动图演示UART、SPI、 I2C等串行通信的底层原理
本帖最后由 sunsili 于 2024-4-1 16:20 编辑动图演示UART、SPI、 I2C等串行通信的底层原理
UART、SPI、 I2C等串行通信是嵌入式开发中非常常见的通信方式，这些通信的最底层通信原理其实不难，但很多初学者却学不会。 本文分享一些常见通信的底层数据传输原理。
UART 串口
Universal Asynchronous Receiver/ransmitte ，通用异步收发传输器。
UART串口是最常见的一种串口通信，下面是串口连接上位机电脑，以及RS232应用的动画。
如上图，PC 上通过UART来调试MCU。
上图，RS-232通过电平转换芯片与MCU通讯。
SPI串行通信
SPI：Serial Peripheral Interface，串行外设接口。
SPI是一种常见的串行同步通信协议，其应用也非常广泛。
下面是SPI数据传输的时序图：
上图，SPI 数据传输（1）。
上图，SPI数据传输（2）。
上图，SPI时序信号。
上图 SPI片选时序示意图
SPI（串行外设接口）以其高速度而著称，使其成为快速通信的首选。与 I2C 不同，SPI 使用四线工作：MISO（主输入从输出）、MOSI（主输出从输入）、SCK（串行时钟）和 SS（从选择），允许全双工通信（发送和同时接收）。尽管简单且速度快，但 SPI 比 I2C 需要更多的引脚，这可能是电路设计中需要考虑的一个因素。优点：
[*]高速：SPI通信速度较快，适用于对速度要求较高的应用。
[*]全双工：SPI支持全双工通信，可以同时进行数据发送和接收。
[*]简单：SPI的通信协议相对简单，适用于快速开发和实现。
I²C通信
I²C：Inter-Integrated Circuit，字面意思是集成电路之间，是I²C Bus简称。 I²C主要是通过地址来区分识别从机，其通信原理相对较简单。
上图，I2C总线以及寻址方式。
I2C是一种串行通信协议，通常用于连接低速设备，如传感器、存储器和其他外设。它使用两根线（SCL和SDA）来实现双向通信，具有地址定向性和主从模式。优点：
[*]多设备支持：I2C支持多个设备连接到同一总线上，每个设备都有唯一的地址。
[*]简单：I2C协议相对简单，易于实现和调试。
[*]低功耗：在空闲状态时，I2C总线上的器件可以进入低功耗模式，节省能量。
红外遥控
红外遥控在我们现实生活中比较常见，家庭各种遥控器大部分都是红外遥控。 红外遥控是通过控制脉宽（高低电平的时间）来实现通信的，只是它是通过红外无线信号建立通信链路（红外遮挡了就不行，但可反射）。
如上图，红外控制信号也是一个串行通讯信号。
上图，红外信号接收与放大整形电路。
上图，一个使用红外接收光电管控制继电器进行鱼食投喂电路。
串并转换电路
串并转换，就是串行数据转成并口数据，通过时钟控制串行数据一位一位传输，凑整（8位）就是一个并行数据了。
这种转换器有很多现成的芯片，原理很简单。 上图，串入、并出移位寄存器。
上图，由八个D寄存器组成的移位寄存器。
上图，串行传输示意图。
其他
这里再分享一些其他串行传输的原理（波形）：
上图，波形调制。
上图，PWM控制LED亮度。
调幅与调频信号，如上图。
相位调制信号，如上图。
方波边沿抖动波形，如上图。
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