嵌入式通信分类及基础概念介绍

前言在嵌入式系统中数据通信是连接各个功能模块的桥梁也是整个系统正常运行的重要基础。无论是单片机与传感器之间的数据采集还是控制器与上位机、PLC、触摸屏、通信模块之间的信息交互都离不开各种通信技术。例如MCU 与温湿度传感器之间通常采用I²C通信MCU 与 Flash、LCD 等高速外设之间通常采用SPI通信MCU 与上位机、调试工具之间通常采用UART/USART通信工业自动化设备之间广泛采用RS485 Modbus通信汽车电子领域大量使用CAN/CAN FD总线高速数据传输场景则常采用USB、以太网Ethernet等通信方式。不同的通信方式在传输距离、通信速率、实时性、可靠性、硬件成本等方面各有特点因此根据应用场景的不同嵌入式系统中形成了丰富的通信协议体系。一、通信分类1.1 串行/并行通信按数据通信方式分类串行通信、并行通信。1.1.1 串行通信Serial串行通信是指数据按照位Bit依次发送一次只传输一个比特。优点硬件连接简单、占用 IO 少、成本低、抗干扰能力较强、适合远距离通信。缺点数据逐位发送相比并行通信速度较低在相同时钟条件下。目前绝大多数嵌入式通信协议都属于串行通信例如UART/USART、SPI、I²C、CAN、RS485、USB、Ethernet等。串口通信1.1.2并行通信Parallel并行通信是指多个数据位同时传输。优点传输速度快、延迟低。缺点占用大量 IO、PCB 布线复杂、成本较高、长距离通信容易出现时序偏差Skew。因此并行通信通常用于MCU 与 SRAM、MCU 与 LCD、FPGA 内部总线、CPU 与存储器等场景。现代通信系统中大多数长距离通信已经逐渐采用高速串行总线取代传统并行总线。并行通信1.2 单工/半双工/全双工通信按数据传输方向分类单工通信、半双工通信、全双工通信单工通信数据只能沿一个方向传输如校园广播、无线电视、GPS 定位接收。半双工通信数据可以沿两个方向传输但需要分时进行如对讲机、RS485 总线。全双工通信数据可以同时进行双向传输 如打电话。注意全双工和半双工通信的区别半双工通信是共用一条线路实现双向通信而全双工是利用两条线路一条用于发送数据另一条用于接收数据。 半双工和全双工的关键区别是是否能够在同一时刻实现双向数据传输。1.3 同步/异步通信按数据同步方式分类同步通信、异步通信同步通信共用同一时钟信号发送端每发送一位数据接收端都会依据时钟信号在准确的时刻采样数据。常见协议SPI、I²C、I²S。特点通信效率高、速度快、不需要起始位和停止位、需要额外的时钟线。异步通信没有独立的时钟信号。发送端和接收端需要事先约定相同的波特率并利用起始位、数据位、校验位和停止位完成同步。常见协议UART、Modbus-RTU、CAN、LIN、RS232、USB。特点接线简单、不需要时钟线、通信效率略低、应用十分广泛。二、通信基础概念2.1数据Data定义承载、运载信息的载体实体是客观原始符号本身无含义只有经过解读才产生价值。实例传感器传回二进制00011010、寄存器数值26、Modbus 读取的寄存器原始值这些都只是数据单独看不知道代表温度、电压还是转速。2.2 信息Information定义对数据进行解读、加工后得到的有效内容是人 / 设备能理解的含义是数据表达的核心内容。实例原始数据00011010换算后等于 26℃“当前环境温度 26 摄氏度”这一段可读内容就是信息。 同一组数据场景不同信息完全不同数值 26 可以是温度、电机转速、电压。2.3 信号Signal定义数据在物理传输线路上的物理载体一般是电信号电压、电流无线场景为电磁波是数据物理层面的编码形式。通信系统实际上并不是在传输数据而是在传输信号。实例UART 通信二进制 1 对应 3.3V 高电平0 对应 0V 低电平高低电平变化就是电信号4-20mA 模拟采集电流大小随压力变化电流波形就是模拟信号CAN 总线差分电压、I2C 高低电平全部属于信号。