通讯接口入门

在智能车的硬件设计中，各种模块之间需要互相通信。比如：

• MCU 需要读取陀螺仪的角度数据
• MCU 需要通过蓝牙模块与手机通信
• 电调（电机驱动器）需要接收 MCU 的速度指令

这些通信都依赖各种通讯接口。本节将介绍嵌入式系统中最常见的三种通讯接口：UART、SPI 和 I2C。

通讯接口概述 #

同步 vs 异步 #

• 同步通信（SPI、I2C）：有一根专门的时钟线，由主设备发送时钟信号来控制数据传输节奏
• 异步通信（UART）：没有时钟线，通信双方约定好速率（波特率），各自根据内部时钟判断数据

全双工 vs 半双工 #

• 全双工（UART、SPI）：数据可以同时双向传输（像对讲机，双方能同时说话）
• 半双工（I2C、CAN）：数据同一时刻只能一个方向传输（像对讲机的 PTT 模式，一方说完另一方才能说）

UART（串口） #

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器）是最简单、最常用的通信接口。通过 USB 转 TTL 模块连接到电脑，就是我们常说的"串口调试"。

硬件连接 #

UART 使用两根信号线：

MCU_TX  ────────  模块_RX    （发送端接对方接收端）
MCU_RX  ────────  模块_TX    （接收端接对方发送端）
MCU_GND ────────  模块_GND   （共地！）

关键规则：TX（Transmit，发送）接对方 RX（Receive，接收），RX 接对方 TX。一定不能忘了接 GND！

信号电平 #

UART 接口的电平标准有多种，连接时要注意电平匹配：

将 5V 电平的信号直接接入 3.3V 的 MCU 可能会损坏芯片！如果电平不匹配，需要使用电平转换芯片（如 TXS0108E）或分压电阻。

在原理图中表示 UART #

在电路图中，UART 接口通常用排针或座子引出：

一般会标注 TX、RX、GND 等网络标签，方便识别。如果需要 3.3V 或 5V 供电（给外部模块供电），也可一并引出。

常见应用 #

• USB 转 TTL 模块：烧录 51 程序、串口调试
• 蓝牙模块（HC-05/HC-06）：无线串口透传
• GPS 模块：输出 NMEA 定位数据
• 串口屏：通过串口指令控制显示

I2C（I²C 总线） #

I2C（Inter-Integrated Circuit）是飞利浦（NXP）发明的两线制总线，特点是只需要 两根线 就能连接 多个设备。

硬件连接 #

MCU_SDA ──┬────┬────┬────  设备1_SDA
          │    │    │
MCU_SCL ──┼────┼────┼────  设备1_SCL
          │    │    │
        上拉   上拉  上拉
        电阻   电阻  电阻
          │    │    │
VCC ─────┴────┴────┴────

• SDA（Serial Data）：双向数据线
• SCL（Serial Clock）：时钟线，由主设备提供
• 上拉电阻：SDA 和 SCL 都需要上拉到 VCC，常见阻值为 4.7kΩ

I2C 的 SDA 和 SCL 线必须加上拉电阻，否则总线无法正常工作！这是初学者最容易犯的错误。

设备地址 #

I2C 总线上可以挂多个设备，每个设备有唯一的 7 位地址。MCU 通过地址来区分不同的设备：

• 同一个 I2C 总线上可以挂多个设备
• 每个设备地址必须唯一（有些设备可通过引脚配置地址）
• 通信时先发送地址，再发送数据

在原理图中表示 I2C #

I2C 接口通常用 4 引脚引出：VCC、GND、SDA、SCL，常见于传感器模块接口。

常见应用 #

• MPU6050/MPU9250：六轴/九轴陀螺仪
• OLED 显示屏：0.96 寸 128x64 小屏
• BMP280：气压传感器
• AT24Cxx：EEPROM 存储芯片

SPI #

SPI（Serial Peripheral Interface）是摩托罗拉（Motorola）发明的高速串行接口，用 4 根线 实现全双工通信。

硬件连接 #

MCU_SCLK ───────────  设备_SCLK    （时钟）
MCU_MOSI ───────────  设备_MOSI    （Master Out, Slave In）
MCU_MISO ───────────  设备_MISO    （Master In, Slave Out）
MCU_CS   ───────────  设备_CS      （片选）

• SCLK（Serial Clock）：时钟线
• MOSI（Master Out Slave In）：主设备发送数据
• MISO（Master In Slave Out）：从设备发送数据
• CS（Chip Select，也称 SS/SSEL/NSS）：片选信号，低电平有效

片选机制 #

与 I2C 用地址区分设备不同，SPI 通过**片选引脚（CS）**来区分：

• 每个 SPI 从设备需要一根独立的 CS 线
• MCU 拉低某个 CS，即可选中对应的设备进行通信
• 设备多了之后，CS 引脚消耗较多

在原理图中表示 SPI #

SPI 接口通常引出 6 引脚：VCC、GND、SCLK、MOSI、MISO、CS，有时还会多引一根中断引脚（INT）。

常见应用 #

• LCD/OLED 屏幕：高速刷屏
• W25Qxx Flash：外部程序/数据存储
• NRF24L01：2.4G 无线通信模块
• SD 卡：数据存储

接口对比与选择 #

选择建议 #

• 串口调试、简单通信、GPS/蓝牙模块 → UART
• 多个低速传感器、省钱省引脚 → I2C
• 高速传输、LCD 屏幕、Flash 存储 → SPI
• 汽车/工业环境、远距离、抗干扰 → CAN

CAN 总线简介 #

在智能车竞赛（如全国大学生智能汽车竞赛）中，一些高性能车模会用到 CAN 总线：

• 差分信号：CAN_H 和 CAN_L 是一对差分信号，抗干扰能力强
• 多主通信：总线上任意节点都可以主动发送数据
• 仲裁机制：多个节点同时发送时，优先级高的自动胜出
• 错误检测：CRC 校验、位填充等机制保证数据可靠性
• 终端电阻：CAN 总线两端需要各接一个 120Ω 终端电阻

CAN 总线在工业控制和汽车电子中广泛应用。如果你将来参与电控方向，这是一项值得深入学习的协议。

PCB 走线注意事项 #

在设计 PCB 时，通讯接口的走线需要特别注意：

1. 差分线（如 CAN、USB D+/D-）：两线等长、平行走线，阻抗匹配
2. 高速信号（如 SPI SCLK）：尽量短、远离敏感模拟信号
3. I2C 上拉电阻：放在靠近 MCU 的位置
4. 接口防护：引出到外部的接口建议加 ESD 保护二极管
5. 信号完整性：高速信号下方应有完整的 GND 参考平面

推荐阅读 #

• I2C 总线规范 (NXP)
• STM32 UART 应用笔记
• SPI 总线入门 (Analog Devices)

掌握了通讯接口的基础知识，你在设计电路时就能更好地理解各模块之间的连接方式，在绘制原理图时选择最合适的接口类型。