通信协议总结

news2024/9/20 9:01:40

IIC

基本特点

同步，半双工
标准100KHz，最高400KHz（IIC主要应用于低速设备）

硬件组成

需外接上拉电阻

通信过程

空闲状态

SDA和SCL都处于高电平

开始信号S和终止信号P

请添加图片描述

在数据传输过程中，当SCL=0时，SDA才可以跳变；当SCL=1时，SDA必须保持稳定，一旦有电平跳变就代表是起始信号或终止信号。

  • 起始信号S：SCL=1时，SDA由1->0
  • 终止信号P：SCL=1时，SDA由0->1
数据有效性

在这里插入图片描述

在数据传输过程中，当SCL=0时，SDA才可以跳变；当SCL=1时，SDA必须保持稳定，一旦有电平跳变就代表是起始信号或终止信号。

在SCL=1时，SDA数据线稳定，数据有效。

应答信号

每当主机向从机发送完一个字节的数据，主机总是需要等待从机给出一个应答信号，以确认从机是否成功接收到了数据

主机将SCL拉高，读取SDA电平：

  • SDA=0，表示有效应答位（ACK），表示从机已成功接收该字节
  • SDA=1，表示非应答位（NACK），表示从机接收该字节失败

每次传输时，接收方都要返回一个ACK给发送方，才能继续数据通信

IIC写数据

请添加图片描述

1.主机发送设备地址（前7位为设备地址，第8位代表W）；
2.各从机比对自己的地址，匹配则发送ACK；
3.主机收到ACK，继续发送要访问的寄存器地址；
4.从机成功接收，发送ACK；
5.主机发送DATA。

写AT24C02时序：
在这里插入图片描述

IIC读数据

请添加图片描述

1.主机发送设备地址（前7位为设备地址，第8位代表W）；
2.各从机比对自己的地址，匹配则发送ACK；
3.主机收到ACK，继续发送要访问的寄存器地址；
4.从机成功接收，发送ACK；
5.主机重新发送一个S信号，发送设备地址（第8位为R）
6.从机成功接收，发送ACK；
7.从机紧接着返回对应地址寄存器数据，直到主机不在返回ACK。

读AT24C02时序：
在这里插入图片描述

SPI

基本特点

同步、全双工
最高50MKHz

硬件组成

需外接上拉电阻

通信过程

包括主机和从机（可实现一主多从）
主机和从机构成一个环形结构，通过移位寄存器实现串行传输，这就意味着：

  • 写数据：必定会接收到从机的数据，丢弃即可
  • 读数据：必定需要向从机发送无用数据，才能读到需要的数据
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
一主多从

  • 多NSS
    在这里插入图片描述

  • 菊花链
    在这里插入图片描述
    数据流向：
    在这里插入图片描述
    所以不难发现，菊花链模式充分使用了SPI其移位寄存器的功能，整个链充当通信移位寄存器，每个从机在下一个时钟周期将输入数据复制到输出。

ISOSPI

在这里插入图片描述

CAN

基本特点

异步、半双工、差分
ISO11898是针对通信速率为125Kbps~1Mbps的高速通信标准（闭环，需要添加终端电阻120Ω，用于阻抗匹配，减少回波反射）
IS011519-2是针对通信速率为125Kbps以下的低速通信标准（开环）

硬件组成

CAN控制器、CAN收发器、终端电阻
在这里插入图片描述

电平标准

隐性电平：逻辑1（CAN_RX/TX=3.3v） 电压差=0V（CAN_H=2v,CAN_L=2v）
显性电平：逻辑0（CAN_RX/TX=0v） 电压差=2V（CAN_H=3.5v,CAN_L=1.5v）

通信过程

  1. 空闲状态
    当总线上的上出现连续的11位隐性电平，那么总线就处于空闲状态。

  2. 数据传输
    每次发送数据前，节点都会监听总线的状态，如果总线状态为空闲时，它就会立即向总线上发送自己的数据，这个数据里不仅有数据，还有本身的ID信息或者其他的控制指令，应称为数据包(数据帧)，也叫做报文。

