串行通信詳解：UART和SPI深度探討(Traditional Chinese)

在電子和嵌入式系統領域，設備之間相互通信的能力至關重要。 串行通信提供了一種可靠且高效的方法，用於在微控制器、傳感器、外圍設備甚至計算機之間傳輸數據。 兩種最常見的串行通信協議是UART（通用異步接收器/發送器）和SPI（串行外圍接口）。 本綜合指南將深入探討UART和SPI的複雜性，探索它們的原理、差異、應用、優點和缺點。

了解串行通信(Traditional Chinese)

串行通信是一種一次通過單根線（或幾根線用於控制信號）傳輸一位數據的方法，而不是並行通信，後者同時通過多根線發送多個位。 雖然並行通信對於短距離來說更快，但串行通信通常更適用於長距離以及最大限度地減少線數至關重要的情況。 這使其非常適合嵌入式系統，在嵌入式系統中，空間和成本通常是重要的約束因素。

異步與同步通信(Traditional Chinese)

串行通信可以大致分為兩類：異步和同步。 異步通信（如UART）不需要發送方和接收方之間共享時鐘信號。 相反，它依賴於起始位和停止位來構建每個數據字節的框架。 同步通信（如SPI和I2C）使用共享時鐘信號來同步設備之間的數據傳輸。

UART：通用異步接收器/發送器(Traditional Chinese)

UART是一種廣泛使用的串行通信協議，主要是因為它的簡單性和靈活性。 它是一種異步協議，意味著發送方和接收方不共享公共時鐘信號。 這簡化了硬件要求，但需要精確的時序和預先約定的數據速率（波特率）。

UART原理(Traditional Chinese)

UART通信涉及以幀傳輸數據，每幀包含以下內容：

• 起始位：指示新數據幀的開始。 它通常是低電平（0）信號。
• 數據位：實際傳輸的數據，通常為8位（一個字節），但也可能是5、6或7位。
• 奇偶校驗位（可選）：用於錯誤檢測。 它可以是偶數、奇數或無。
• 停止位：指示數據幀的結束。 它通常是高電平（1）信號。 一個或兩個停止位很常見。

發送方和接收方必須就波特率、數據位、奇偶校驗位和停止位達成一致，才能成功通信。 常見的波特率包括9600、115200等。 較高的波特率允許更快的數據傳輸，但也增加了對定時誤差的敏感性。

UART應用(Traditional Chinese)

• 將微控制器連接到計算機：UART通常用於在微控制器（如Arduino或Raspberry Pi）和計算機之間建立串行連接，用於編程、調試和數據記錄。
• GPS模塊：許多GPS模塊使用UART將位置數據傳輸到主機微控制器或計算機。
• 藍牙模塊：藍牙模塊通常使用UART作為與微控制器的通信接口。
• 串行打印機：較舊的串行打印機使用UART接收打印命令和數據。
• 控制台輸出：嵌入式系統通常使用UART將調試信息和狀態消息輸出到串行控制台。

UART優點(Traditional Chinese)

• 簡單性：UART在硬件和軟件中都相對容易實現。
• 靈活性：UART支持各種數據速率、數據位長度和奇偶校驗選項。
• 廣泛支持：UART是一種廣泛支持的標準，具有現成的硬件和軟件實現。
• 無需時鐘信號：這減少了所需的電線數量。

UART缺點(Traditional Chinese)

• 速度較低：與SPI等同步協議相比，UART通常具有較低的數據傳輸速率。
• 容易出錯：在沒有可靠的時鐘信號的情況下，UART更容易受到定時誤差和數據損壞的影響。 雖然奇偶校驗位可以提供幫助，但它不能保證無差錯通信。
• 僅限兩個設備：UART主要設計用於兩個設備之間的點對點通信。 多路復用允許單個UART總線上有多個設備，但這會增加複雜性。

UART示例：Arduino和串行監視器(Traditional Chinese)

UART在行動中的一個常見示例是使用Arduino IDE中的串行監視器。 Arduino板具有內置的UART接口，允許它通過USB與計算機通信。 以下Arduino代碼片段演示了將數據發送到串行監視器：

void setup() {
  Serial.begin(9600); // Initialize serial communication at 9600 baud
}

void loop() {
  Serial.println("Hello, world!"); // Send the message "Hello, world!" to the Serial Monitor
  delay(1000); // Wait for 1 second
}

