串口与I2C/SPI
概述
UART（串口）、I2C和SPI是嵌入式系统中最基础的三种通信协议，几乎所有机器人都会用到。它们各自适用于不同的场景：UART用于板间点对点通信，I2C用于低速多设备挂载，SPI用于高速外设读写。
UART（通用异步收发器）
基本原理
UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）是最简单的串行通信协议：
- 异步：无时钟线，收发双方约定相同波特率
- 全双工：TX和RX独立，可同时收发
- 点对点：标准UART只连接两个设备
帧格式
空闲(HIGH) ─┐ ┌─────────────────┐ ┌──┐ ┌─ 空闲(HIGH)
└──┤ D0 D1 ... D7 ├──┤P ├──┤
起始位 数据位(8bit) 校验 停止位
(LOW) (可选) (HIGH)
| 参数 | 说明 |
|---|---|
| 起始位 | 1位，固定为LOW |
| 数据位 | 通常8位（也可5/6/7/9位） |
| 校验位 | 无/奇校验/偶校验（可选） |
| 停止位 | 1位或2位，固定为HIGH |
波特率
常用波特率：
| 波特率 | 字节速率 | 典型应用 |
|---|---|---|
| 9600 | 960 B/s | GPS（NMEA） |
| 115200 | 11.5 KB/s | 调试串口、通用 |
| 256000 | 25.6 KB/s | 快速数据传输 |
| 1000000 | 100 KB/s | 总线舵机（Feetech STS） |
| 2000000 | 200 KB/s | 激光雷达 |
波特率匹配
收发两端波特率必须一致，误差不超过3-5%，否则数据乱码。晶振精度很重要。
电平标准
| 标准 | 电平 | 传输距离 | 应用 |
|---|---|---|---|
| TTL | 0V/3.3V 或 0V/5V | <1m | MCU间直连 |
| RS-232 | ±3~15V | <15m | PC串口（DB9） |
| RS-485 | 差分±1.5V | <1200m | 工业设备、Dynamixel |
RS-485详解
RS-485使用差分信号，抗干扰能力强：
A线 ───────────────────────
差分信号
B线 ───────────────────────
逻辑1: A > B (A-B > +200mV)
逻辑0: A < B (A-B < -200mV)
特点：
- 半双工（两线）或全双工（四线）
- 多点通信：一条总线上可挂载32/128/256个节点
- 传输距离长：1200m@100kbps
- 需要终端电阻（120Ω）
Arduino/ESP32 UART代码
// ESP32 双串口示例
// Serial - USB调试
// Serial1 - 连接GPS
// Serial2 - 连接激光雷达
void setup() {
Serial.begin(115200); // USB调试
Serial1.begin(9600, SERIAL_8N1, 16, 17); // GPS: RX=16, TX=17
Serial2.begin(230400, SERIAL_8N1, 18, 19); // 激光雷达: RX=18, TX=19
}
void loop() {
// 读取GPS数据
while (Serial1.available()) {
char c = Serial1.read();
if (c == '$') {
String nmea = Serial1.readStringUntil('\n');
Serial.println("GPS: " + nmea);
}
}
// 读取激光雷达数据包
if (Serial2.available() >= 47) { // 完整数据包长度
uint8_t header = Serial2.read();
if (header == 0x54) {
// 解析数据包...