  3. 仲裁机制（利用线与和回读机制）

    以上只是节点1主动发送数据，但是万一节点1和节点2同时向节点3发送数据的时候，如何判定先后呢？采用非破坏性位仲裁机制，即对各个消息的标识符（即ID号）进行逐位仲裁（比较），如果某个节点发送的消息仲裁获胜，那么这个节点将获取总线的发送权，仲裁失败的节点则立即停止发送并转变为监听（接收）状态。

    因为显性电平会覆盖隐性电平，两个节点同时发送报文时，0会将1覆盖（线与），而每个节点在发送完之后都会进行回读操作：如果自己发的1，都回来的却是0，那仲裁失败，进入空闲状态；自己发的和回读的一样则获得总线控制权。（ ID：000000 00010 比 000000 00011 的优先级要高）

在这里插入图片描述

  1. 位时序
    can的数据帧中没有用于同步的标志，它的同步是靠位时序实现的。
    在这里插入图片描述
    CAN将一位又分为4段， 同步段（SS）、传播时间段（PTS）、相位缓冲段 1（PBS1）、相位缓冲段 2（PBS2）。分解后最小的时间单位是 Tq，而一个完整的位由 8~25 个 Tq 组成。通过这些段可以计算出CAN的波特率。
    在这里插入图片描述
    同时每一个段又能用来进行数据同步，分为硬同步和重新同步：
  • 硬同步：在帧起始信号时（SOF）同步总线上所有器件的位时序，无法确保后续一连串的位时序都是同步的（可以理解为节点在检测到帧起始信号时才开始“设置段”）

在这里插入图片描述

  • 重新同步:在检测到总线上的时序与节点使用的时序有相位差时(即总线上的跳变沿不在节点时序的 SS 段范围)，通过延长 PBS1 段或缩短 PBS2 段，来获得同步。
    在这里插入图片描述

硬同步和重新同步都是使用SS段来检测，而同步的目的就是让SS段把跳变沿包含进来
区别在于：
硬同步是在数据传输开始时（SOF处）设置SS段包含跳变沿，类似于初始化；
重新同步是在数据传输过程中设置PBS段以实现SS段包含跳变沿

数据格式

传输的报文包括数据帧，遥控帧，错误帧，过载帧，帧间隔。

数据帧：
请添加图片描述
数据帧和遥控帧有标准格式和扩展格式两种格式，标准格式有 11 个位的ID，扩展格式有 29 个位的 ID。

  • SOF：联系前文可知，当数据帧发出第一位时（0为显性电位），总线就由空闲状态转为传输状态，同一时间只能允许一个节点传输数据。
  • Identify：接下来的仲裁段有11位，即本数据帧的 ID 信息，决定着数据帧发送的优先级，也决定着其它设备是否会接收这个数据帧，禁止高 7 位都为隐性（禁止设定：ID=1111111XXXX）， ID 信息的作用：① 如果同时有多个节点发送数据时，作为优先级依据（仲裁机制）；② 目标节点通过 ID 信息来接受数据（验收滤波技术）。这些将在下文提出。
  • RTR：(Remote Transmission Request BIT) 位用于标识是否是远程帧（0，数据帧；1，远程帧），在数据帧里这一位为显性(逻辑 0)。
  • IDE：(Identifier Extension Bit)，是用于区分标准格式与扩展格式，在标准格式中 IDE 位为显性，在扩展格式里 IDE 位为隐性。
  • r0：保留位，必须以显性电平发送。
  • DLC：由 4 位组成，MSB 先行（高位先行），它的二进制编码用于表示本报文中的数据段含有多少个字节，DLC 段表示的数字为0到8，若接收方接收到 9~15 的时候并不认为是错误。
  • Data：数据帧的核心内容，它由 0~8 个字节(0 ~ 64位)组成，MSB 先行。
  • CRC：该段用于检查帧传输错误，发送方以一定的方法计算包括：帧起始、仲裁段、控制段、数据段；接收方以同样的算法计算 CRC 值并进行比较，如果不同则会向发送端反馈出错信息，重新发送；计算和出错处理一般由 CAN 控制器硬件完成或由软件控制最大重发数。该段由 15 个位的 CRC 顺序和 1 个位的 CRC 界定符（用于分隔的位）组成，它为隐性位，主要作用是把CRC 校验码与后面的 ACK 段间隔起来。
  • ACK：由 ACK 槽(ACK Slot)和 ACK 界定符 2 个位组成，在 ACK 槽位中，发送端发送的为隐性位，而接收端则在这一位中发送显性位以示应答。在 ACK 槽和帧结束之间由 ACK 界定符间隔开，为隐性位。（发送 ACK/返回 ACK这个过程使用到回读机制，即发送方先在 ACK 槽发送隐性位后，回读到的总线上的电平为显性0，发送方才知道它发送成功了，不用重发）
  • EOF：由发送端发送 7 个隐性位表示结束。

