通信

IIC 简介

IIC(Inter－Integrated Circuit)总线是一种由 PHILIPS 公司开发的两线式串行总线，用于连接
微控制器及其外围设备。它是由数据线 SDA 和时钟 SCL 构成的串行总线，可发送和接收数据。
在 CPU 与被控 IC 之间、IC 与 IC 之间进行双向传送，高速 IIC 总线一般可达 400kbps 以上。
I2C 总线在传送数据过程中共有三种类型信号， 它们分别是：开始信号、结束信号和应答
信号。
开始信号：SCL 为高电平时，SDA 由高电平向低电平跳变，开始传送数据。
结束信号：SCL 为高电平时，SDA 由低电平向高电平跳变，结束传送数据。
应答信号：接收数据的 IC 在接收到 8bit 数据后，向发送数据的 IC 发出特定的低电平脉冲，
表示已收到数据。CPU 向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU 接
收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，由判断为
受控单元出现故障。
这些信号中，起始信号是必需的，结束信号和应答信号，都可以不要。IIC 总线时序图如
图 所示：

SPI 简介

SPI 是英语 Serial Peripheral interface 的缩写，顾名思义就是串行外围设备接口。是 Motorola
首先在其 MC68HCXX 系列处理器上定义的。SPI 接口主要应用在 EEPROM，FLASH，实时时
钟，AD 转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。SPI，是一种高速的，全双工，
同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为 PCB 的布局
上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片集成了这种通信
协议，STM32F4 也有 SPI 接口。下面我们看看 SPI 的内部简明图

SPI 接口一般使用 4 条线通信：
MISO 主设备数据输入，从设备数据输出。
MOSI 主设备数据输出，从设备数据输入。
SCLK 时钟信号，由主设备产生。
CS 从设备片选信号，由主设备控制。
从图中可以看出，主机和从机都有一个串行移位寄存器，主机通过向它的 SPI 串行寄存器
写入一个字节来发起一次传输。寄存器通过 MOSI 信号线将字节传送给从机，从机也将自己的
移位寄存器中的内容通过 MISO 信号线返回给主机。这样，两个移位寄存器中的内容就被交换。
外设的写操作和读操作是同步完成的。如果只进行写操作，主机只需忽略接收到的字节；反之，
若主机要读取从机的一个字节，就必须发送一个空字节来引发从机的传输。
SPI 主要特点有：可以同时发出和接收串行数据；可以当作主机或从机工作；提供频率可
编程时钟；发送结束中断标志；写冲突保护；总线竞争保护等。

SPI 总线四种工作方式 SPI 模块为了和外设进行数据交换，根据外设工作要求，其输出串
行同步时钟极性和相位可以进行配置，时钟极性（CPOL）对传输协议没有重大的影响。如果
CPOL=0，串行同步时钟的空闲状态为低电平；如果 CPOL=1，串行同步时钟的空闲状态为高电
平。时钟相位（CPHA）能够配置用于选择两种不同的传输协议之一进行数据传输。如果 CPHA=0，
在串行同步时钟的第一个跳变沿（上升或下降）数据被采样；如果 CPHA=1，在串行同步时钟
的第二个跳变沿（上升或下降）数据被采样。SPI 主模块和与之通信的外设备时钟相位和极性
应该一致。
不同时钟相位下的总线数据传输时序如图 30.1.2 所示：

STM32F4 的 SPI 功能很强大，SPI 时钟最高可以到 37.5Mhz，支持 DMA，可以配置为 SPI
协议或者 I2S 协议（支持全双工 I2S）。

485 简介

485（一般称作 RS485/EIA-485）是隶属于 OSI 模型物理层的电气特性规定为 2 线，半双工，
多点通信的标准。它的电气特性和 RS-232 大不一样。用缆线两端的电压差值来表示传递信号。
RS485 仅仅规定了接受端和发送端的电气特性。它没有规定或推荐任何数据协议。
RS485 的特点包括：
1） 接口电平低，不易损坏芯片。RS485 的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为
+(2~6)V
表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-(2~6)V 表示。接口信号电平比 RS232 降低了，
不易损坏接口电路的芯片，且该电平与 TTL 电平兼容，可方便与 TTL 电路连接。
2） 传输速率高。10 米时，RS485 的数据最高传输速率可达 35Mbps，在 1200m 时，
传输
速度可达 100Kbps。
3） 抗干扰能力强。RS485 接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能
力
增强，即抗噪声干扰性好。
4） 传输距离远，支持节点多。RS485 总线最长可以传输 1200m 以上（速率≤100Kbps）
一般最大支持 32 个节点，如果使用特制的 485 芯片，可以达到 128 个或者 256 个节点，
最大的可以支持到 400 个节点。
RS485 推荐使用在点对点网络中，线型，总线型，不能是星型，环型网络。理想情况下 RS485
需要 2 个终端匹配电阻，其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗（一般为 120Ω）。没有特性阻抗
的话，当所有的设备都静止或者没有能量的时候就会产生噪声，而且线移需要双端的电压差。
没有终接电阻的话，会使得较快速的发送端产生多个数据信号的边缘，导致数据传输出错。485
推荐的连接方式如图 31.1.2 所示：