}
}
}
I2C（内部集成电路总线）
基本原理
I2C（Inter-Integrated Circuit）由Philips开发，两线制同步串行总线：
- SDA（Serial Data）：数据线
- SCL（Serial Clock）：时钟线
- 开漏输出：需要外部上拉电阻
总线结构
VCC ───┬────────┬────────┬────────┐
R(4.7k) R(4.7k) │ │
│ │ │ │
SDA ───┼────────┼────────┼────────┤
SCL ───┼────────┼────────┼────────┤
│ │ │ │
[MCU] [IMU] [OLED] [EEPROM]
(Master) (0x68) (0x3C) (0x50)
地址机制
- 7位地址：理论128个设备，实际约112个可用
- 10位地址：扩展模式，很少使用
- 每个设备有固定或可配置的地址
常见设备地址：
| 设备 | 地址 |
|---|---|
| MPU6050 IMU | 0x68 / 0x69 |
| BME280气压计 | 0x76 / 0x77 |
| SSD1306 OLED | 0x3C / 0x3D |
| AS5600编码器 | 0x36 |
| PCA9685 PWM | 0x40-0x7F |
| EEPROM AT24C | 0x50-0x57 |
通信协议
起始 地址(7bit) R/W ACK 数据(8bit) ACK 数据(8bit) ACK 停止
S [A6...A0] [W] [A] [D7...D0] [A] [D7...D0] [A] P
↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓
SDA: ─┐ XXXXXXX X X XXXXXXXX X XXXXXXXX X ┌─
SCL: ─┘ ^^^^^^^^ ^ ^ ^^^^^^^^ ^ ^^^^^^^^ ^ └─
- S（Start）：SDA在SCL为高时拉低
- P（Stop）：SDA在SCL为高时拉高
- ACK：接收方拉低SDA表示确认
I2C速率模式
| 模式 | 速率 | 应用 |
|---|---|---|
| 标准模式 | 100 kHz | 一般传感器 |
| 快速模式 | 400 kHz | IMU、编码器 |
| 快速+模式 | 1 MHz | 高速外设 |
| 高速模式 | 3.4 MHz | 特殊应用 |
上拉电阻选择
\[
R_{pull-up} = \frac{V_{CC}}{I_{sink}} \approx \frac{V_{CC}}{3mA} \approx 1.1k\Omega \sim 10k\Omega
\]
- 速率越高，上拉电阻越小（充电更快）
- 典型值：100kHz用4.7kΩ，400kHz用2.2kΩ
时钟拉伸（Clock Stretching）
从设备可以通过拉低SCL来暂停通信（"请等一下，我还没准备好"）。主设备必须检测并等待SCL释放。
I2C调试技巧
使用I2C扫描程序可以检测总线上所有设备的地址，快速定位连接问题。
I2C代码示例
# MicroPython I2C 示例：读取MPU6050
from machine import I2C, Pin
import struct
i2c = I2C(0, scl=Pin(22), sda=Pin(21), freq=400000)
# 扫描总线
devices = i2c.scan()
print(f"发现设备: {[hex(d) for d in devices]}")
MPU6050_ADDR = 0x68
# 唤醒MPU6050（写PWR_MGMT_1寄存器）
i2c.writeto_mem(MPU6050_ADDR, 0x6B, bytes([0x00]))
def read_accel():
# 读取6字节加速度数据（X/Y/Z各2字节）
data = i2c.readfrom_mem(MPU6050_ADDR, 0x3B, 6)
ax, ay, az = struct.unpack('>hhh', data)
# 转换为g（±2g量程，灵敏度16384 LSB/g）
return ax/16384.0, ay/16384.0, az/16384.0
ax, ay, az = read_accel()
print(f"加速度: X={ax:.2f}g, Y={ay:.2f}g, Z={az:.2f}g")
SPI（串行外设接口）
基本原理
SPI（Serial Peripheral Interface）由Motorola开发，高速同步全双工通信：
- SCK：时钟（主设备产生）
- MOSI：主出从入（Master Out Slave In）
- MISO：主入从出（Master In Slave Out）
- CS/SS：片选（每个从设备一根，低有效）
总线结构
SCK ──→ ┌──────┐ ┌──────┐ ┌──────┐
MOSI ──→ │Slave1│ │Slave2│ │Slave3│