2.4 模拟信号Analog Signal定义连续变化的物理量信号幅值、时间全程连续取值有无穷多个。特点平滑连续波形、易受干扰、无离散阶梯嵌入式场景温湿度探头、压力变送器输出 4-20mA、0-10V 电压信号麦克风采集声音空气振动转变为连续变化的电压。缺点长距离传输易衰减、噪声叠加必须 ADC 转换成数字信号给 MCU 处理。2.5 数字信号Digital Signal定义离散型信号只有有限固定电平状态仅在特定时间点跳变嵌入式基本只有两种状态高电平 / 低电平逻辑 1 / 逻辑 0。特点阶梯式跳变、抗干扰更强、便于单片机识别嵌入式场景UART、SPI、I2C、RS485、CAN 总线全部是数字信号转换MCU 内部 ADC 把模拟信号转为数字信号DAC 把数字信号还原模拟信号。2.6 基带Base band定义不做频率调制原始数字信号直接在线路上传输信号占用完整原始频带。特征信号不搬移频率仅用高低电平直接传输实例UART10100110直接变成5V、0V、5V、5V、... 没有经过任何调制就是基带传输。嵌入式典型UART、SPI、I2C、RS485、CAN 总线全部为基带通信优缺点电路简单、成本低传输距离受限不适合长距离有线 / 无线。2.7 宽带Broad band定义将多路基带信号调制到不同高频载波上同一根信道同时传输多路信号频带被分割复用。特征需要调制解调多路数据并行传输典型场景以太网、WiFi、有线电视、蓝牙、5G、工业无线通信优缺点传输距离远、可多路并发硬件需要调制芯片成本更高。2.8 信道Channel定义用于传输信号、承载信息的物理通路是发送端与接收端之间完整传输介质。分类有线信道PCB 走线、杜邦线、双绞线 RS485、CAN 总线、网线、同轴电缆无线信道空气蓝牙、WiFi、LoRa、4G 无线模块评价一个信道通常关注以下几个指标带宽单位时间内可传输的数据能力。衰减信号在传输过程中逐渐减弱的程度。噪声外界干扰引起的信号失真。时延信号从发送端到接收端所需的时间。误码率BER接收到的数据发生错误的概率。优质的信道通常具有带宽高、衰减小、噪声低、时延短、误码率低等特点。2.9 同步脉冲Synchronization Pulse定义专门用于码元同步定时的脉冲信号作用是标记每个码元的采样时刻让收发两端对齐数据准确识别每一位二进制码元。两种常见布局形式脉冲位于码元起始位置收到同步脉冲代表一个全新码元开始接收端立刻准备采样脉冲位于码元中间在码元中点触发采样避开电平跳变沿降低采样误码典型应用SPI、I2C 同步通信SCL 时钟线输出的脉冲就是标准同步脉冲每一个脉冲对应 1bit 数据高速以太网、DDR 内存专用同步时钟脉冲保证高速数据对齐2.10 码元Symbol码元是信号被调制后的概念每个码元都可以表示一定 bit 的数据信息量。举个例子在 TTL 电平标准的通信中用 0V 表示逻辑 05V 表示逻辑 1这时候这个码元就可以表示两种状态即M2。如果电平信号 0V、2V、4V 和 6V 分别表示二进制数 00、01、10、11这时候每一个码元就可以表示四种状态即M4。2.11 比特率Bit Rate与波特率Baud Rate比特率每秒钟传送的比特数单位bit/s。波特率每秒钟传送的码元数单位Baud。比特率 波特率 * log2 MM为每个码元可表示的状态数。在嵌入式开发中UART、SPI、I²C、CAN、RS485 等协议大多采用二电平编码M2因此一个码元对应一个比特比特率与波特率在数值上通常相等。而在高速通信系统如光纤通信、4G/5G、WiFi、以太网等中通常采用多电平调制技术一个码元可以携带多个比特因此比特率往往大于波特率。举个例子波特率为 100 Baud即每秒传输 100 个码元如果码元采用十六进制编码即M16代入上述式子那么这时候的比特率就是 400 bit/s。如果码元采用二进制编码即 M2代入上述式子那么这时候的比特率就是 100 bit/s。关注《新储智汇》一起用通俗易懂的方式聊透储能系统、电力电子控制与新能源技术。