嵌入式通信协议：UART、RS232、RS485、I²C、SPI 、CAN

1. 先建立整体认识

刚接触这些名称时，很容易把它们都叫作“通信协议”。严格来说，它们并不完全处在同一个层次。

最需要先记住的一句话是：

UART 不等于 RS232，也不等于 RS485。UART 负责组织数据，RS232 和 RS485主要负责把数据变成适合在线缆上传输的电信号。

典型连接关系如下：

MCU UART ──TTL电平── RS232收发器 ──RS232电平── RS232设备
MCU UART ──TTL电平── RS485收发器 ──A/B差分线── RS485总线

2. 理解通信协议前的五个关键词

2.1 串行与并行

• 串行通信：数据按位依次发送，线少、适合较远距离。本文介绍的接口都属于串行通信。

• 并行通信：多位数据同时发送，线多，容易受到各位信号到达时间不一致的影响。

2.2 同步与异步

• 同步通信：有时钟线，接收方跟着时钟采样，例如 I²C、SPI。

• 异步通信：没有时钟线，双方提前约定速率，例如 UART。

2.3 单端与差分

• 单端信号：用一根信号线相对 GND 的电压表示 0 和 1，电路简单，但更容易受干扰。

• 差分信号：用两根线之间的电压差表示 0 和 1，抗干扰能力更强，例如 RS485、CAN。

2.4 单工、半双工与全双工

• 单工：只能沿一个方向发送。

• 半双工：双方都能发送，但不能同时发送，类似对讲机。

• 全双工：双方可以同时发送和接收，类似打电话。

2.5 波特率与比特率

• 比特率：每秒传输的二进制位数，单位是 bit/s。

• 波特率：每秒发生的码元变化次数。

比特率 = 波特率 * log2M

UART 通常一个码元只表示一位，因此工程中经常把波特率近似理解为比特率。不过一帧数据还包含起始位、停止位等开销。例如 115200-8-N-1 发送一个字节需要 10 位，所以理论有效数据率约为：

115200 ÷ 10 = 11520 Byte/s

3. UART 串口

3.1 一句话理解

UART 是一种没有时钟线的异步串行收发方式，通信双方依靠提前约定的波特率和帧格式来正确采样数据。

3.2 基本接线

设备A TX ─────────→ 设备B RX
设备A RX ←───────── 设备B TX
设备A GND ───────── 设备B GND

TX 和 RX 要交叉连接，同时需要共地。只进行单向通信时可以只接一根数据线和 GND。

3.3 UART 数据帧

常见配置 115200-8-N-1 表示：

• 波特率：115200 bit/s

• 数据位：8 位

• 校验位：无校验（N，None）

• 停止位：1 位

一帧数据的结构通常为：

空闲高电平 → 起始位0 → 数据位（常见低位先发）→ 校验位（可选）→ 停止位1

发送端用起始位通知接收端“新的一帧开始了”，接收端随后根据波特率在每一位中间进行采样。双方波特率偏差过大时，采样点会逐渐偏移，最终产生乱码或帧错误。

3.4 优点与局限

优点：

• 接口简单，几乎所有 MCU 都支持。

• 全双工，适合调试信息和模块通信。

• 软件配置和抓包分析比较容易。

局限：

• 原生 TTL/CMOS 电平适合板内或短距离连接。

• 没有地址、应答、重发等统一机制。

• 多设备组网不方便。

3.5 初学者易错点

• 两个设备的 TX 不能接 TX，应该 TX 接 RX。

• 两端的波特率、数据位、校验位和停止位必须一致。

• 3.3V MCU 不一定能承受 5V UART 信号，需要查看芯片手册。

• UART 的奇偶校验只能发现一部分错误，不能替代 CRC。

4. RS232

4.1 一句话理解

RS232 将 UART 数据转换为正负电压进行单端、点对点传输，常用于电脑、仪器和传统工业设备。

4.2 为什么不能直接连接 MCU

MCU 的 UART 通常使用 0V 和 3.3V（或 5V）表示逻辑电平，而标准 RS232 使用正负电压，并且逻辑含义通常相反：

因此 MCU 与 RS232 设备之间要加入 MAX232、SP3232 等收发器，完成升压、产生负压和逻辑反相。

4.3 通信方式

最简单的 RS232 通信使用三根线：

• TXD：发送数据

• RXD：接收数据

• GND：信号地

TXD 和 RXD 独立，因此可以全双工通信。标准接口还可能包含 RTS、CTS 等硬件流控信号。

4.4 优点与局限

优点：兼容大量传统设备，点对点连接简单，全双工。

局限：单端传输抗干扰能力一般，不能直接组成多节点总线，距离和速度不适合同时做得很高。传统工程中常把 15m 左右作为保守距离参考，实际能力与线缆、速率和环境有关。

