CAN、I2S、I2C、SPI、SSP總線的介紹和比較

一、SPI總線
串行外圍設(shè)備接口SPI（serial peripheral interface）總線技術(shù)是Motorola公司推出的一種同步串行接口，Motorola公司生產(chǎn)的絕大多數(shù)MCU（微控制器）都配有SPI硬件接口，如68系列MCU。SPI 用于CPU與各種外圍器件進(jìn)行全雙工、同步串行通訊。SPI可以同時發(fā)出和接收串行數(shù)據(jù)。它只需四條線就可以完成MCU與各種外圍器件的通訊，這四條線是：串行時鐘線（CSK）、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線（MISO）、主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線（MOSI）、低電平有效從機(jī)選擇線CS。這些外圍器件可以是簡單的TTL移位寄存器，復(fù)雜的LCD顯示驅(qū)動器，A/D、D/A轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)或其他的MCU。當(dāng)SPI工作時，在移位寄存器中的數(shù)據(jù)逐位從輸出引腳（MOSI）輸出（高位在前），同時從輸入引腳（MISO）接收的數(shù)據(jù)逐位移到移位寄存器（高位在前）。發(fā)送一個字節(jié)后，從另一個外圍器件接收的字節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)入移位寄存器中。主SPI的時鐘信號（SCK）使傳輸同步。其典型系統(tǒng)框圖如下圖所示。

SPI主要特點有: 可以同時發(fā)出和接收串行數(shù)據(jù)；
? 可以當(dāng)作主機(jī)或從機(jī)工作；
? 提供頻率可編程時鐘；
? 發(fā)送結(jié)束中斷標(biāo)志；
? 寫沖突保護(hù)；
? 總線競爭保護(hù)等。

圖2示出SPI總線工作的四種方式，其中使用的最為廣泛的是SPI0和SPI3方式(實線表示):

SPI 模塊為了和外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，根據(jù)外設(shè)工作要求，其輸出串行同步時鐘極性和相位可以進(jìn)行配置，時鐘極性（CPOL）對傳輸協(xié)議沒有重大的影響。如果 CPOL=0，串行同步時鐘的空閑狀態(tài)為低電平；如果CPOL=1，串行同步時鐘的空閑狀態(tài)為高電平。時鐘相位（CPHA）能夠配置用于選擇兩種不同的傳輸協(xié)議之一進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。如果CPHA=0，在串行同步時鐘的第一個跳變沿（上升或下降）數(shù)據(jù)被采樣；如果CPHA=1，在串行同步時鐘的第二個跳變沿（上升或下降）數(shù)據(jù)被采樣。SPI主模塊和與之通信的外設(shè)音時鐘相位和極性應(yīng)該一致。SPI總線接口時序如圖所示。

二、CAN總線
什么是CAN總線？
CAN全稱為Controller Area Network，即控制器局域網(wǎng)，由德國Bosch 公司最先提出，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。CAN 是一種多主方式的串行通訊總線，基本設(shè)計規(guī)范要求有高的位速率、高抗電磁干擾性，而且要能夠檢測出總線的任何錯誤。當(dāng)信號傳輸距離達(dá)10Km 時CAN 仍可提供高達(dá)50Kbit/s 的數(shù)據(jù)傳輸速率。

CAN 具有十分優(yōu)越的特點：
A、較低的成本與極高的總線利用率；
B、 數(shù)據(jù)傳輸距離可長達(dá)10Km，傳輸速率可高達(dá)1Mbit/s；
C、可靠的錯誤處理和檢錯機(jī)制，發(fā)送的信息遭到破壞后可自動重發(fā)；
D、節(jié)點在錯誤嚴(yán)重的情況下具有自動退出總線的功能；
E、報文不包含源地址或目標(biāo)地址僅用標(biāo)志符來指示功能信息和優(yōu)先級信息；
由于人為、自然、其它外界環(huán)境的影響和人們對公交系統(tǒng)的安全可靠性、真實、實時性的追求，使得我們對通信方式，通信設(shè)備有了更高的要求，基于CAN總線的網(wǎng)絡(luò)則成為我們最佳的選擇
CAN總線
　
