【单片机通信技术】串口通信的几种方式与比较，详细解释SPI通信

一、介绍

串口通信是一种通过串行接口逐位传输数据的通信方式，广泛应用于嵌入式系统、工业控制、传感器网络等领域。

二、以下是几种常见的串口通信方式及其对比：

1.UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）

• 特点：

  • 异步通信：无时钟信号，依赖预定义的波特率（Baud Rate）同步数据。

  • 全双工：支持同时发送和接收（需独立的TX和RX线）。

  • 点对点：通常用于两个设备之间的通信。

  • 帧格式：数据帧包含起始位、数据位（5-9位）、校验位（可选）和停止位。

• 优点：

  • 简单易用，硬件成本低。

  • 支持长距离通信（配合RS-232/RS-485等电平转换芯片）。

• 缺点：

  • 依赖精确的波特率匹配，抗干扰能力较弱。

  • 仅支持点对点，无法直接连接多设备。

• 典型应用：单片机与PC通信、GPS模块、蓝牙模块等。

2. I2C（Inter-Integrated Circuit）

• 特点：

  • 同步通信：需时钟信号（SCL）和数据线（SDA）。

  • 半双工：同一时间只能发送或接收。

  • 多主多从：支持多个主设备和从设备共享总线。

  • 地址寻址：每个设备有唯一地址，主设备通过地址选择从设备。

  • 低速传输：标准模式（100kbps）、快速模式（400kbps）、高速模式（3.4Mbps）。

• 优点：

  • 引脚少（仅需两根线），适合多设备场景。

  • 支持总线仲裁和冲突检测。

• 缺点：

  • 速度较慢，协议复杂度较高。

  • 长距离通信需额外电路（如电平转换器）。

• 典型应用：温度传感器、RTC（实时时钟）、低速率外设。

3. RS-232

• 特点：

  • 物理层标准：定义电平、连接器（如DB9）和电气特性。

  • 异步通信：基于UART协议，需波特率匹配。

  • 单端信号：使用正负电压表示逻辑（-3V~-15V为1，+3V~+15V为0）。

• 优点：

  • 抗干扰能力较强（相比TTL电平）。

  • 支持较长距离（典型15米以内）。

• 缺点：

  • 速度较低（通常<115.2kbps）。

  • 仅支持点对点通信。

• 典型应用：老式计算机外设（鼠标、调制解调器）、工控设备。

4. RS-485

• 特点：

  • 差分信号：使用两条线（A和B）传输差分电压，抗干扰能力强。

  • 多设备通信：支持总线拓扑，最多32个设备（通过中继器扩展）。

  • 半双工：需方向控制（如RE/DE引脚）。

  • 高速长距离：传输距离可达1200米（低速时），速率最高10Mbps（短距离）。

• 优点：

  • 抗干扰强，适合工业环境。

  • 支持多节点网络。

• 缺点：

  • 需协议层管理（如Modbus），硬件复杂度较高。

• 典型应用：工业自动化、楼宇控制、多节点传感器网络。

5. USB（Universal Serial Bus）

• 特点：

  • 复杂协议：支持热插拔、即插即用、电源供电。

  • 高速传输：USB 2.0（480Mbps）、USB 3.0（5Gbps）。

  • 主从架构：主机（如PC）控制所有数据传输。

• 优点：

  • 高带宽，支持多种设备类型。

  • 广泛兼容，即插即用。

• 缺点：

  • 协议复杂，需专用控制器。

  • 传输距离短（一般<5米）。

• 典型应用：外设连接（键盘、存储设备）、高速数据采集。

6. SPI（Serial Peripheral Interface）

1. 基本特性：

• 同步通信：依赖时钟信号（SCLK）控制数据传输时序，主设备生成时钟。

• 全双工：数据可同时发送（MOSI）和接收（MISO）。

• 主从架构：一个主设备控制多个从设备，通过片选信号（SS/CS）选择从机。

• 高速传输：理论速率可达几十Mbps（如STM32的SPI支持50Mbps以上）。

• 灵活性：数据位宽可配置（通常8位或16位），时钟极性和相位可调。

2. 信号线

• SCLK（Serial Clock）：主设备输出的时钟信号，控制数据传输节奏。

• MOSI（Master Out Slave In）：主设备发送数据到从设备的线路。

• MISO（Master In Slave Out）：从设备发送数据到主设备的线路。