4.5 初学者易错点

• DB9 接口不代表一定是 RS232，需要查看设备说明书。

• 不能把 RS232 电平直接接入 STM32 引脚。

• DTE 与 DCE 设备的 TX/RX 定义不同，连接前应核对引脚，而不是只看插头公母。

5. RS485

5.1 一句话理解

RS485 使用 A、B 两根线的电压差传输数据，适合远距离、强干扰和多节点工业现场。

5.2 差分传输为什么抗干扰

接收器判断的是两根线之间的电压差：

Vdiff = VA – VB

如果外界干扰同时让 A、B 两线都升高 1V，它们之间的差值基本不变，因此接收结果不容易受到影响。这就是差分传输比单端传输更适合工业环境的主要原因。

5.3 两线半双工通信

最常见的 RS485 使用 A、B 两根数据线，所有节点共享总线，同一时刻通常只允许一个节点发送。

MCU 除了 UART TX/RX，通常还要控制收发器的 DE 和 /RE：

准备发送 → 使能发送器 → UART发送 → 等待最后一位真正发完 → 切回接收

如果数据刚写入发送寄存器就切回接收，最后几个字节可能还没有传到总线上。因此应等待 UART 的“发送完成”标志，而不只是“发送数据寄存器为空”。

5.4 终端、拓扑和协议

• 总线物理上的两端通常各接一个约 120Ω 终端电阻。

• 断电测量总线两端，两个 120Ω 并联后的等效电阻约为 60Ω。

• 推荐手拉手的总线型拓扑，避免星形连接和过长支线。

• 总线空闲状态不稳定时，可以按芯片手册增加偏置电阻。

• 传统 RS485 的 32 个单位负载不是绝对节点上限，现代 1/2、1/4、1/8 单位负载收发器可支持更多节点。

RS485只规定电气层，不规定地址和报文内容。项目中常在它上面运行：

• Modbus RTU

• Profibus 的部分物理实现

• 自定义“地址 + 命令 + 数据 + CRC”协议

5.5 优点与局限

优点：抗干扰强、距离远、支持多节点、成本较低。

局限：常见两线模式是半双工；总线同时发送会冲突；地址、仲裁、重发和错误处理需要上层协议设计。

6. I²C（IIC）

6.1 一句话理解

I²C 是一种两线、同步、带地址的板级总线：主机产生时钟并点名地址，从机匹配地址后进行应答。

6.2 两根信号线

• SCL：串行时钟线

• SDA：串行数据线

SCL 和 SDA 通常采用开漏结构：设备可以主动把线拉低，但不能主动输出高电平，释放总线后由上拉电阻把线拉高。这样多个设备就不会出现一个输出高、另一个输出低而造成的硬件短路，也为应答和多主仲裁提供了基础。