現(xiàn)場總線是當(dāng)今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點之一，被譽(yù)為自動化領(lǐng)域的計算機(jī)局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實現(xiàn)各節(jié)點之間實時、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。CAN(Controller Area Network)屬于現(xiàn)場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。較之目前許多RS-485基于R線構(gòu)建的分布式控制系統(tǒng)而言。
基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)在以下方面具有明顯的優(yōu)越性：
首先，CAN控制器工作于多主方式，網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點都可根據(jù)總線訪問優(yōu)先權(quán)(取決于報文標(biāo)識符)采用無損結(jié)構(gòu)的逐位仲裁的方式競爭向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，且CAN協(xié)議廢除了站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，這可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)，這些特點使得CAN總線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信實時性強(qiáng)，并且容易構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性。而利用RS-485只能構(gòu)成主從式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，通信方式也只能以主站輪詢的方式進(jìn)行，系統(tǒng)的實時性、可靠性較差；
其次，CAN總線通過CAN控制器接口芯片82C250的兩個輸出端CANH和CANL與物理總線相連，而CANH端的狀態(tài)只能是高電平或懸浮狀態(tài)，CANL端只能是低電平或懸浮狀態(tài)。這就保證不會出現(xiàn)象在RS-485網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)系統(tǒng)有錯誤，出現(xiàn)多節(jié)點同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時，導(dǎo)致總線呈現(xiàn)短路，從而損壞某些節(jié)點的現(xiàn)象。而且CAN節(jié)點在錯誤嚴(yán)重的情況下具有自動關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響，從而保證不會出現(xiàn)象在網(wǎng)絡(luò)中，因個別節(jié)點出現(xiàn)問題，使得總線處于“死鎖”狀態(tài)。
而且，CAN具有的完善的通信協(xié)議可由CAN控制器芯片及其接口芯片來實現(xiàn)，從而大大降低系統(tǒng)開發(fā)難度，縮短了開發(fā)周期，這些是只僅僅有電氣協(xié)議的RS-485所無法比擬的。另外，與其它現(xiàn)場總線比較而言，CAN總線是具有通信速率高、容易實現(xiàn)、且性價比高等諸多特點的一種已形成國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線。這些也是目前 CAN總線應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，具有強(qiáng)勁的市場競爭力的重要原因。
CAN (Controller Area Network)即控制器局域網(wǎng)絡(luò)，屬于工業(yè)現(xiàn)場總線的范疇。與一般的通信總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。由于其良好的性能及獨特的設(shè)計，CAN總線越來越受到人們的重視。它在汽車領(lǐng)域上的應(yīng)用是最廣泛的，世界上一些著名的汽車制造廠商，如BENZ(奔馳)、BMW(寶馬)、PORSCHE(保時捷)、ROLLS-ROYCE(勞斯萊斯)和JAGUAR(美洲豹)等都采用了CAN總線來實現(xiàn)汽車內(nèi)部控制系統(tǒng)與各檢測和執(zhí)行機(jī)構(gòu)間的數(shù)據(jù)通信。