代码收藏家技术教程 2025-03-02

电子知识笔记—单片机通信协议入门指南：5种常用协议详解与实战选择

一、通信协议是什么？

想象你和小伙伴传纸条，纸条上要写清楚“谁写的、写给谁、内容是什么”——这就是通信协议的作用。
在单片机中，通信协议是设备之间交换数据的规则，就像人类语言一样，双方必须用同一种“语言”才能交流。

二、5种常用通信协议详解

（从简单到复杂排序，附Arduino示例代码）

1. UART（串口通信）

基本概念：

最简单的“一对一”通信，像两个人直接对话。

需要两根线：TX（发送）、RX（接收）。

工作原理：

双方约定相同的波特率（每秒传输的位数，如9600）。

发送方按固定格式发送数据（起始位+数据位+停止位）。

示例代码（Arduino）：

cpp

void setup() {  
  Serial.begin(9600); // 设置波特率  
}  
void loop() {  
  Serial.println("Hello World!");  
  delay(1000);  
}

优点：
✅ 硬件简单，几乎所有单片机都支持
✅ 调试方便（可用USB转TTL模块连接电脑）

缺点：
❌ 只能点对点通信（不能接多个设备）
❌ 传输距离短（一般不超过3米）

适用场景：

单片机与电脑通信（上传程序、打印调试信息）

两个设备间简单数据交换（如Arduino控制蓝牙模块）

2. I²C（Inter-Integrated Circuit）

基本概念：

“多设备会议”协议，主设备通过地址呼叫从设备。

需要两根线：SCL（时钟线）、SDA（数据线）。

工作原理：

每个从设备有唯一地址（如0x68）。

主设备发送地址信号，只有匹配的从设备响应。

示例场景：

主控芯片通过I²C连接多个传感器（温湿度+光照+气压）。

优点：
✅ 支持多设备（最多128个）
✅ 节省引脚（两根线搞定）

缺点：
❌ 速度较慢（标准模式100kbps）
❌ 通信距离短（一般不超过1米）

实战问题：

地址冲突：多个相同传感器地址重复
→ 解决方法：选择支持地址配置的传感器（如BME280可改地址）

3. SPI（Serial Peripheral Interface）

基本概念：

“高速专线”协议，适合大数据量传输。

需要四根线：SCK（时钟）、MOSI（主发从收）、MISO（主收从发）、SS（片选）。

工作原理：

主设备通过SS引脚选择要通信的从设备。

时钟信号由主设备控制，数据同步传输。

示例场景：

连接显示屏（如OLED）、SD卡模块、高速ADC芯片。

优点：
✅ 速度极快（可达几十Mbps）
✅ 全双工通信（同时收发数据）

缺点：
❌ 占用引脚多（每增加一个设备需多一个SS引脚）
❌ 布线复杂（长距离易受干扰）

实战问题：

信号干扰：SPI线过长导致数据错误
→ 解决方法：缩短线长（建议<30cm），或使用屏蔽线

4. CAN（控制器局域网）

基本概念：

“抗干扰高手”，专为汽车/工业环境设计。

需要两根差分信号线：CAN_H、CAN_L。

工作原理：

采用差分信号，抗干扰能力强。

支持多主机通信，自动仲裁冲突。

示例场景：

汽车ECU（发动机控制单元）之间的通信

工业机器人多个关节控制器联网

优点：
✅ 超强抗干扰（可传输上千米）
✅ 高可靠性（自动错误检测与重发）

缺点：
❌ 硬件成本高（需专用CAN控制器）
❌ 协议复杂（需要学习CAN ID、数据帧格式）

5. 蓝牙/WiFi（无线协议）

基本概念：

通过无线信号传输数据，分短距离（蓝牙）和远距离（WiFi）。

常用模块：HC-05（蓝牙）、ESP8266（WiFi）。

示例场景：

手机APP控制智能家居（如蓝牙控制LED灯）

单片机上传数据到云端（通过WiFi）

优点：
✅ 无需物理连线
✅ 适合移动设备交互

缺点：
❌ 开发复杂度高（需处理网络协议栈）
❌ 受环境干扰大（如WiFi信号拥堵）

三、如何选择协议？一张表搞定

需求	推荐协议	理由
两个设备简单通信	UART	硬件简单，无需复杂配置
多个传感器数据采集	I²C	省引脚，易扩展
高速传输（如显示屏）	SPI	速度最快，实时性强
工业/汽车环境	CAN	抗干扰，可靠性最高
无线控制	蓝牙/WiFi	摆脱连线限制