上拉电阻并非固定为 4.7kΩ。阻值需要结合电源电压、总线电容、目标速度和器件灌电流能力选择：

• 电阻太大：上升沿慢，高速时可能采样失败。

• 电阻太小：低电平电流增大，器件可能拉不动。

6.3 起始与停止条件

总线空闲时，SCL 和 SDA 都为高电平：

• SCL 为高时，SDA 从高变低：START 起始条件。

• SCL 为高时，SDA 从低变高：STOP 停止条件。

• 正常传输中，SDA 应在 SCL 低电平时改变，在 SCL 高电平时保持稳定。

6.4 一次写寄存器的过程

START
→ 7位从机地址 + 写方向位0
→ 从机ACK
→ 寄存器地址
→ 从机ACK
→ 要写入的数据
→ 从机ACK
→ STOP

每发送 8 位数据，第 9 个时钟用于应答：

• ACK：接收方拉低 SDA，表示“已收到，可以继续”。

• NACK：SDA 保持高电平，可能表示地址无人响应、接收结束或设备忙。

读取寄存器时常用“重复起始”过程：

START → 地址+写 → 寄存器地址 → RESTART → 地址+读 → 数据 → NACK → STOP

6.5 地址和速度

I²C 常用 7 位地址。资料中有时会把 7 位地址左移一位并加上读写位，写成“8 位地址”，这是驱动开发中常见的地址混淆来源。

常见速度模式包括：

并非所有 MCU 和从机都支持全部模式。

6.6 优点与局限

优点：只用两根信号线即可连接多个设备；自带地址和应答；很适合低速传感器、EEPROM、RTC。

局限：速度和距离受总线电容影响；地址可能冲突；总线被某个器件持续拉低时会卡死；半双工且协议开销比 SPI 大。

7. SPI

7.1 一句话理解

SPI 是一种由主机提供时钟和片选的高速同步接口，MOSI 与 MISO 分开，因此能够全双工传输。

7.2 四类信号

每增加一个普通 SPI 从机，通常要额外占用一根片选线。多个从机可以共用 SCLK、MOSI 和 MISO，但未被片选的从机必须释放 MISO。

7.3 SPI 为什么能全双工

主机和从机内部都可以看成一个移位寄存器。每产生一个时钟，两端各移出一位，同时移入一位：

主机移位寄存器 ──MOSI──→ 从机移位寄存器
主机移位寄存器 ←─MISO─── 从机移位寄存器

因此读取从机时，主机也必须发送一些占位数据来产生时钟；常见占位值是 0x00 或 0xFF，具体看器件手册。

7.4 四种 SPI 模式

CPOL 决定时钟空闲电平，CPHA 决定在哪个边沿采样：

主从设备的模式必须一致。模式错误时，常见现象是数据整体错一位、数值不稳定或完全读不到数据。

7.5 SPI 没有统一的数据帧

SPI 规定了基本信号和移位过程，但没有统一规定：

• 从机地址

• 寄存器地址长度

• 命令格式

• 应答方式

• CRC 和重发

所以使用 SPI 芯片时必须阅读数据手册中的时序图。某些芯片要求 CS 在一整条命令期间保持低电平，有些芯片还要求命令和数据之间插入空时钟。

7.6 优点与局限

优点：速度高、全双工、协议开销小、时序直观。

局限：占用引脚较多；没有统一应答和错误检测；通常只适合 PCB 板内短距离通信；频率升高后需要认真处理走线、阻抗、串扰和边沿质量。

8. CAN

8.1 一句话理解

CAN 是一种差分、多主机、面向消息的可靠总线，多个节点同时发送时，会根据消息标识符进行无损仲裁。

8.2 CAN 不是按设备地址发送

CAN 报文中的标识符描述的是“这是什么消息”，而不是“发给哪台设备”。例如：

ID 0x101：电机转速
ID 0x102：电机温度
ID 0x201：控制指令

所有节点都能看到总线上的报文，每个节点通过过滤器选择自己关心的标识符。这种方式非常适合一个数据被多个节点同时使用的场景。

8.3 差分信号与显性、隐性

CAN 使用 CAN_H 和 CAN_L 两根差分线：

• 显性位：逻辑 0

• 隐性位：逻辑 1

显性 0 可以覆盖隐性 1。这个“线与”特性使多个节点能一边发送一边监听总线，并完成仲裁。

8.4 无损仲裁过程

假设节点 A 和节点 B 同时发送：

节点A标识符：001 0010 0000（0x120）
节点B标识符：000 1000 0000（0x080）
            ↑

某一位上，节点 A 发送隐性 1，却从总线读到显性 0，就知道有更高优先级的报文正在发送，于是立即停止发送。节点 B 继续传输，原报文没有被破坏，所以称为“无损仲裁”。

结论：

CAN 标识符数值越小，优先级越高。标识符代表消息含义，同时也承担总线优先级设计。

8.5 CAN 为什么可靠

CAN 控制器内置了较完整的错误处理机制：

• CRC 校验

• ACK 应答

• 位监测

• 位填充检查

• 帧格式检查

• 出错后自动重发

• 发送错误计数和接收错误计数

• 错误主动、错误被动和总线关闭等故障隔离状态

持续出错的节点最终会进入 Bus-Off，避免它一直干扰整个网络。

8.6 经典 CAN 与 CAN FD

经典 CAN 的标称速率最高通常为 1 Mbit/s。通信距离与速率存在明显权衡：速率越高，允许的总线越短。具体值应根据收发器、线缆、拓扑和采样点设计确定。

8.7 布线注意事项

• 总线两端各使用一个 120Ω 终端电阻。

• 推荐总线型拓扑，支线尽量短。

• CAN 控制器不能直接连接 CAN_H/CAN_L，中间需要 CAN 收发器。

• 地电位差较大或安全要求高时，应使用隔离 CAN 收发器。

9. 六种通信方式横向对比

9.1 核心能力对比

9.2 成本与开发难度

9.3 典型应用

10. 选型时怎么快速判断

可以按下面的顺序思考：

一句话速记：

板内低速少引脚用 I²C，板内高速用 SPI，简单调试用 UART；传统设备用 RS232，远距离多节点用 RS485，高可靠实时网络用 CAN。