SPI、I2C、UART：通信协议及其应用

单片机开发是电子组装核心过程。串行协议和通信接口输入促进此项工作。本文旨在详尽探讨 SPI、I2C、UART 等串行通信协议，分析其特性、优缺点及示例。

1. UART 接口

什么是 UART？

图 1：Arduino 上的 UART 协议

通用异步收发器 (UART) 是串行通信协议，便于主机与辅助设备通信。主要实现串行数据传输，支持异步通信和双向传输。简单协议有两条数据线：发送 (Tx) 和接收 (Rx)。通常发送通过数字引脚 0，接收通过数字引脚 1。也协助同步计算机与外部串行设备管理。

如何工作？

图 2：DIY 电子 USB UART 板

UART 通过以下方式管理两设备间信号通信：单工、半双工、全双工。单工单向传输；半双工双向非同时通信；全双工双向同时传输。连接后，数据从发送 UART 数据线传至接收 UART，原则：

发送 UART 将主设备并行数据转串行传给接收 UART；接收 UART 将串行数据转并行供接收设备用
UART 异步通信无时钟，生成起始位和停止位指示消息始末
两 UART 必须相同波特率(传输速率)，差超 10% 数据无效

UART 工作协议

数据发送与接收

发送 UART 从数据总线(如 CPU)接收数据
添加起始位、校验位、停止位三位，组成数据包经 TX 引脚传给接收 UART
发送 UART 数据耗尽后停止传输

中断控制

数据中断用于自动发送缓冲内容。以下场景触发中断控制：FIFO 溢出错误、换行错误、帧错误、奇偶校验错误；数据接收、发送、接收超时时。

FIFO 操作

图 3. Arduino 上的 UART 接口

Stellaris 系列 UART 模块含两个 16 字节 FIFO，分别用于接收和发送。可配置不同深度产生不同中断，如 1/8、1/4、1/2 深度。发送 FIFO 工作过程：数据录入后开始发送，耗时长持续录入直到 FIFO 满；满后停止录入防新数据丢失；逐位发送直到空，创建额外槽位。接收 FIFO 工作过程：硬件存储接收数据，程序自动接收擦除保证空间；含收发 FIFO 解决 CPU 低效和频繁 UART 中断问题；预先封堵丢失途径实现无数据丢失。

回环

UART 内部回环用于调试诊断，RX 输入接收发送数据。

串行红外协议

UART 含 IrDA 串行红外 (SIR) 编解码模块，转换半双工串行 SIR 接口和异步 UART 数据流。串行通信协议向 UART 提供解码输入和数字编码输出。

UART 优势

简单通信协议，文档完善易用
无需串行时钟线
校验位支持错误检查

UART 劣势

数据帧限 9 位，传输速度慢
不支持多主多从系统
强制波特率误差 10% 内防数据丢失
设备间数据传输普遍较慢

单片机 UART 示例

UART Seeeduino V4.2
USB 转 UART 5V
Base Shield V2
USB CP2102 串口转换器

2. I2C 接口

什么是 I2C？

图 4：差分压力传感器使用 I2C

集成电路总线 (I2C) 通信协议类似 UART。但 UART 用于 PC-设备通信，I2C 用于传感器和模块应用。双向双线同步串行总线，凭借共享总线和地址系统连接多设备不妥协通信路径。代价是通信速度相对 SPI 较慢，速度依赖外部噪声、线材质量、数据速率。双线接口连接低速设备：EEPROM、AD/DA 转换器、单片机。

如何工作？

I2C 协议两线：串行数据线接收口 (SDA) 和串行时钟线 (SCL)。SCL 同步传输，SDA 为收发数据位数据线。传输时主设备提示总线数据传输，同时产生时钟打开传输设备。被寻址设备为从设备。主从设备无恒定传输速率，关系依赖传输时数据方向。主设备发起传输前须告知从设备，接收从设备数据前也须告知。必须上拉电阻接 I2C 电源以最佳运行。