同時，由于CAN總線本身的特點，其應(yīng)用范圍目前已不再局限于汽車行業(yè)，而向自動控制、航空航天、航海、過程工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、紡織機(jī)械、農(nóng)用機(jī)械、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療器械及傳感器等領(lǐng)域發(fā)展。CAN已經(jīng)形成國際標(biāo)準(zhǔn)，并已被公認(rèn)為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。其典型的應(yīng)用協(xié)議有： SAE J1939/ISO11783、CANOpen、CANaerospace、DeviceNet、NMEA 2000等。
1 . 什么是CAN總線？
CAN意為Controller Area Network的縮寫，意為控制區(qū)域網(wǎng)絡(luò)。是國際上流行的現(xiàn)場總線中的一種。是一種特別適合于組建互連的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或子系統(tǒng)。
2．CAN總線特點？
CAN是到目前為止為數(shù)不多的有國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線
CAN通訊距離最大是10公里（設(shè)速率為5Kbps）,或最大通信速率為1Mbps(設(shè)通信距離為40米)。
CAN總線上的節(jié)點數(shù)可達(dá)110個。通信介質(zhì)可在雙絞線，同軸電纜，光纖中選擇。
CAN采用非破壞性的總線仲裁技術(shù)，當(dāng)多個節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)時，優(yōu)先級低的節(jié)點會主動退出發(fā)送，高優(yōu)先級的節(jié)點可繼續(xù)發(fā)送，節(jié)省總線仲裁時間。
CAN是多主方式工作，網(wǎng)上的任一節(jié)點均可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點發(fā)送信息。
CAN采用報文識別符識別網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點，從而把節(jié)點分成不同的優(yōu)先級，高優(yōu)先級的節(jié)點享有傳送報文的優(yōu)先權(quán)。
報文是短幀結(jié)構(gòu)，短的傳送時間使其受干擾概率低，CAN有很好的效驗機(jī)制，這些都保證了CAN通信的可靠性。
3．CAN總線應(yīng)用領(lǐng)域
CAN總線最初是德國BOSCH為汽車行業(yè)的監(jiān)測，控制而設(shè)計的?，F(xiàn)已應(yīng)用到鐵路、交通、國防、工程、工業(yè)機(jī)械、紡織、農(nóng)用機(jī)械、數(shù)控、醫(yī)療器械機(jī)器人、樓宇、安防等方面。
三、I2C(Inter－Integrated Circuit)總線
I2C(Inter－Integrated Circuit)總線是一種由PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。I2C總線產(chǎn)生于在80年代，最初為音頻和視頻設(shè)備開發(fā)，如今主要在服務(wù)器管理中使用，其中包括單個組件狀態(tài)的通信。例如管理員可對各個組件進(jìn)行查詢，以管理系統(tǒng)的配置或掌握組件的功能狀態(tài)，如電源和系統(tǒng)風(fēng)扇?？呻S時監(jiān)控內(nèi)存、硬盤、網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)溫度等多個參數(shù)，增加了系統(tǒng)的安全性，方便了管理。
1、I2C總線特點
I2C總線最主要的優(yōu)點是其簡單性和有效性。由于接口直接在組件之上，因此I2C總線占用的空間非常小，減少了電路板的空間和芯片管腳的數(shù)量，降低了互聯(lián)成本?？偩€的長度可高達(dá)25英尺，并且能夠以10Kbps的最大傳輸速率支持40個組件。I2C總線的另一個優(yōu)點是，它支持多主控(multimastering)， 其中任何能夠進(jìn)行發(fā)送和接收的設(shè)備都可以成為主總線。一個主控能夠控制信號的傳輸和時鐘頻率。當(dāng)然，在任何時間點上只能有一個主控。
2、I2C總線工作原理
