动图演示UART、SPI、 I2C等串行通信的底层原理

sunsili

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。