MISO ←── │(IMU) │ │(Flash)│ │(显示) │
CS1 ──→ └──────┘ └──────┘ └──────┘
CS2 ──────────────→ ↑
CS3 ──────────────────────→ ↑
SPI模式
SPI有4种时钟模式，由CPOL和CPHA决定：
| 模式 | CPOL | CPHA | 说明 |
|---|---|---|---|
| Mode 0 | 0 | 0 | 空闲低电平，上升沿采样 |
| Mode 1 | 0 | 1 | 空闲低电平，下降沿采样 |
| Mode 2 | 1 | 0 | 空闲高电平，下降沿采样 |
| Mode 3 | 1 | 1 | 空闲高电平，上升沿采样 |
最常用模式
Mode 0和Mode 3最常用。查看外设数据手册确定正确模式。
SPI特点
| 特性 | 值 |
|---|---|
| 速率 | 通常1-50MHz，最高可达100MHz+ |
| 全双工 | 是（MOSI和MISO同时传输） |
| 主从 | 一个主设备，多个从设备 |
| 地址 | 无地址机制，靠CS片选 |
| 开销 | 无起始/停止/应答位 |
SPI代码示例
// Arduino SPI 读取ICM-42688 IMU
#include <SPI.h>
#define IMU_CS 10
#define SPI_SPEED 8000000 // 8MHz
void setup() {
Serial.begin(115200);
SPI.begin();
pinMode(IMU_CS, OUTPUT);
digitalWrite(IMU_CS, HIGH);
// 读取WHO_AM_I寄存器验证连接
uint8_t whoami = spiRead(0x75);
Serial.print("WHO_AM_I: 0x");
Serial.println(whoami, HEX); // 应返回0x47
}
uint8_t spiRead(uint8_t reg) {
uint8_t val;
digitalWrite(IMU_CS, LOW);
SPI.beginTransaction(SPISettings(SPI_SPEED, MSBFIRST, SPI_MODE0));
SPI.transfer(reg | 0x80); // 最高位=1表示读
val = SPI.transfer(0x00); // 发送dummy byte，接收数据
SPI.endTransaction();
digitalWrite(IMU_CS, HIGH);
return val;
}
void spiWrite(uint8_t reg, uint8_t data) {
digitalWrite(IMU_CS, LOW);
SPI.beginTransaction(SPISettings(SPI_SPEED, MSBFIRST, SPI_MODE0));
SPI.transfer(reg & 0x7F); // 最高位=0表示写
SPI.transfer(data);
SPI.endTransaction();
digitalWrite(IMU_CS, HIGH);
}
三种协议对比
| 特性 | UART | I2C | SPI |
|---|---|---|---|
| 线数 | 2 (TX/RX) | 2 (SDA/SCL) | 4+ (SCK/MOSI/MISO/CS) |
| 时钟 | 无（异步） | 有（同步） | 有（同步） |
| 速率 | <2Mbps | <3.4MHz | <100MHz |
| 双工 | 全双工 | 半双工 | 全双工 |
| 设备数 | 2（点对点） | 128（7位地址） | 受CS引脚限制 |
| 距离 | 中（可转RS-485延长） | 短（<1m） | 短（<1m） |
| 复杂度 | 低 | 中 | 低 |
| 功耗 | 低 | 低（上拉电阻） | 中 |
机器人中的典型分配
| 外设 | 推荐总线 | 原因 |
|---|---|---|
| IMU（MPU6050/ICM42688） | I2C / SPI | I2C简单，SPI更快 |
| 磁编码器（AS5600） | I2C | 低速足够 |
| OLED显示屏 | I2C / SPI | I2C省线，SPI刷新快 |
| GPS模块 | UART | NMEA协议基于串口 |
| 总线舵机 | UART (TTL/RS-485) | 标准接口 |
| 激光雷达 | UART / USB | 数据量大用USB |
| Flash存储 | SPI | 高速读写 |
| ADC（模数转换） | SPI | 高速采样 |
| 气压计/温湿度 | I2C | 低速传感器 |
小结
- UART是最简单的异步通信，适合板间点对点连接
- I2C两线制多设备挂载，适合低速传感器和显示屏
- SPI高速全双工，适合IMU、Flash等需要快速数据传输的外设
- RS-485是UART的工业级延伸，差分信号抗干扰、传输远
- 实际机器人项目中三种协议通常并存，各司其职