CAN 简介

CAN 是 Controller Area Network 的缩写（以下称为 CAN），是 ISO 国际标准化的串行通信
协议。在当前的汽车产业中，出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求，各种
各样的电子控制系统被开发了出来。由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求
不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。为适应“减少线束的数量”、
“通过多个 LAN，进行大量数据的高速通信”的需要，1986 年德国电气商博世公司开发出面
向汽车的 CAN 通信协议。此后，CAN 通过 ISO11898 及 ISO11519 进行了标准化，现在在欧
洲已是汽车网络的标准协议。
现在，CAN 的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设
备、工业设备等方面。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的
计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有
力的技术支持。
CAN 控制器根据两根线上的电位差来判断总线电平。总线电平分为显性电平和隐性电平，
二者必居其一。发送方通过使总线电平发生变化，将消息发送给接收方。
CAN 协议具有一下特点：
1） 多主控制。在总线空闲时，所有单元都可以发送消息（多主控制），而两个以上的单元
同时开始发送消息时，根据标识符（Identifier 以下称为 ID）决定优先级。ID 并不是
表示发送的目的地址，而是表示访问总线的消息的优先级。两个以上的单元同时开始
发送消息时，对各消息 ID 的每个位进行逐个仲裁比较。仲裁获胜（被判定为优先级
最高）的单元可继续发送消息，仲裁失利的单元则立刻停止发送而进行接收工作。
2） 系统的柔软性。与总线相连的单元没有类似于“地址”的信息。因此在总线上增加单
元时，连接在总线上的其它单元的软硬件及应用层都不需要改变。
3） 通信速度较快，通信距离远。最高 1Mbps（距离小于 40M），最远可达 10KM（速率低
于 5Kbps）。
4） 具有错误检测、错误通知和错误恢复功能。所有单元都可以检测错误（错误检测功能），
检测出错误的单元会立即同时通知其他所有单元（错误通知功能），正在发送消息的单
元一旦检测出错误，会强制结束当前的发送。强制结束发送的单元会不断反复地重新
发送此消息直到成功发送为止（错误恢复功能）。
5） 故障封闭功能。CAN 可以判断出错误的类型是总线上暂时的数据错误（如外部噪声等）
还是持续的数据错误（如单元内部故障、驱动器故障、断线等）。由此功能，当总线上
发生持续数据错误时，可将引起此故障的单元从总线上隔离出去。
6） 连接节点多。CAN 总线是可同时连接多个单元的总线。可连接的单元总数理论上是没
有限制的。但实际上可连接的单元数受总线上的时间延迟及电气负载的限制。降低通信速度，可连接的单元数增加；提高通信速度，则可连接的单元数减少。
正是因为 CAN 协议的这些特点，使得 CAN 特别适合工业过程监控设备的互连，因此，越
来越受到工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一。
CAN 协议经过 ISO 标准化后有两个标准：ISO11898标准和 ISO11519-2 标准。其中 ISO11898
是针对通信速率为 125Kbps~1Mbps 的高速通信标准，而 ISO11519-2 是针对通信速率为 125Kbps
以下的低速通信标准。
本章，我们使用的是 500Kbps 的通信速率，使用的是 ISO11898 标准，该标准的物理层特
征如图 32.1.1 所示

从该特性可以看出，显性电平对应逻辑 0，CAN_H 和 CAN_L 之差为 2.5V 左右。而隐性
电平对应逻辑 1，CAN_H 和 CAN_L 之差为 0V。在总线上显性电平具有优先权，只要有一个
单元输出显性电平，总线上即为显性电平。而隐形电平则具有包容的意味，只有所有的单元都
输出隐性电平，总线上才为隐性电平（显性电平比隐性电平更强）。另外，在 CAN 总线的起止
端都有一个 120Ω的终端电阻，来做阻抗匹配，以减少回波反射。
CAN 协议是通过以下 5 种类型的帧进行的：
 数据帧
 遥控帧
 错误帧
 过载帧
 间隔帧
另外，数据帧和遥控帧有标准格式和扩展格式两种格式。标准格式有 11 个位的标识符（ID），
扩展格式有 29 个位的 ID。各种帧的用途如表 32.1.1 所示：
帧类型 帧用途
数据帧 用于发送单元向接收单元传送数据的帧
遥控帧 用于接收单元向具有相同 ID 的发送单元请求数据的帧
错误帧 用于当检测出错误时向其它单元通知错误的帧
过载帧 用于接收单元通知其尚未做好接收准备的帧
间隔帧 用于将数据帧及遥控帧与前面的帧分离开来的帧

 我们这里仅对数据帧进行详细介绍，数据帧一般由 7 个段构成，即：
（1） 帧起始。表示数据帧开始的段。
（2） 仲裁段。表示该帧优先级的段。
（3） 控制段。表示数据的字节数及保留位的段。
（4） 数据段。数据的内容，一帧可发送 0~8 个字节的数据。
（5） CRC 段。检查帧的传输错误的段。
（6） ACK 段。表示确认正常接收的段。
（7） 帧结束。表示数据帧结束的段