单片机通信协议
ADC
工作原理
采样——保持——量化——编码
采样：间隔一定时间对模拟信号进行采样，单位时间对信号的采样次数被称为采样率
保持：保持电路将模拟信号保持一段时间，让后级的数字电路完成量化和编码
量化：将连续的模拟信号用有限个离散数字信号近似化
编码：将量化后的结果用二进制或其他进制的形式表示出来
- 分辨率：数字量变化最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与2^n的比值，通常以数字信号的位数来表示
- 转换速率：AD转换一次所需时间的倒数，单位时间完成AD转换的次数
- 采样速率：两次采样（转换）的时间间隔的倒数，为了保证转换的正确完成，采样率必须小于等于转换速率，即采样时间大于转换时间
UART
UART：通用异步收发器，全双工，串行通信
UART帧格式
总线空闲时，处于高电平
起始位：拉低发送一个0表示起始位，随后进行数据发送
发送8位数据，先发送最低位，后发送最高位
奇偶校验位：校验数据的正确性
奇校验：1的数量为偶数则为1，反之为0，偶校验：1的数量为偶数则为0，反之为1
停止位：高电平表示传输停止
波特率
波特率用于描述UART通信时的通信速度，单位为bps，即每秒钟传输的bit数量
通信双方的波特率必须一致，使收发双方的时钟一致
RS232
规定逻辑1的电平在-5到-15V，逻辑0的电平为+5V到+15V，目的是提升抗干扰能力，传送距离可以达到15m
由于TTL电平不符合RS232的要求，往往需要加一个电平转换芯片，如MAX232
存在的问题：
- 通信速度较低
- 易产生通信干扰
- 传输距离短（15m）
RS485
半双工，允许连接多个收发器，使用差分信号进行传输
规定两线之间的电压差在+2V到+6V之间为逻辑1，-2V到-6V之间为逻辑0
A端>B端为1，A端<B端为0
需要使用电平转换芯片将TTL信号转换为485信号，如MAX485
- 抗干扰能力强
- 通信距离可达1500m
- 通信速度快
- 可以多节点组网
ModBus协议
基于RS485
帧与帧之间应间隔3.5字符的时间
1字符=1个UART帧
例：9600波特率 1UART帧 = 1bit起始位+8bit数据+1bit停止位
3.5 * 10 * 1 / 9600 = 0.0036s = 3.6ms
ModBus帧格式
| 地址码（ID） | 功能码 | 数据区 | 校验码（CRC） |
|---|---|---|---|
| 8bit | 8bit | N * 8bit | 16bit |
| 0为广播地址，地址范围1~247，广播时，从机不回应指令 | 0x03读0x06写0x16写多个 |
主机命令帧
| 地址码（ID） | 功能码 | 寄存器地址 | 寄存器个数 | 校验码（CRC） |
|---|---|---|---|---|
| 8bit | 8bit | 16bit | 16bit | 16bit |
| 01 | 0x03 | 0x00 0x00 | 0x00 0x02 | 0xC4 0x0B |
| 向地址为01的从机发送 | 读从机数据，要求从机返回数据 | 从地址00开始读 | 读两个寄存器，包含起始地址指向的寄存器 | CRC校验 |
从机回应帧
| 地址码（ID） | 功能码 | 字节数 | 数据1 | 数据2 | 校验码（CRC） |
|---|---|---|---|---|---|
| 8bit | 8bit | 8bit | 16bit | 16bit | 16bit |
| 01 | 0x03 | 0x04 | 0x00 0x01 | 0x00 0x02 | 0x2A 0x32 |
| 向地址为01的从机发送 | 读从机数据，要求从机返回数据 | 寄存器个数 * 2 | CRC校验 |
I2C
半双工
I2C为多主机总线，I2C有冲突检测和仲裁的功能防止错误产生
每个连接到I2C的器件都有一个唯一地址（7bit）
同一时刻只能有一个主机，使用主机进行管理
使用一根时钟线SCL和数据线SDA进行通信
空闲时：SCL和SDA同时高电平
起始信号和停止信号都由主机发出
起始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平跳变为低电平
停止信号：SCL为高电平时，SDA由低电平跳变为高电平
数据传输：
- 先发送高位后发送低位
- SCL为低电平时，允许发送数据，
- 发送完一个bit的数据后，要将SCL拉高，SDA不允许变化，保持稳定，等待接收器接收这个bit的数据
- 应答位：接收器将SDA拉低为应答（ACK），保持高为非应答（NACK）
应答位：接收器将SDA拉低为应答（ACK），保持高为非应答（NACK）
通信过程
- 主机发送起始信号启用总线，发送一个字节数据指明从机地址和读写方向（0：写，1：读）
- 被寻址的从机向主机回应应答信号
- 主机发送一个字节
- 从机回应
- ...