這段簡單的代碼每秒將消息“Hello, world!”發送到串行監視器。 Serial.begin(9600) 函數以9600的波特率初始化UART接口，該波特率必須與串行監視器中的設置相匹配。

SPI：串行外圍接口(Traditional Chinese)

SPI（串行外圍接口）是一種同步串行通信協議，通常用於微控制器和外圍設備之間的短距離通信。 它以其高速和相對簡單的硬件要求而聞名。

SPI原理(Traditional Chinese)

SPI使用主從架構，其中一個設備（主設備）控制通信，一個或多個設備（從設備）響應主設備的命令。 SPI總線由四個主要信號組成：

• MOSI（主設備輸出，從設備輸入）：從主設備傳輸到從設備的數據。
• MISO（主設備輸入，從設備輸出）：從從設備傳輸到主設備的數據。
• SCK（串行時鐘）：主設備生成的時鐘信號，用於同步數據傳輸。
• SS/CS（從設備選擇/芯片選擇）：主設備用於選擇要與之通信的特定從設備的信號。 每個從設備通常都有自己的專用SS/CS線。

數據以同步方式隨時鐘信號傳輸。 主設備通過將所需從設備的SS/CS線拉低來啟動通信。 然後，數據在SCK信號的上升沿或下降沿從MOSI線上的主設備移出，並移入從設備。 同時，數據從MISO線上的從設備移出，並移入主設備。 這允許全雙工通信，意味著數據可以同時在兩個方向上傳輸。

SPI模式(Traditional Chinese)

SPI有四種操作模式，由兩個參數確定：時鐘極性 (CPOL) 和時鐘相位 (CPHA)。 這些參數定義了SCK信號在空閒時的狀態以及採樣和移位數據的SCK信號的邊沿。

• 模式 0 (CPOL=0, CPHA=0)：SCK 在空閒時為低電平。 在上升沿採樣數據，在下降沿移位數據。
• 模式 1 (CPOL=0, CPHA=1)：SCK 在空閒時為低電平。 在下降沿採樣數據，在上升沿移位數據。
• 模式 2 (CPOL=1, CPHA=0)：SCK 在空閒時為高電平。 在下降沿採樣數據，在上升沿移位數據。
• 模式 3 (CPOL=1, CPHA=1)：SCK 在空閒時為高電平。 在上升沿採樣數據，在下降沿移位數據。

必須將主設備和從設備配置為使用相同的SPI模式才能成功通信。 如果它們不相同，將導致數據混亂或通信失敗。

SPI應用(Traditional Chinese)

• 存儲卡（SD卡、microSD卡）：SPI通常用於與嵌入式系統中的存儲卡連接。
• 傳感器：許多傳感器（如加速度計、陀螺儀和溫度傳感器）使用SPI進行數據傳輸。
• 顯示器：SPI通常用於控制LCD和OLED顯示器。
• 模數轉換器 (ADC) 和數模轉換器 (DAC)：SPI用於與ADC和DAC通信，以進行數據採集和控制應用。
• 移位寄存器：SPI可用於控制移位寄存器，以擴展微控制器上可用的數字I/O引腳的數量。

SPI優點(Traditional Chinese)

• 高速：與UART相比，SPI提供更高的數據傳輸速率。
• 全雙工通信：數據可以同時在兩個方向上傳輸。
• 多個從設備：單個主設備可以與多個從設備通信。
• 相對簡單的硬件：SPI只需要四根電線（每個從設備外加一根SS/CS線）。

SPI缺點(Traditional Chinese)

• 沒有尋址方案：SPI依賴於SS/CS線來選擇從設備，這在從設備數量較多時可能會變得繁瑣。
• 短距離：由於較高速度下的信號衰減，SPI通常僅限於短距離。
• 沒有錯誤檢測：SPI沒有內置的錯誤檢測機制。 必須在軟件中實現錯誤檢查。
• 更複雜的軟件實現：雖然硬件相對簡單，但軟件實現可能比UART更複雜，尤其是在處理多個從設備和不同的SPI模式時。

SPI示例：與加速度計接口(Traditional Chinese)

許多加速度計（如流行的ADXL345）使用SPI進行通信。 為了從ADXL345讀取加速度數據，微控制器（充當主設備）需要向加速度計（充當從設備）發送命令以讀取相應的寄存器。 以下偽代碼說明了該過程：

