📘 串口通信协议与模拟接口学习笔记总结

在嵌入式系统开发中，各类通信协议与模拟接口是实现外设连接与控制的基础。本文总结了常见的串口通信协议（UART、I2C、SPI、CAN、SDIO、蓝牙）和模拟/数字接口（PWM、ADC、DAC）的工作原理、特点与应用场景。

一、串口通信协议总结

1. UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）

  • 类型：异步串行通信协议
  • 连接线：2 根（TX发送、RX接收）
  • 结构：点对点，无主从关系
  • 特点：
    • 不需要时钟线，靠波特率同步
    • 适合短距离通信，调试、模块通信广泛使用
  • 典型应用：调试串口、蓝牙模块（如HC-05）

2. I²C（Inter-Integrated Circuit）

  • 类型：同步串行通信协议
  • 连接线：2 根（SCL时钟线、SDA数据线）
  • 结构：多主多从
  • 特点：
    • 每个设备有唯一地址，可挂多个外设
    • 硬件资源占用少，但速率较低
  • 典型应用：温湿度传感器（如 SHT30）、OLED 显示器、RTC 时钟芯片

3. SPI（Serial Peripheral Interface）

  • 类型：同步串行通信协议
  • 连接线：通常 4 根（SCLK时钟、MOSI主出从入、MISO主入从出、CS片选）
  • 结构：主从式
  • 特点：
    • 速率高（数十 Mbps），全双工通信
    • 不支持多主，但可挂多个从设备
  • 典型应用：Flash 存储器、TFT 屏幕、加速度计等高速外设

4. CAN（Controller Area Network）

  • 类型：多主串行总线
  • 连接线：2 根（CAN_H、CAN_L）
  • 结构：多主多从，广播式通信
  • 特点：
    • 强抗干扰，支持差分传输
    • 适合工业控制和汽车电子场景
  • 典型应用：车辆控制器之间通信、工业控制网络

5. SDIO（Secure Digital Input Output）

  • 类型：同步高速串行通信协议
  • 连接线：通常 6 根（CMD、CLK、DAT0~3）
  • 结构：主从式
  • 特点：
    • 用于 SD 卡、WiFi 模块等高速数据设备
    • 支持中断、DMA 等高效数据传输
  • 典型应用：SD 卡、无线网卡（WiFi 模块）

6. 蓝牙（Bluetooth）

  • 类型：无线串口通信协议（SPP）
  • 连接线：无线（但与 MCU 通常通过 UART 连接）
  • 结构：主从式
  • 特点：
    • 近距离无线传输，速率约 1~3 Mbps
    • 常用于代替串口通信，实现无线控制
  • 典型应用：蓝牙耳机、蓝牙串口模块、手机与设备交互

二、模拟与数字接口总结

1. PWM（Pulse Width Modulation）

  • 类型：数字输出控制
  • 功能：通过控制占空比模拟模拟电平
  • 特点：
    • 常用于电机调速、LED 亮度控制、蜂鸣器发声
    • 周期固定，占空比可调
  • 典型应用：直流电机、舵机、LED 调光

2. ADC（Analog to Digital Converter）

  • 类型：模拟输入
  • 功能：将模拟电压信号转换为数字值
  • 特点：
    • 通常内置于 MCU 中，有多通道、多分辨率选择
  • 典型应用：电压检测、光照传感器、温度采样

3. DAC（Digital to Analog Converter）

  • 类型：模拟输出
  • 功能：将 MCU 的数字量转换为模拟电压输出
  • 特点：
    • 用于控制模拟设备，或音频、电压输出场景
  • 典型应用：信号发生器、音频输出、电压控制

三、对比表格汇总

接口/协议 类型 通信方向 线数 结构 速率 应用场景
UART 异步串口 双向 2 点对点 中 调试、串口模块
I²C 同步串口 双向 2 多主多从 中 传感器、显示器
SPI 同步串口 双向 4 主从式 高 存储器、屏幕
CAN 串行总线 双向 2 多主 中 汽车、工业控制
SDIO 同步串口 双向 4~6 主从式 高 SD卡、WiFi模块
蓝牙 无线串口 双向 无线 主从式 中 无线通信
PWM 数字控制 输出 1 - - 控速、调光
ADC 模拟采集 输入 1 - - 传感器输入
DAC 模拟输出 输出 1 - - 信号输出