良许Linux教程网 干货合集 对比I²C、SPI、UART通信的优缺点

对比I²C、SPI、UART通信的优缺点

尽管USB、CAN、以及网络等通信方式已经在现代电子设备中得到广泛应用,但在嵌入式系统中,I2C、SPI和UART仍然是最常用的通信协议之一。在本文中,我们将深入剖析这三种通信协议,以便读者能够清晰、直观地了解它们的功能、优势以及局限性,并且我们还会通过GIF动图的形式进行展示,使得这些概念更加生动形象。

I2C 协议

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。
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缺点:

  • 速度较慢:I2C通信速度较低,适用于低速设备。
  • 受限制:I2C的总线长度和设备数量受到限制,过长的总线可能导致通信问题。
  • 冲突:当多个设备尝试同时发送数据时,可能会发生冲突,需要额外的冲突检测和处理机制。

应用案例:

就其应用而言,连接方面,I2C在需要简单且经济的通信环境中表现出色。它尤其擅长在小型传感器、LCD 屏幕和 RTC(实时时钟)模块中使用。此外,I2C 由于其在紧凑电路中的效率,在温度控制设备、电池管理系统和 LED 控制器中很有用。但是,在需要快速或长距离数据传输的项目中,最好选择其他协议。

读写等详细的通信过程可参考下文:

通信教程 | I²C基础原理及通信协议(点击阅读)

SPI 协议

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。
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缺点:

  • 连线复杂:SPI需要多根线进行连接,可能会增加硬件设计的复杂性。
  • 长距离传输受限:SPI的传输距离受到限制,过长的线路可能导致信号衰减和干扰。
  • 主从模式限制:SPI通常采用主从模式,主设备数量受限,不适用于多主设备场景。

应用案例:

SPI 非常适合需要快速可靠的数据传输的情况,例如 TFT 显示器、SD 存储卡和无线通信模块。然而,在具有许多从站的复杂系统中,其有效性会降低。

UART 协议

UART(通用异步接收器/发送器)是一种串行通信协议,因其多功能性和简单性而被广泛使用。与 I2C 和 SPI 不同,UART 只需要两条线即可运行:TX(发送)和 RX(接收)。该协议允许异步通信,也就是说发送器和接收器之间无需共享时钟。数据被组织成数据包,每个数据包包含一个起始位、5 到 9 个数据位、一个可选的奇偶校验位和一个或两个停止位。

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优点:

  • 简单:UART通信协议相对简单,易于实现和调试
  • 适用性广泛:UART被广泛应用于各种设备之间的通信,具有较好的兼容性。
  • 距离:UART通信距离较远,适用于需要长距离传输的场景。

缺点:

  • 速度较低:UART通信速度相对较低,不适用于对速度要求较高的应用。
  • 485单工:串口485通信是单工的,只能单向传输数据,无法同时进行数据发送和接收。
  • 不可靠:由于UART是异步通信,可能会受到噪声和干扰的影响,导致数据传输不可靠。

应用案例:

  • 微控制器和外设之间的连接:用于简单直接的数据交换。
  • GPS 模块和与计算机的串行接口:用于可靠、低复杂性的通信。
  • 工业机器:UART 通常用于工业设备中以实现稳定的通信。
  • 使用 RS 标准(例如 RS-232、RS-485):这些标准支持更长距离的 UART 通信,并提供使用适当的收发器创建多从属网络的可能性,从而增加 UART 应用的灵活性和广度。

为我们的项目选择合适的协议:

  • 通信速度:SPI 提供高速度,UART 提供高灵活性,I2C 适用于速度要求较低接线简单的配置。
  • 电路设计:I2C 可实现多个设备的高效空间管理,SPI 可实现大型设计中的性能,而 UART 可实现简单性和多功能性。
  • 距离和通信环境:UART 在长距离上具有稳定性,而 I2C 更适合短距离。
  • 双工要求:SPI 和 UART 提供全双工功能,而 I2C 仅限于半双工。

结论

I2C因其简单性和用最少的引脚管理多个从设备的能力而脱颖而出,使其成为短距离配置的理想选择。

SPI具有高速和全双工模式,非常适合在空间不是主要问题的系统中进行快速高效的数据传输。

UART功能强大且功能强大,在长距离通信和速度要求较低的配置中表现出色。

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良许

作者: 良许

良许,世界500强企业Linux开发工程师,公众号【良许Linux】的作者,全网拥有超30W粉丝。个人标签:创业者,CSDN学院讲师,副业达人,流量玩家,摄影爱好者。
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