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一、IIC通信協議

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(1)概述

• I2C(Inter-Integrated Circuit BUS) 集成電路總線，該總線由 NXP（原 PHILIPS）公司設計，多用于主控制器和從器件間的主從通信，在小數據量場合使用，傳輸距離短，任意時刻只能有一個主機等特性。
• 經常 IIC 和 SPI 接口被認為指定是一種硬件設備，但其實這樣的說法是不盡準確的，嚴格的說他們都是人們所定義的軟硬結合體，分為物理層（四線結構）和協議層（主機，從機，時鐘極性，時鐘相位）。
  -IIC， SPI 的區別不僅在與物理層， IIC 比 SPI 有著一套更為復雜的協議層定義。下面來分別說明一下 IIC 的物理層和協議層

(2) IIC 的物理層

• a．只要求兩條總線線路，一條是串行數據線ＳＤＡ，一條是串行時鐘線ＳＣＬ,(IIC 是半雙工，而不是全雙工)。
• b.每個連接到總線的器件都可以通過唯一的地址和其它器件通信，主機/從機角色和地址可配置，主機可以作為主機發送器和主機接收器。
• c.IIC 是真正的多主機總線，（而這個 SPI 在每次通信前都需要把主機定死，而 IIC 可以在通訊過程中，改變主機），如果兩個或更多的主機同時請求總線，可以通過沖突檢測和仲裁防止總線數據被破壞。
• d.傳輸速率在標準模式下可以達到 100kb/s,快速模式下可以達到 400kb/s。
• e.連接到總線的 IC 數量只是受到總線的最大負載電容 400pf 限制。
• 一個典型的 IIC 接口如下圖所示
  

二、 SPI 協議

• 通常 SPI 通信要求 4 根線，分別是 MOSI(mast output salve input), MISO, CLK, CS。
• 當發送和接受數據的工作都準備好了，只要有時鐘 CLK,就發送數據，沒有時鐘就不發送，而且一個時鐘周期發送一位(bit)數據，所以發送數據的快慢由時鐘頻率來控制。
• 至于時鐘和數據的相位沒有特別嚴格的要求（而 IIC 中，數據的變化只能在 SCL 是低電平的時候發生）， SPI數據的變化是一個時鐘周期一次，這樣的方法來傳輸數據就簡單多了。我們可以根據需求對時鐘的極性和相位做調整，看看是在時鐘上升沿還是下降沿來發送數據，還有停止發送時時鐘的極性，是保持高電平還是低電平。
• 另外在多機通信時， SPI 只是簡單的通過一個片選信號來選擇哪個設備占用總線，但是 IIC 是通過發送從設備地址來自動選擇的。

三、 什么是 TTL 電平、 CMOS 電平？

• TL 電平信號被利用的最多是因為通常數據表示采用二進制規定， +5V 等價于邏輯"1"， 0V 等價于邏輯"0"，這被稱做
  TTL(晶體管-晶體管邏輯電平)信號系統，這是計算機處理器控制的設備內部各部分之間通信的標 準技術。
• CMOS 電平和 TTL 電平： CMOS 電平電壓范圍在 3～15V，比如： 當 5V 供電時，輸出在 4.6 以上為高電平，輸出在
  0.05V 以下為低電平。輸入在 3.5V 以上為高電平，輸入在 1.5V 以下為低電平。而對于 TTL 芯片，供電范圍在 0～5V，常見都是 5V，如 74 系列 5V 供電，輸出在2.7V 以上為高電平，輸出在 0.5V 以下為低電平，輸入在 2V 以上為高電平，在 0.8V 以下為低電平。因此， CMOS 電路與 TTL 電路就有一個電平轉換的問題，使兩者電平域值能匹配
• TTL 高電平 3.6~5V，低電平 0V~2.4V
• CMOS 電平 Vcc 可達到 12V

四、 RS-232 協議

• RS232（異步傳輸標準接口），是個人計算機上的通訊接口之一，也稱串口或串行通訊接口。
• 由電子工業協會(Electronic Industries Association， EIA) 所制定的異步傳輸標準接口。通常 RS-232 接口以9 個引腳 (DB-9) 或是 25 個引腳 (DB-25) 的型態出現，一般個人計算機上會有兩組 RS-232 接口，分別稱為COM1 和 COM2。是目前最常用的一種串行通訊接口。
• 標準 RS232 接口： 常用串口只需要 TX 與 RX 即可。
  

