通信协议

串口通信详解
IIC通信详解
SPI通信详解
CAN通信详解

文章目录

通信协议
IIC通信
- IIC的寻址方式
- IIC的传输协议
- IIC的应答机制
- IIC传输协议函数（根据IIC传输协议，模拟IO口IIC）
- IIC正常通信过程（很重要！！）
- - 写操作
  - 读操作
- IIC通信实例——MPU6050陀螺仪模块（模拟IO口模式）
- IIC通信实例——EEPROM模块（库函数模式）

计算机与外界的信息交互称为通信。

基本的通信方式分为两种：
串行通信：所传送的数据各位按顺序一位一位地发送或接受，占用资源少，速度相对较慢。
并行通信：所传送的数据的各个位是同时发送或接受。速度快，占用引脚资源多。

通信的速率：
比特率（bit rate）：每秒能传输的二进制位数。
波特率（Baud rate）：每秒能传输的码元数（不一定是二进制）。
对于数字信号而言，波特率=比特率。

串行通信的种类：
同步通信：带时钟同步信号传输，通讯双方是受同一个时钟源控制，如I2C、SPI、USART。
异步通信：不带时钟信号同步，不是同一个时钟源，按照一定规则传输，如USART、UART、单总线、CAN。

串行通信的方式：
单工：只允许单方向传输，只需一条信号线
半双工：允许非同时进行的双方向传输，只需一条信号线。
全双工：允许同时进行双方向传输，需要两条信号线。

通信协议是主控MCU与各类驱动器、传感器之间实现信息交互的基本逻辑，搞懂通信协议在机器人的电控系统中占有很重要的地位。在接下来的内容中，我将分别讲解串口、IIC、SPI和CAN通信协议的区别原理以及结合实际一些模块的代码部分。

IIC通信

由于传统串口传输只能局限于两个固定设备之间，不能满足大量设备之间的通信要求，所以有了IIC，它是一种两线式串行同步半双工传输总线（分别是数据线SDA和时钟线SCL）。尤其适用于短距离的板内通信。

IIC的寻址方式

I2C总线上的每一个持有I2C通信协议的设备都有一个唯一的地址，主从设备之间的数据传输是建立在地址的基础上，主设备在传输前需要先指定从设备的地址。

寻址格式：

固定地址（4位） + 可编程地址（3位） + 读写控制位（1位）
1010（硬件出产地址） A2A1A0（硬件拉高或拉低） R/W

*根据硬件不同，一般来说一个设备前7位都是固定的。

①如EEPROM芯片AT24C02地址为10100000（写）/10100001（读），它是利用IIC与MCU进行板内通信的。

②又如MPU6050利用IIC通信的陀螺仪芯片，它的地址为01101000（0x68）。

IIC的传输协议

空闲状态：SCL和SDA都保持高电平。
传输状态：
①起始状态：SCL保持高电平时，SDA由高到低下降沿跳变触发，触发后，整个总线将处于忙状态，由本次数据传输的主从设备独占，其他I2C设备无法访问。
②数据传输：主设备在SCL上的每一个时钟脉冲，都会同时在SDA线上传输一个数据位（先发高位再发低位，注意与串口协议不同）。
③应答信号：每个数据传输的字节完成后，都会跟上一个应答位。在SCL保持高电平期间SDA为低表示应答成功；在SCL保持高电平期间SDA为高表示应答失败。
④停止信号：当一次应答信号结束后，若不想进行数据传输，主机产生一个停止信号。SCL为高期间SDA由低到高上升沿跳变触发。

IIC的应答机制

IIC传输的要点就是，传输一个字节后面必然紧跟一个“响应”信号，这个响应信号可能来自主机或者从机，具体看传输方向。

①主机发到从机
主机对从机发送一个字节后，主机读取从机的应答信号（主机读SDA线）。
主机读取SDA为低电平，应答成功。
主机读取SDA为高电平，应答失败。
②从机发到主机
主机读取从机发送过来的一个字节后，主机要向从机发送一个应答信号（主机写SDA线）。
主机写SDA为低电平，从机收到后知道主机应答成功，继续传输。
主机写SDA为高电平，从机收到后知道主机无应答，从机停止传输，等待从主机过来的停止信号。

*起始信号和结束信号总是由主设备产生（IIC有主从的区别！！！）

IIC传输协议函数（根据IIC传输协议，模拟IO口IIC）

以IO口模拟IIC协议为例：

初始化状态：
①初始化IIC，保持空闲状态

发送状态（主机）：
①起始信号

PS：SDA_OUT相当于让SDA对应的IO口配置成输出模式
②停止信号

③发送数据（发送一个字节）

④发送完一个字节后，发送ACK应答位
·应答成功信号

·应答失败信号

接收状态（主机）：
①接收数据（接收数据后判断ACK应答位，来判断上次传输是否应答成功）

IIC正常通信过程（很重要！！）

写操作

第一步，主机首先发送从机地址写（可以有多个从机）来确定是与哪一个从机进行通信。
第二步，从机发送“ACK”应答信号。
第三步，主机再发送相应寄存器地址。
第四步，从机发送“ACK”应答信号。
第五步，主机将要写入寄存器的数据发送到从机。
第六步，从机发送“ACK”应答信号。

读操作

第一步，主机首先发送从机地址写（可以有多个从机）来确定是与哪一个从机进行通信。
第二步，从机发送“ACK”应答信号。
第三步，主机再发送相应寄存器地址。
第四步，从机发送“ACK”应答信号。
第五步，主机重新发送从机地址读（可以有多个从机）来确定是与哪一个从机进行通信。
第六步，从机发送“ACK”应答信号。
第七步，主机读取寄存器的数据，并在读取完成后发送应答信号给从机。

IIC通信实例——MPU6050陀螺仪模块（模拟IO口模式）

①MPU6050 IIC写操作

②MPU6050 IIC读操作

关于地址：
首先，在MPU6050的参考手册中，我们可以得到MPU6050地址和相关一些寄存器的值。

如何初始化MPU6050模块？

整体思路：通过向MPU6050不同寄存器写命令来唤醒MPU6050，设置量程，参考系等。

如何从MPU6050模块读取数据？
（以读取陀螺仪XYZ轴数据为例，同样对其他可读参数也如此）
从MPU6050相应寄存器读取来获得数据。

IIC通信实例——EEPROM模块（库函数模式）

①IIC 库函数配置（设定好模式、设备地址、通信速率/时钟频率）

②写操作（库函数）

③读操作（库函数）

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