典型地，串口用于ASCII碼字符的傳輸。通信使用3根線完成，分別是地線、發(fā)送、接收。由于串口通信是異步的，端口能夠在一根線上發(fā)送數(shù)據(jù)同時在另一根線上接收數(shù)據(jù)。其他線用于握手，但不是必須的。串口通信最重要的參數(shù)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗。對于兩個進行通信的端口，這些參數(shù)必須匹配。

串口通信指串口按位（bit）發(fā)送和接收字節(jié)。盡管比按字節(jié)（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時用另一根線接收數(shù)據(jù)。

常見的串行通信協(xié)議

1.UART

UART是通用異步收發(fā)傳輸器，使用RxD和TxD兩根線實現(xiàn)異步全雙工通信；為確保通信可靠，可以在通信兩邊接共地；因此，完整的UART通信只需最少3根線即可。

RxD是發(fā)送數(shù)據(jù)線，TxD是接收數(shù)據(jù)線，通信雙方使用交叉互聯(lián)，RxD接對方TxD，TxD接對方RxD。UART使用標準的TTL/CMOS電平（0~5V，0~3.3V，0~2.5V，0~1.8V）來表示數(shù)據(jù)，高電平表示1，低電平表示0.為了增強抗干擾能力，提高傳輸長度，可將TTL/CMOS 電平轉換為RS232電平邏輯電平，3~12V表示0，-3~-12V表示1（RS232為負邏輯）

1）UART平時處于空閑狀態(tài)，邏輯1狀態(tài)。

2）當有數(shù)據(jù)發(fā)送時，先發(fā)送起始位，即將TxD拉低并維持1位時間，接收方在檢測到起始位下降沿，等待1.5位后開始一位一位檢測數(shù)據(jù)。

3）發(fā)送數(shù)據(jù)，UART數(shù)據(jù)一幀可以是5，6，7，8位等，一般是8bit，一個字節(jié)。數(shù)據(jù)發(fā)送是先發(fā)送低位，依次發(fā)送，直到最高位。

4）可以使用0或者1bit的校驗位，校驗位可以是奇校驗或者偶檢驗。奇校驗：數(shù)據(jù)加校驗位中1的個數(shù)為奇數(shù)；偶校驗：數(shù)據(jù)加校驗位中1的個數(shù)為偶數(shù)。

5）最后是停止位，數(shù)據(jù)線恢復到空閑狀態(tài)，停止位可以是1，1.5，2位。

1位時間由波特率決定，在UART通信中，波特率（一秒鐘傳輸?shù)姆枖?shù)）等于比特率（一秒鐘傳輸?shù)淖址麛?shù)），通信雙方使用約定的一致的波特率進行通信，常見的波特率有4800，9600，115200等。

2.I2C

與UART不同，I2C 是同步半雙工通信協(xié)議。I2C使用SCL，SDA兩根雙向數(shù)據(jù)線進行通信，同時為了支持線與邏輯，需要使用開漏輸出，同時使用上拉電阻；上拉電阻大小常見的有1.8K，4.7K，10K；在低速場合，為了降低功耗，可以使用10K上拉電阻，1.8K的上拉電阻具有最好的性能，可滿足較高速的應用。I2C常見的通信速率有普通：100K，快速：400K，高速：3.4M。I2C最大的從機數(shù)量受從機地址和最大總線電容400pF電容的限制。I2C的數(shù)據(jù)幀格式如下：

開始位 | 7bit從機地址 | 1bit讀寫方向位（0寫，1讀） | 1bit應答 | 8bit數(shù)據(jù)1 | 1bit應答1| 。.. | 8bit數(shù)據(jù)N |1bit非應答N | 停止位 。

空閑狀態(tài)：空閑時，SCL，SDA同時處于高電平。此時，各器件的輸出場效應管處于截止狀態(tài)，釋放總線，總線信號由上拉電阻上拉至高電平。

開始START:SCL為高電平時，SDA有下降沿。

數(shù)據(jù)傳輸：數(shù)據(jù)傳輸已字節(jié)為單位，第一個字節(jié)表示從機地址+讀寫方向，后續(xù)數(shù)據(jù)格式由器件自己定義。數(shù)據(jù)傳輸中，SDA的只能在SCL低電平時變化，并在SCL上升沿進行數(shù)據(jù)采樣。

應答：每發(fā)送一個字節(jié)后，接收方必須回應答信號ACK，但發(fā)送最后一個字節(jié)后，回非應答信號NACK。

停止STOP ：SCL為高電平時，SDA有上升沿。

握手機制：I2C提供握手機制，當主機速度太快而從機無法滿足快速通信時，從機可以拉低SCL來與主機握手，從而延長SCL低電平的時間。（SCL高電平由所有器件發(fā)出最短的高電平決定，低電平則有低電平最長的決定）。

仲裁：SDA是線與邏輯，因此，只要有一端輸出低，總線就為低電平，因此是低電平優(yōu)先仲裁。仲裁規(guī)則是發(fā)送低電平個數(shù)多的主機獲得總線權。

由于I2C通信的方向性，在一次通信中不能改變數(shù)據(jù)流方向，因此讀過程中需要一次dummy寫過程：

dummy寫完后，在restart，然后將數(shù)據(jù)流方向改為讀，接著就可以讀取從機數(shù)據(jù)內容了。

3.SPI

SPI是同步全雙工串行通信協(xié)議。SPI定義了4根信號線：

SCK：時鐘線，主機提供

MISO：主入從出

MOSI：主出從入

SS：片選。

片選信號可選，因此通信最少需要3根信號線。SPI在時鐘上升沿下進行雙向數(shù)據(jù)交換，主機在輸出的同時，也會接收到從機的數(shù)據(jù)。在設計上，主機從機均需要一個移位寄存器。SPI不區(qū)分讀寫方向，只進行數(shù)據(jù)交換，要讀也必須寫，才能將數(shù)據(jù)交換過來。

SPI通過時鐘極性和時鐘相位定義了4種通信模式：

時鐘極性CPOL：0：空閑時SCK為0，1：空閑時SCK為1.

時鐘相位CPHA：0：數(shù)據(jù)在第一個時鐘跳沿采樣（可能是上升沿，可能是下降沿，與CPOL有關），1：數(shù)據(jù)在第二個時鐘跳沿采樣（可能是上升沿，可能是下降沿，與CPOL有關）。

若在上沿采樣，則數(shù)據(jù)在下沿輸出，因此數(shù)據(jù)能夠穩(wěn)定的被采樣。

SPI時序圖如下：