2.1、總線的構(gòu)成及信號類型
I2C總線是由數(shù)據(jù)線SDA和時鐘SCL構(gòu)成的串行總線，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在CPU與被控IC之間、IC與IC之間進(jìn)行雙向傳送，最高傳送速率100kbps。各種被控制電路均并聯(lián)在這條總線上，但就像電話機(jī)一樣只有撥通各自的號碼才能工作，所以每個電路和模塊都有唯一的地址，在信息的傳輸過程中，I2C總線上并接的每一模塊電路既是主控器（或被控器），又是發(fā)送器（或接收器），這取決于它所要完成的功能。CPU發(fā)出的控制信號分為地址碼和控制量兩部分，地址碼用來選址，即接通需要控制的電路，確定控制的種類；控制量決定該調(diào)整的類別（如對比度、亮度等）及需要調(diào)整的量。這樣，各控制電路雖然掛在同一條總線上，卻彼此獨立，互不相關(guān)。
I2C總線在傳送數(shù)據(jù)過程中共有三種類型信號， 它們分別是：開始信號、結(jié)束信號和應(yīng)答信號。
開始信號：SCL為高電平時，SDA由高電平向低電平跳變，開始傳送數(shù)據(jù)。
結(jié)束信號：SCL為低電平時，SDA由低電平向高電平跳變，結(jié)束傳送數(shù)據(jù)。
應(yīng)答信號：接收數(shù)據(jù)的IC在接收到8bit數(shù)據(jù)后，向發(fā)送數(shù)據(jù)的IC發(fā)出特定的低電平脈沖，表示已收到數(shù)據(jù)。CPU向受控單元發(fā)出一個信號后，等待受控單元發(fā)出一個應(yīng)答信號，CPU接收到應(yīng)答信號后，根據(jù)實際情況作出是否繼續(xù)傳遞信號的判斷。若未收到應(yīng)答信號，由判斷為受控單元出現(xiàn)故障。
目前有很多半導(dǎo)體集成電路上都集成了I2C接口。帶有I2C接口的單片機(jī)有：CYGNAL的 C8051F0XX系列，PHILIPSP87LPC7XX系列，MICROCHIP的PIC16C6XX系列等。很多外圍器件如存儲器、監(jiān)控芯片等也提供I2C接口。
3、總線基本操作
I2C規(guī)程運用主/從雙向通訊。器件發(fā)送數(shù)據(jù)到總線上，則定義為發(fā)送器，器件接收數(shù)據(jù)則定義為接收器。主器件和從器件都可以工作于接收和發(fā)送狀態(tài)。 總線必須由主器件（通常為微控制器）控制，主器件產(chǎn)生串行時鐘（SCL）控制總線的傳輸方向，并產(chǎn)生起始和停止條件。SDA線上的數(shù)據(jù)狀態(tài)僅在SCL為低電平的期間才能改變，SCL為高電平的期間，SDA狀態(tài)的改變被用來表示起始和停止條件。
3.1、控制字節(jié)
在起始條件之后，必須是器件的控制字節(jié)，其中高四位為器件類型識別符（不同的芯片類型有不同的定義，EEPROM一般應(yīng)為1010），接著三位為片選，最后一位為讀寫位，當(dāng)為1時為讀操作，為0時為寫操作。
3.2、寫操作
寫操作分為字節(jié)寫和頁面寫兩種操作，對于頁面寫根據(jù)芯片的一次裝載的字節(jié)不同有所不同。
3.3、讀操作
讀操作有三種基本操作：當(dāng)前地址讀、隨機(jī)讀和順序讀。圖4給出的是順序讀的時序圖。應(yīng)當(dāng)注意的是：最后一個讀操作的第9個時鐘周期不是“不關(guān)心”。為了結(jié)束讀操作，主機(jī)必須在第9個周期間發(fā)出停止條件或者在第9個時鐘周期內(nèi)保持SDA為高電平、然后發(fā)出停止條件。
在I2C總線的應(yīng)用中應(yīng)注意的事項總結(jié)為以下幾點 :
1）、嚴(yán)格按照時序圖的要求進(jìn)行操作，
2）、若與口線上帶內(nèi)部上拉電阻的單片機(jī)接口連接，可以不外加上拉電阻。
3）、程序中為配合相應(yīng)的傳輸速率，在對口線操作的指令后可用NOP指令加一定的延時。
4）、為了減少意外的干擾信號將EEPROM內(nèi)的數(shù)據(jù)改寫可用外部寫保護(hù)引腳（如果有），或者在EEPROM內(nèi)部沒有用的空間寫入標(biāo)志字，每次上電時或復(fù)位時做一次檢測，判斷EEPROM是否被意外改寫。
添加：I2C 總線
在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，有為數(shù)眾多的IC 需要進(jìn)行相互之間以及與外界的通信。為了提供硬件的效率和簡化電路的設(shè)計，PHILIPS 開發(fā)了一種用于內(nèi)部IC 控制的簡單的雙向兩線串行總線I2C(inter IC 總線)。I2C 總線支持任何一種IC 制造工藝，并且PHILIPS 和其他廠商提供了種類非常豐富的I2C 兼容芯片。作為一個專利的控制總線，I2C 已經(jīng)成為世界性的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
