UART、I2C、SPI、RS485、CAN通信协议全面对比与实战应用指南

在嵌入式与单片机开发中，UART、I2C、RS485等通信协议被广泛应用，但开发者对其特性和区别的认识可能并不清晰。本文将对常见的有线通信协议进行系统性梳理与对比，帮助你快速掌握其核心原理与应用场景。

UART通用异步收发器

UART口指的是一种物理接口形式(硬件)。

UART是异步、全双工的串口总线。它比同步串口复杂，通常有两根线：一根TXD用于发送，一根RXD用于接收。

UART的串行数据传输不需要时钟信号同步，而是依赖于发送和接收设备之间预定义的配置。因此，通信双方的串行通信配置（如波特率、数据位、停止位等）必须设置为完全相同。

数据帧格式:

• 起始位：标志数据传输开始，电平逻辑为“0”。
• 数据位：可能值为5、6、7、8、9位，通常取8位，对应一个字节的数据。
• 奇偶校验位：用于接收方校验数据正确性（偶校验或奇校验），此位可选。
• 停止位：表示一帧数据结束，电平逻辑为“1”。

若使用通用IO口模拟UART总线，则需要一个输入口和一个输出口。

I2C总线

I2C总线是一种同步、半双工的两线式串行总线，由串行时钟线SCL和串行数据线SDA组成。

• SCL线负责产生同步时钟脉冲。
• SDA线负责在设备间传输串行数据。

该总线支持多设备连接，设备既可作主设备也可作从设备。

主设备负责发起和控制通信，产生时钟信号；从设备则等待并响应主设备命令。无论主设备是发送方还是接收方，时钟信号都只能由主设备产生。

若用GPIO模拟I2C并实现双向传输，则需要一个输入输出口（SDA）和一个输出口（SCL）。

SPI串行外设接口

SPI总线是同步、全双工的四线式串行接口总线，采用“单主设备+多从设备”的架构。只要同一时刻只有一个主设备激活，系统中就可以存在多个SPI主设备。它常用于AD转换器、EEPROM、FLASH、RTC等外设的通信。

SPI通信需要4条信号线：

• MOSI：主设备输出，从设备输入的数据线。
• MISO：主设备输入，从设备输出的数据线。
• SCLK：串行时钟信号线。
• SS：从设备选择信号线，低电平有效。

SPI的时序模式由时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）决定，二者共同定义了时钟信号的初始电平状态和数据的采样边沿。

UART、SPI、I2C核心比较

• I2C：连线最少（2线），功能强大，但协议相对复杂，需要双向IO支持，抗干扰能力较弱，通常用于板内芯片间通信。
• SPI：实现简单，有时钟信号，无需固定波特率。速度通常快于I2C。
• UART：异步通信，需要双方约定固定波特率。一帧数据位数可变（5-9位），而I2C固定为8位。
• 选型：SPI通过片选信号选择从机，I2C通过地址选择从机。

常见串口通信标准：RS232、RS422、RS485

RS232串口通信 采用负逻辑电平：-3V~-15V为逻辑“1”，+3V~+15V为逻辑“0”。传输距离约15米，全双工通讯，速率较低（通常20kbps）。DB9接口中最常用的是RXD、TXD、GND三根信号线。

TTL与RS-232互转：单片机常用TTL电平（0V/5V或0V/3.3V），若连接RS232设备，需使用MAX232等芯片进行电平转换。

RS422串口通信 采用4根信号线（两发两收）加地线，是全双工通信。支持一点对多点的双向通信，但从设备之间不能直接通信。

RS485串口通信 采用平衡发送和差分接收，抗共模干扰能力强。采用两线进行半双工传输，速率可达10Mb/s，传输距离远（几十米至上千米）。逻辑电平由两线间的电压差决定：+2V~+6V为“1”，-2V~-6V为“0”。常使用MAX485等芯片实现TTL到RS485的转换。

关键概念辨析

• 串口/COM口：指物理接口形式（硬件）。
• TTL、RS-232、RS-485：指电平标准（电信号）。 嵌入式中的“串口”通常指UART口（TTL电平），而PC的COM口采用RS232电平。

CAN总线 CAN是控制器局域网络的简称，一种用于分布式实时控制的串行通信网络，广泛应用于汽车领域。它通过CAN_H和CAN_L两条线进行差分传输，网络两端需接入120欧姆终端电阻。

CAN通信距离可达10千米（低速时），速率可达1Mbps（短距离内）。每个设备均可作为主/从设备。

CAN电平逻辑：采用“线与”规则仲裁，显性电平（逻辑0，高电位）覆盖隐性电平（逻辑1，低电位）。

USB通信串行总线 USB接口至少包含四根线，其中两根为数据线（D+， D-），所有数据传输通过这两根线的差分信号完成，属于半双工通信。协议规定，电压电平不变代表逻辑1，电压变化代表逻辑0。

USB转TTL：通常使用CH340G等芯片实现USB与TTL串口之间的转换。相比复杂的USB协议，串口通信更为简单直接。

SD卡通信模式 单片机与SD卡通信有两种模式：

1. SPI总线模式：仅使用一条数据线（半双工），速度较慢。
2. SD总线模式：使用4条数据线，传输速度远快于SPI模式。

1-WIRE单总线 由Dallas公司推出，采用单根信号线异步半双工传输时钟和数据。速率通常在16.3Kbit/s至142Kbit/s之间。端口为漏极开路，需外加上拉电阻（通常5K~10KΩ）。主要应用于耗材识别、电路板认证等场景。

DMA直接存储器访问 DMA是微控制器（如STM32）内的硬件模块，能在外设与内存间直接传输数据，无需CPU介入，可大幅提升数据传输效率和CPU利用率。

Ethernet以太网 以太网是应用最普遍的局域网技术。其接口分为协议层（由MAC控制器实现）和物理层（由PHY芯片和传输器构成）。许多处理器已集成MAC，需外接PHY芯片提供物理接口。网络变压器起到信号耦合、电平隔离和增强抗干扰能力的作用。

典型的以太网接口参考电路如下：