逼真動畫展示I2C、SPI、UART的通信過程

到目前為止，I2C、SPI 和 UART 等仍然是電子嵌入式設備中最常用的通信協議，本文，我們將剖析這三種協議，讓大家清楚、直觀的了解它們的功能、優點和局限性，并輔以 GIF 動圖展示。

I2C 協議

I2C是一種串行通信協議，通常用于連接低速設備，如傳感器、存儲器和其他外設。它使用兩根線（SCL和SDA）來實現雙向通信，具有地址定向性和主從模式。優點：

• 多設備支持：I2C支持多個設備連接到同一總線上，每個設備都有唯一的地址。
• 簡單：I2C協議相對簡單，易于實現和調試。
• 低功耗：在空閑狀態時，I2C總線上的器件可以進入低功耗模式，節省能量。

缺點：

• 速度較慢：I2C通信速度較低，適用于低速設備。
• 受限制：I2C的總線長度和設備數量受到限制，過長的總線可能導致通信問題。
• 沖突：當多個設備嘗試同時發送數據時，可能會發生沖突，需要額外的沖突檢測和處理機制。

應用案例：就其應用而言，連接方面，I2C在需要簡單且經濟的通信環境中表現出色。它尤其擅長在小型傳感器、LCD 屏幕和 RTC（實時時鐘）模塊中使用。此外，I2C 由于其在緊湊電路中的效率，在溫度控制設備、電池管理系統和 LED 控制器中很有用。但是，在需要快速或長距離數據傳輸的項目中，最好選擇其他協議。讀寫等詳細的通信過程可參考下文：老宇哥帶你玩轉 ESP32：07 I2C協議，看這一篇就夠了（點擊閱讀）

SPI 協議

SPI（串行外設接口）以其高速度而著稱，使其成為快速通信的首選。與 I2C 不同，SPI 使用四線工作：MISO（主輸入從輸出）、MOSI（主輸出從輸入）、SCK（串行時鐘）和 SS（從選擇），允許全雙工通信（發送和同時接收）。盡管簡單且速度快，但 SPI 比 I2C 需要更多的引腳，這可能是電路設計中需要考慮的一個因素。優點：

• 高速：SPI通信速度較快，適用于對速度要求較高的應用。
• 全雙工：SPI支持全雙工通信，可以同時進行數據發送和接收。

簡單：SPI的通信協議相對簡單，適用于快速開發和實現。

缺點：

• 連線復雜：SPI需要多根線進行連接，可能會增加硬件設計的復雜性。
• 長距離傳輸受限：SPI的傳輸距離受到限制，過長的線路可能導致信號衰減和干擾。
• 主從模式限制：SPI通常采用主從模式，主設備數量受限，不適用于多主設備場景。

應用案例：SPI 非常適合需要快速可靠的數據傳輸的情況，例如 TFT 顯示器、SD 存儲卡和無線通信模塊。然而，在具有許多從站的復雜系統中，其有效性會降低。

UART 協議

UART（通用異步接收器/發送器）是一種串行通信協議，因其多功能性和簡單性而被廣泛使用。與 I2C 和 SPI 不同，UART 只需要兩條線即可運行：TX（發送）和 RX（接收）。該協議允許異步通信，也就是說發送器和接收器之間無需共享時鐘。數據被組織成數據包，每個數據包包含一個起始位、5 到 9 個數據位、一個可選的奇偶校驗位和一個或兩個停止位。優點：

• 簡單：UART通信協議相對簡單，易于實現和調試。
• 適用性廣泛：UART被廣泛應用于各種設備之間的通信，具有較好的兼容性。
• 距離：UART通信距離較遠，適用于需要長距離傳輸的場景。

缺點：

• 速度較低：UART通信速度相對較低，不適用于對速度要求較高的應用。
• 雙工：UART通信是雙工的，可以進行低速雙工傳輸數據，進行數據的發送和接收。
• 不可靠：由于UART是異步通信，可能會受到噪聲和干擾的影響，導致數據傳輸不可靠。

應用案例：

• 微控制器和外設之間的連接：用于簡單直接的數據交換。
• GPS 模塊和與計算機的串行接口：用于可靠、低復雜性的通信。
• 工業機器：UART 通常用于工業設備中以實現穩定的通信。
• 使用 RS 標準（例如 RS-232、RS-485）：這些標準支持更長距離的 UART 通信，并提供使用適當的收發器創建多從屬網絡的可能性，從而增加 UART 應用的靈活性和廣度。

為我們的項目選擇合適的協議：

• 通信速度：SPI 提供高速度，UART 提供高靈活性，I2C 適用于速度要求較低接線簡單的配置。
• 電路設計：I2C 可實現多個設備的高效空間管理，SPI 可實現大型設計中的性能，而 UART 可實現簡單性和多功能性。
• 距離和通信環境：UART 在長距離上具有穩定性，而 I2C 更適合短距離。
• 雙工要求：SPI 和 UART 提供全雙工功能，而 I2C 僅限于半雙工。

結論

I2C因其簡單性和用最少的引腳管理多個從設備的能力而脫穎而出，使其成為短距離配置的理想選擇。SPI具有高速和全雙工模式，非常適合在空間不是主要問題的系統中進行快速高效的數據傳輸。UART功能強大且功能強大，在長距離通信和速度要求較低的配置中表現出色。