每個I2C 器件都有一個唯一的地址，而且可以是單接收的器件（例如：LCD 驅(qū)動器）或者可以接收也可以發(fā)送的器件（例如：存儲器）。發(fā)送器或接收器可以在主模式或從模式下操作，這取決于芯片是否必須啟動數(shù)據(jù)的傳輸還是僅僅被尋址。I2C 是一個多主總線，即它可以由多個連接的器件控制。
早期的I2C 總線數(shù)據(jù)傳輸速率最高為100Kbits/s，采用7 位尋址。但是由于數(shù)據(jù)傳輸速率和應(yīng)用功能的迅速增加，I2C 總線也增強(qiáng)為快速模式（400Kbits/s）和10位尋址以滿足更高速度和更大尋址空間的需求。
I2C 總線始終和先進(jìn)技術(shù)保持同步，但仍然保持其向下兼容性。并且最近還增加了高速模式，其速度可達(dá)3.4Mbits/s。它使得I2C 總線能夠支持現(xiàn)有以及將來的高速串行傳輸應(yīng)用，例如EEPROM 和Flash 存儲器。
四、I2S總線
I2S有3個主要信號：
1、串行時鐘SCLK，也叫位時鐘（BCLK），即對應(yīng)數(shù)字音頻的每一位數(shù)據(jù)，SCLK都有1個脈沖。SCLK的頻率=2×采樣頻率×采樣位數(shù)
2、幀時鐘LRCK，用于切換左右聲道的數(shù)據(jù)。LRCK為“1”表示正在傳輸?shù)氖亲舐暤赖臄?shù)據(jù)，為“0”則表示正在傳輸?shù)氖怯衣暤赖臄?shù)據(jù)。LRCK的頻率等于采樣頻率。
3、串行數(shù)據(jù)SDATA，就是用二進(jìn)制補(bǔ)碼表示的音頻數(shù)據(jù)。I2S（Inter-IC Sound Bus）是飛利浦公司為數(shù)字音頻設(shè)備之間的音頻數(shù)據(jù)傳輸而制定的一種總線標(biāo)準(zhǔn)。在飛利浦公司的I2S標(biāo)準(zhǔn)中，既規(guī)定了硬件接口規(guī)范，也規(guī)定了數(shù)字音頻數(shù)據(jù)的格式。
I2S有3個主要信號：
1.串行時鐘SCLK，也叫位時鐘（BCLK），即對應(yīng)數(shù)字音頻的每一位數(shù)據(jù)，SCLK都有1個脈沖。SCLK的頻率=2×采樣頻率×采樣位數(shù)
2. 幀時鐘LRCK，用于切換左右聲道的數(shù)據(jù)。LRCK為“1”表示正在傳輸?shù)氖亲舐暤赖臄?shù)據(jù)，為“0”則表示正在傳輸?shù)氖怯衣暤赖臄?shù)據(jù)。LRCK的頻率等于采樣頻率。3.串行數(shù)據(jù)SDATA，就是用二進(jìn)制補(bǔ)碼表示的音頻數(shù)據(jù)。
有時為了使系統(tǒng)間能夠更好地同步，還需要另外傳輸一個信號MCLK，稱為主時鐘，也叫系統(tǒng)時鐘（Sys Clock），是采樣頻率的256倍或384倍。一個典型的I2S信號見圖3。（圖3 I2S信號）圖3

I2S格式的信號無論有多少位有效數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的最高位總是出現(xiàn)在LRCK變化（也就是一幀開始）后的第2個SCLK脈沖處。這就使得接收端與發(fā)送端的有效位數(shù)可以不同。如果接收端能處理的有效位數(shù)少于發(fā)送端，可以放棄數(shù)據(jù)幀中多余的低位數(shù)據(jù)；如果接收端能處理的有效位數(shù)多于發(fā)送端，可以自行補(bǔ)足剩余的位。這種同步機(jī)制使得數(shù)字音頻設(shè)備的互連更加方便，而且不會造成數(shù)據(jù)錯位。
隨著技術(shù)的發(fā)展，在統(tǒng)一的 I2S接口下，出現(xiàn)了多種不同的數(shù)據(jù)格式。根據(jù)SDATA數(shù)據(jù)相對于LRCK和SCLK的位置不同，分為左對齊（較少使用）、I2S格式（即飛利浦規(guī)定的格式）和右對齊（也叫日本格式、普通格式）。這些不同的格式見圖4和圖5。（圖4 幾種非I2S格式）圖4（圖5 幾種I2S格式）圖5　

為了保證數(shù)字音頻信號的正確傳輸，發(fā)送端和接收端應(yīng)該采用相同的數(shù)據(jù)格式和長度。當(dāng)然，對I2S格式來說數(shù)據(jù)長度可以不同。
五、SSP 總線
SSP 總線兼容SPI，SSI 和Microwire 總線的接口。