1. 通過將其SS/CS線拉低來選擇ADXL345。
2. 發送要讀取的寄存器地址（例如，X軸加速度數據的地址）。
3. 從MISO線讀取數據（X軸加速度值）。
4. 對Y軸和Z軸重複步驟2和3。
5. 通過將其SS/CS線拉高來取消選擇ADXL345。

具體命令和寄存器地址將因加速度計型號而異。 應始終查看數據表以獲取準確的步驟。

UART vs. SPI：比較(Traditional Chinese)

下表總結了UART和SPI之間的關鍵差異：

特性(Traditional Chinese)	UART	SPI
通信類型(Traditional Chinese)	異步(Traditional Chinese)	同步(Traditional Chinese)
時鐘信號(Traditional Chinese)	無(Traditional Chinese)	共享時鐘(Traditional Chinese)
電線數量(Traditional Chinese)	2 (TX, RX)	4 (MOSI, MISO, SCK, SS/CS) + 每個從設備 1 個 SS/CS
數據速率(Traditional Chinese)	較低(Traditional Chinese)	較高(Traditional Chinese)
全雙工(Traditional Chinese)	通常為半雙工（但有時可以使用複雜的軟件模擬全雙工）	全雙工(Traditional Chinese)
錯誤檢測(Traditional Chinese)	奇偶校驗位（可選）	無（需要軟件實現）
設備數量(Traditional Chinese)	2（點對點）	多個（主從）
複雜性(Traditional Chinese)	更簡單(Traditional Chinese)	更複雜(Traditional Chinese)
距離(Traditional Chinese)	更長(Traditional Chinese)	更短(Traditional Chinese)

選擇正確的協議(Traditional Chinese)

UART和SPI之間的選擇取決於具體的應用要求。 考慮以下因素：

• 數據速率：如果需要高速數據傳輸，SPI通常是更好的選擇。
• 距離：對於更長的距離，UART更合適。
• 設備數量：如果多個設備需要與單個主設備通信，則首選SPI。
• 複雜性：如果簡單性是首要任務，則UART更容易實現。
• 錯誤檢測：如果錯誤檢測至關重要，請考慮將UART與奇偶校驗位一起使用，或者為SPI在軟件中實現錯誤檢查。
• 可用硬件：某些微控制器可能對一種或另一種協議的支持有限。 做出決定時，請考慮可用的硬件資源。

例如，在一個簡單的傳感器應用程序中，微控制器需要在短距離內從單個傳感器讀取數據，SPI可能是更好的選擇，因為它的速度更快。 但是，如果微控制器需要與計算機在更長的距離上通信以進行調試，則UART將更合適。

高級注意事項(Traditional Chinese)

I2C（內部集成電路）(Traditional Chinese)

雖然本文重點介紹UART和SPI，但重要的是要提及I2C（內部集成電路）作為另一種常見的串行通信協議。 I2C是一種雙線協議，支持同一總線上的多個主設備和從設備。 它通常用於電路板上集成電路之間的通信。 與SPI不同，I2C使用尋址，簡化了大型設備網絡。

TTL vs. RS-232(Traditional Chinese)

使用UART時，重要的是要了解TTL（晶體管-晶體管邏輯）和RS-232電壓電平之間的區別。 TTL邏輯使用0V和5V（或3.3V）分別表示邏輯低電平和高電平。 另一方面，RS-232使用±12V的電壓。 將TTL UART直接連接到RS-232 UART可能會損壞設備。 需要一個電平轉換器（如MAX232芯片）來在TTL和RS-232電壓電平之間進行轉換。

處理錯誤(Traditional Chinese)

由於UART和SPI的錯誤檢測機制有限，因此在軟件中實現錯誤處理非常重要。 常見的技術包括校驗和、循環冗餘校驗 (CRC) 和超時機制。

結論(Traditional Chinese)

UART和SPI是嵌入式系統及其他領域必不可少的串行通信協議。 UART提供簡單性和靈活性，使其適合將微控制器連接到計算機和更長距離的其他設備。 SPI為短距離應用提供高速通信，例如與傳感器、存儲卡和顯示器連接。 了解每種協議的原理、優點和缺點，可以讓您在設計下一個嵌入式系統或電子項目時做出明智的決定。 隨著技術的進步，這些串行通信方法的應用也將隨之進步。 不斷的適應和學習將確保工程師和業餘愛好者都能充分利用這些協議。