无ACK:
在这里插入图片描述
有ACK:
在这里插入图片描述
在数据帧的拓展格式中，与标准格式不同处在于：

  • 仲裁段为 29 位；
  • 多出的SRR 位(Substitute Remote Request BIT)，用于替代标准格式中的 RTR 位。SRR 位为隐性位，由于 RTR 在数据帧为显性位，所以在两个 ID 相同的标准格式报文与扩展格式报文中，标准格式的优先级较高；
  • 控制段中的 r1 和 r0 一样都为保留位，默认设置为显性位；
  • 扩展格式的 ID 有 29 个位。基本 ID 从 ID28 到 ID18，扩展 ID 由 ID17 到 ID0 表示。基本 ID 和标准格式的 ID 相同。禁止高 7 位都为隐性。（禁止设定：基本 ID=1111111XXXX）

位填充
为防止突发错误而设定，CAN协议中规定，当相同极性的电平持续五位时，则添加一个极性相反的位。填充位的添加和删除是由发送节点和接收节点完成的，CAN-BUS只负责传输，不会操纵信号。请添加图片描述

stm32中的CAN

在这里插入图片描述

  • 具有 3 个发送邮箱，发送报文的优先级可以使用软件，可以记录发送的时间；
  • 有 2 个 3 级深度的接收 FIFO，可以使用过滤功能只接收或不接收某些 ID号的报文；
  • 不支持使用 DMA 进行数据收发；
  • 可变的过滤器组（最多 28 个）。
接收FIFO

CAN的FIFO用于缓存CAN数据包，最多存放3个。一旦超出3个数据就无法收到新数据，需要及时读出，并释放邮箱。

接收消息分为：

  • 挂起：一旦FIFO有消息挂起位（pending）就会置位
  • 上溢：FIFO满了（最多有3个消息）
    在这里插入图片描述
过滤器组

过滤器用于在数据包送到接收FIFO之前，只接受指定数据，过滤掉不需要的数据。
每个过滤器X（共28个）由两个32位的寄存器组成：CAN_FxR1和CAN_FxR2

过滤器可设置两种筛选方法：

  • 标识符掩码：筛选一组符合条件的报文
    ID：指定ID的报文可进入FIFO中
    掩码：含义是根据CAN_FxR2中哪些位为1，筛选出ID这些位与CAN_FxR1中这些位相同的报文（即0xFFFF0000可筛选出前16位相同的报文）
  • 标识符列表：筛选两个符合条件的报文
    ID：只能筛选出两种指定ID的报文

在这里插入图片描述

DMA

DMA不属于通信协议，但和上述几个通信协议一起记录，是因为它们会经常关联使用

基本特点

DMA可以实现在没有CPU干预的情况下完成数据的传输

请添加图片描述

硬件组成

在这里插入图片描述
能够使用DMA的外设：
在这里插入图片描述

通信过程

配置DMA：

  • 传输模式：单次/循环
  • 传输方向：source，destination
  • 传输大小
  • 传输通道
  • 使能中断：发送完成中断，发送空闲中断，发送一半中断

优势

通过串口接收数据，若采用中断方式，在数据量很小的情况下很有用，但是一旦数据量大了，CPU将频繁被中断打断；而采用DMA+中断的方式，DMA只有在一次性传输size个数据（或者空闲）后才会请求DMA传输完成中断，告知CPU传输完成，而数据的传输工作都是由DMA完成的。

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