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【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

news 来源：原创 2025/8/27 20:43:21

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）

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    无人机与无人车协同避障的关键在于点云数据的采集、传输、解析及实时应用&#xff0c;以下是技术实现的分步解析&#xff1a; 1. 点云数据采集&#xff08;无人机端&#xff09; 传感器选择&#xff1a; LiDAR&#xff1a;通过激光雷达获取高精度3D点云&#xff08;精度达厘米…...

    编程日记 2025/8/27 18:54:54

    AI视频领域的DeepSeek—阿里万相2.1图生视频

    让我们一同深入探索万相 2.1 &#xff0c;本文不仅介绍其文生图和文生视频的使用秘籍&#xff0c;还将手把手教你如何利用它实现图生视频。 如下为生成的视频效果&#xff08;我录制的GIF动图&#xff09; 如下为输入的图片 目录 1.阿里巴巴全面开源旗下视频生成模型万相2.1模…...

    编程日记 2025/8/21 4:01:22

    飞机大战lua迷你世界脚本

    -- 迷你世界飞机大战 v1.2 -- 星空露珠工作室制作 -- 最后更新&#xff1a;2024年1月 ----------------------------- -- 迷你世界API适配配置 ----------------------------- local UI { BASE_ID 7477478487091949474-22856, -- UI界面ID ELEMENTS { BG 1, -- 背景 BTN_LE…...

    编程日记 2025/8/20 15:06:25

    Android15请求动态申请存储权限完整示例

    效果： 1.修改AndroidManifest.xml增加如下内容: <uses-permission android:name="android.permission.MANAGE_EXTERNAL_STORAGE" /><uses-permission android:name="android.permission.WRITE_EXTERNAL_STORAGE" /><uses-perm...

    编程日记 2025/8/26 16:00:27

    Java 导出大数据到 Excel 表格

    背景 之前的项目一直是用XSSFWorkbook来做 Excel 导出&#xff0c;在遇到大数据导出时&#xff0c;经常会遇到 OOM。在 Apache Poi 3.8 之后的版本提供的 SXSSFWorkbook 可以优雅的解决这个问题。 原理 SXSSFWorkbook 被称为流式 API&#xff0c;主要是因为它采用了流式写入…...

    编程日记 2025/8/25 14:36:53

    GCC RISCV 后端 -- GCC Passes 注释

    在前面文章提到&#xff0c;当GCC 前端完成对C源代码解析完成后&#xff0c;就会使用 处理过程&#xff08;Passes&#xff09;机制&#xff0c;通过一系列的处理过程&#xff0c;将 GENERIC IR 表示的C程序 转步转换成 目标机器的汇编语言。过程描述如下图所示&#xff1a; 此…...

    编程日记 2025/8/21 7:16:11

    稚晖君级硬核：智元公司开源机器人通信框架AimRT入驻GitCode平台

    在科技的浪潮中&#xff0c;机器人技术正以前所未有的速度发展。它们不再只是科幻小说中的概念&#xff0c;而是逐渐融入到我们的日常生活中&#xff0c;从工厂的自动化生产线到家庭的智能助手&#xff0c;机器人的身影无处不在。然而&#xff0c;随着机器人应用的日益复杂&…...

    编程日记 2025/8/28 4:16:04

    STM32L051系列单片机低功耗应用

    STM32L051单片机支持多种低功耗模式&#xff0c;包括 Sleep&#xff08;睡眠&#xff09;、Stop&#xff08;停止&#xff09; 和 Standby&#xff08;待机&#xff09; 模式。不同模式的功耗和唤醒方式不同。 一、低功耗相关介绍 1.1 低功耗模式概览 模式功耗唤醒源时钟状态…...

    编程日记 2025/8/27 22:55:55

    【代码分享】基于IRM和RRT*的无人机路径规划方法详解与Matlab实现

    基于IRM和RRT*的无人机路径规划方法详解与Matlab实现 1. IRM与RRT*的概述及优势 IRM&#xff08;Influence Region Map&#xff09;通过建模障碍物的影响区域&#xff0c;量化环境中的安全风险&#xff0c;为RRT算法提供启发式引导。RRT&#xff08;Rapidly-exploring Random…...

    编程日记 2025/8/26 0:30:28

    【JAVA架构师成长之路】【JVM实战】第1集：生产环境CPU飙高排查实战

    课程标题：生产环境CPU飙高排查实战——从现象到根因的15分钟攻防战 目标：掌握CPU飙高问题的系统性排查方法，熟练使用工具定位代码或资源瓶颈 0-1分钟：问题引入与核心影响 线上服务器CPU突然飙升至90%以上，导致服务响应延迟激增，用户投诉激增。CPU飙高可能由死循环、线程…...

    编程日记 2025/8/25 13:26:27

    android edittext 防止输入多个小数点或负号

    有些英文系统的输入法，或者定制输入法。使用xml限制不了输入多个小数点和多个负号。所以代码来控制。 一、通过XML设置限制 <EditTextandroid:id="@+id/editTextNumber"android:layout_width="wrap_content"android:layout_height="wrap_conten…...

    编程日记 2025/8/24 14:05:10

    Spring MVC 页面重定向返回后通过nginx代理 丢失端口号问题处理

    Spring MVC页面重定向通过Nginx代理后出现端口丢失问题&#xff0c;通常由以下原因及解决方案构成&#xff1a; #‌# 一、Nginx配置问题&#xff08;核心原因&#xff09;‌ ‌1. Host头传递不完整‌ Nginx默认未将原始请求的端口信息传递给后端&#xff0c;导致应用生成重定向…...

    编程日记 2025/8/27 15:31:01

    DeepSeek V3 源码：从入门到放弃！

    从入门到放弃 花了几天时间&#xff0c;看懂了DeepSeek V3 源码的逻辑。源码的逻辑是不难的&#xff0c;但为什么模型结构需要这样设计&#xff0c;为什么参数需要这样设置呢&#xff1f;知其然&#xff0c;但不知其所以然。除了模型结构以外&#xff0c;模型的训练数据、训练…...

    编程日记 2025/8/19 3:06:34