五、 CAN 總線

• CAN 是控制器局域網絡(Controller Area Network, CAN)的簡稱，是由以研發和生產汽車電子產品著稱的德國BOSCH 公司開發的，并最終成為國際標準（ISO 11898），是國際上應用最廣泛的現場總線之一。 在北美 和西歐， CAN總線協議已經成為汽車計算機控制系統和嵌入式工業控制局域網的標準總線，并且擁有以 CAN 為底層協議專為大型貨車和重工機械車輛設計的J1939 協議。
• CAN 是 Controller Area Network 的縮寫（以下稱為 CAN），是 ISO 國際標準化的串行通信協議。在汽車產業中，出于對安全性、舒適性、方便性、低公害、低成本的要求，各種各樣的電子控制系統被開發了出來由于這些系統之間通信所用的數據類型及對可靠性的要求不盡相同，由多條總線構成的情況很多，線束的數量也隨之增加。為適應“減少線束的量”、“通過多個 LAN，進行大量數據的高速通信”的需要,1986 年德國電氣商博世公司開發出面向汽車的 CAN 通信協議。此后， CAN 通過 ISO11898 及 ISO11519 進行了標準化，在歐洲已是汽車網絡的標準協議。
• CAN 的高性能和可靠性已被認同，并被廣泛地應用于工業自動化、船舶、醫療設備、工業設備等方面。現場總線是當今自動化領域技術發展的熱點之一，被譽為自動化領域的計算機局域網。它的出現為分布式控制系統實現各節點之間實時、可靠的數據通信提供了強有力的技術支持。

CAN 的報文格式

• 在總線中傳送的報文，每幀由 7 部分組成。 CAN 協議支持兩種報文格式，其唯一的不同是標識符（ID）長度不同，標準格式為 11位，擴展格式為 29 位。
• 在標準格式中，報文的起始位稱為幀起始（SOF），然后是由 11 位標識符和遠程發送請求位 (RTR）組成的仲裁場。 RTR 位標明是數據幀還是請求幀，在請求幀中沒有數據字節。
• 控制場包括標識符擴展位（IDE），指出是標準格式還是擴展格式。它還包括一個保留位 (ro），為將來擴展使用。它的最后四個位用來指明數據場中數據的長度（DLC）。數據場范圍為 0～8 個字節,其后有一個檢測數據錯誤的循環冗余檢查(CRC）。
• 應答場（ACK）包括應答位和應答分隔符。發送站發送的這兩位均為隱性電平（邏輯 1），這時正確接收報文的接收站發送主控電平（邏輯 0）覆蓋它。用這種方法，發送站可以保證網絡中至少有一個站能正確接收到報文。
• 報文的尾部由幀結束標出。在相鄰的兩條報文間有一很短的間隔位，如果這時沒有站進行總線存取，總線將處于空閑狀態。

六、 485 總線

• 在要求通信距 離為幾十米到上千米時，廣泛采用 RS-485 串行總線標準。 RS-485采用平衡發送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。
• RS232 串口可以與 485 之間互轉， 在單片機上使用 485 總線與使用 RS232 串口一樣， 需要使用芯片轉換電平即可！

七、 Modbus 通訊協議

• Modbus 協議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協議，控制器相互之間、控制器經由網絡（例如以太網）和其它設備之間可以通信。它已經成為一種通用工業標準。有了它，不同廠商生產的控制設備可以連成工業網絡，進行集中監控。此協議定義了一個控制器能認識使用的消息結構，而不管它們是經過何種網絡進行通信的。它描述了一個控制器請求訪問其它設備的過程，如何回應來自其它設備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄。它制定了消息域格局和內容的公共格式。
• 當在同一 Modbus 網絡上通信時，此協議決定了每個控制器需要知道它們的設備地址，識別按地址發來的消息，決定要產生何種行動。如果需要回應，控制器將生成反饋信息并用 Modbus 協議發出。在其它網絡上，包含了 Modbus 協議的消息轉換為在此網絡上使用的幀或包結構。這種轉換也擴展了根據具體的網絡解決節地址、路由路徑及錯誤檢測的方法。
• 此協議支持傳統的 RS-232、 RS-422、 RS-485 和以太網設備。許多工業設備，包括 PLC， DCS，智能儀表等都在使用 Modbus 協議作為他們之間的通信標準。
  Modbus 具有以下幾個特點：
• 標準、開放，用戶可以免費、放心地使用 Modbus 協議，不需要交納許可證費，也不會侵犯知識產 權。目前，支持 Modbus 的廠家超過400家，支持 Modbus 的產品超過 600 種。
• Modbus 可以支持多種電氣接口，如 RS-232、 RS-485 等，還可以在各種介質上傳送，如雙絞線、光纖、無線等。
• Modbus 的幀格式簡單、緊湊，通俗易懂。用戶使用容易，廠商開發簡單。
  

總結

以上是生活随笔為你收集整理的单片机各种通信协议详解的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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