- 通信完成主机发送停止信号
I2C通信时序
1. 主机向从机发数据
| 起始信号 | 从机地址7bit | 读写位1bit | 从机ACK | 数据8bit | 从机ACK | 数据8bit | 从机ACK/NAK | 终止信号 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 主机发送 | 主机发 | 主机发：0写 | 从机发：0 | 主机发 | 从机发:0 | 主机发 | 从机发:0/1 | 主机发送 |
当主机不想继续发送时，发送一个终止信号（SCL拉高的同时，SDA从低电平跳变到高电平）
当从机不想接收时，在接收完主机发送的最后一个字节后，向主机发送NAK
2. 从机向主机发送数据
| 起始信号 | 从机地址7bit | 读写位1bit | 从机ACK | 数据8bit | 主机ACK | 数据8bit | 主机NAK | 终止信号 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 主机发送 | 主机发 | 主机发：1读 | 从机发：0 | 从机发 | 主机发：0 | 从机发 | 主机发：1 | 主机发 |
主机不想接收数据时，接收完最后一个字节后，发送一个NAK，再发送一个终止信号
3. 主机发完从机发
| 起始信号 | 从机地址 | 读写位 | 从机ACK | 数据 | 从机ACK/NAK | 起始信号 | 从机地址 | 读写位 | 从机ACK | 数据 | 主机NAK | 终止信号 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 主机发 | 主机发 | 主机发：0写 | 从机发：0 | 主机发 | 从机发：0/1 | 主机发 | 主机发 | 主机发：1读 | 从机发：0 | 从机发 | 主机发：1 | 主机发 |
主机发完一次数据后，重新开始一次（从起始信号开始），改变读写方向
第一次通信没有发送停止信号，不释放对总线的控制，可以继续进行通信
SPI
SPI有四根线，分别是SCLK时钟线，MOSI主出从入线，MISO主入从出线，CS片选线
全双工，不允许多主机
数据传输时，先发送高位
SPI全双工发一个字节的同时会收一个字节，如果从机没有发，则会收到一个空字节
片选线由高拉低为起始信号，由低拉高为终止信号
寻址方式
当主机要与从机通信时，需要相对应从机的片选线上发送使能信号（高电平/低电平，根据从机而定）
同步方式
1 bit数据传输：时钟线在上升沿或下降沿时，发送器发送数据，下一个下降沿或上升沿时，接收器从数据线读取数据
八个时钟周期可以完成1 Byte数据传输
极性和相位
极性（CPOL）表示SCLK空闲时的状态
- CPOL=0，空闲时SCLK为低电平
- CPOL=1，空闲时SCLK为高电平
相位（CPHA）表示采样时刻
- CPHA=0，每个时钟周期的第一个时钟沿（总线空闲时的第一个边沿，下降或上升沿）采样（从机接收数据）
- CPHA=1，每个时钟周期的第二个时钟沿采样
SPI有四种模式
| CPOL | CPHA | 说明 |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 上升沿采样：SCLK空闲时（低电平），主机发1bit数据，SCLK上升沿（本时钟周期总线空闲后的第一个边沿）从机接收该数据，这是一个时钟周期；下一个时钟周期，SCLK拉低，总线空闲，主机发数据，上升沿，从机接数据... |
| 0 | 1 | 下降沿采样：SCLK空闲时（低电平），SCLK上升沿，主机发1bit数据，SCLK下降沿（本时钟周期总线空闲后的第二个边沿）从机接收数据，这是一个时钟周期；下一个时钟周期，SCLK拉低，总线空闲，上升沿，主机发数据，下降沿，从机接数据... |
| 1 | 0 | 下降沿采样：SCLK空闲时（高电平），主机发送1bit数据，SCLK下降沿（本时钟周期总线空闲后的第一个边沿）从机接收数据，这是一个时钟周期；下一个时钟周期，SCLK拉高，总线空闲，主机发数据，下降沿，从机接收数据... |
| 1 | 1 | 上升沿采样：SCLK空闲时（高电平），SCLK下降沿，主机发送1bit数据，SCLK上升沿（本时钟周期总线空闲后的第二个边沿）从机接收数据，这是一个时钟周期；下一个时钟周期，SCLK拉高，总线空闲，下降沿，主机发数据，上升沿，从机接数据... |