• SS/CS（Slave Select/Chip Select）：主设备通过拉低对应从机的片选信号激活通信。

3. 通信过程

• 主设备初始化：配置时钟极性（CPOL）和相位（CPHA），确定数据采样边沿。

• 选择从设备：拉低目标从机的SS/CS引脚。

• 数据传输：

  • 主设备通过MOSI发送数据，同时通过MISO接收从机数据。

  • 每个时钟周期传输一个数据位（上升沿或下降沿采样，由CPOL和CPHA决定）。

• 结束通信：拉高SS/CS引脚，释放从机。

4. 时钟模式（CPOL和CPHA）

• CPOL（Clock Polarity）：

  • CPOL=0：时钟空闲时为低电平。

  • CPOL=1：时钟空闲时为高电平。

• CPHA（Clock Phase）：

  • CPHA=0：数据在时钟的第一个边沿（上升或下降）采样。

  • CPHA=1：数据在时钟的第二个边沿采样。

5. 多从机连接方式

独立片选（SS/CS）：每个从机有独立的片选信号，主设备通过多个SS引脚控制。

• 优点：简单直接，各从机独立工作。

• 缺点：占用主设备较多引脚。

菊花链（Daisy Chain）：多个从机共用同一片选信号，数据依次传递。

• 优点：节省主设备引脚。

• 缺点：所有从机需支持菊花链模式，协议复杂度高。

6. 优缺点总结

• 优点：

  • 高速传输，适合实时性要求高的场景。

  • 全双工通信，数据传输效率高。

  • 硬件简单，无复杂协议（如地址寻址）。

• 缺点：

  • 引脚占用多（每个从机需单独SS线）。

  • 无硬件错误检测机制（依赖软件校验）。

  • 通信距离短（通常<1米）。

7. 典型应用

• 存储器：Flash、EEPROM（如W25Q128）。

• 传感器：加速度计、陀螺仪（如MPU6050）。

• 显示屏：OLED、TFT屏幕（通过SPI传输图像数据）。

• ADC/DAC：高速模数/数模转换芯片。

三、SPI多从机通信的连线方法

若主机需连接多个从机，常见连线方式有两种：

1. ​独立片选（CS）法

• 硬件连接：每个从机独占一条CS线，主机通过拉低对应CS线选中从机。
• 优点：逻辑简单，各从机独立操作，无冲突。
• 缺点：占用主机较多GPIO引脚，从机数量受限于可用CS线数量。

连线示意图：

主机         从机1         从机2
SCLK  ──┬─────SCLK─────SCLK
MOSI  ──┼─────MOSI─────MOSI
MISO  ──┼─────MISO─────MISO
CS1   ──┴─────CS
CS2   ────────┴───────CS

2.菊花链（Daisy Chain）法

• 硬件连接：所有从机的MOSI/MISO串联，数据依次传递。
• 工作方式：主机发送数据包，各从机依次截取自身所需数据段。
• 优点：仅需一条CS线，节省主机引脚。
• 缺点：所有从机需支持菊花链协议，且数据需按顺序处理。

适用场景：LED驱动芯片（如移位寄存器）等需要级联的设备。

四、SPI多从机通信的注意事项

• 时序同步：所有从机的时钟模式（CPOL/CPHA）需与主机一致。
• 抗干扰设计：长距离通信时，可加入终端电阻或使用差分信号（如RS-485兼容SPI）。
• 软件调度：主机需通过轮询或优先级策略管理多从机通信，避免总线冲突。

五、STM32F103单片机中默认SPI引脚是哪个

1.SPI1（高速SPI，APB2总线）​

• 默认引脚 （无需重映射）：
  • SCK（时钟）​ ：PA5（引脚PA5，复用功能SPI1_SCK）
  • MOSI（主机输出）​ ：PA7（引脚PA7，复用功能SPI1_MOSI）
  • MISO（主机输入）​ ：PA6（引脚PA6，复用功能SPI1_MISO）
  • NSS（片选，可选硬件控制）​ ：PA4（引脚PA4，复用功能SPI1_NSS）

2.SPI2（低速SPI，APB1总线）​

• 默认引脚 （无需重映射）：
  • SCK（时钟）​ ：PB13（引脚PB13，复用功能SPI2_SCK）
  • MOSI（主机输出）​ ：PB15（引脚PB15，复用功能SPI2_MOSI）
  • MISO（主机输入）​ ：PB14（引脚PB14，复用功能SPI2_MISO）
  • NSS（片选，可选硬件控制）​ ：PB12（引脚PB12，复用功能SPI2_NSS）