通信名词解释：I2C、USART、SPI、RS232、RS485、CAN、TCP/IP、SOCKET、modbus

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1. I2C（Inter-Integrated Circuit，集成电路间总线）

• 定义：由飞利浦（现恩智浦）开发的短距离串行通信总线，用于芯片级设备间的低速数据传输。
• 工作原理：
  • 采用两根信号线：SDA（串行数据线）和 SCL（串行时钟线），均为双向传输。
  • 支持一主多从或多主多从架构，通过设备地址区分不同从机（7 位或 10 位地址）。
  • 数据传输速率：标准模式（100kbps）、快速模式（400kbps）、高速模式（3.4Mbps）等。
• 特点：
  • 结构简单（仅需两根线），硬件成本低，适合板内芯片间通信（如传感器、EEPROM、OLED 屏等）。
  • 传输距离短（通常几厘米到几米），抗干扰能力较弱。
• 应用：单片机与传感器（如温湿度传感器 SHT30）、实时时钟（RTC）、显示屏等的通信。

2. USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，通用同步 / 异步收发器）

• 定义：一种可同时支持同步和异步通信的硬件接口，是 UART（异步）的增强版。
• 工作原理：
  • 异步模式：无需时钟线，通过约定波特率（如 9600、115200）同步数据，帧结构包含起始位、数据位（5-9 位）、校验位（可选）、停止位（1-2 位）。
  • 同步模式：需额外时钟线（CLK），由主机提供时钟，数据传输更高效（无起始 / 停止位开销）。
• 特点：
  • 灵活性高，可根据需求切换同步 / 异步模式，支持全双工通信（发送和接收独立）。
  • 硬件实现，减少 CPU 占用，适合中低速数据传输（通常≤2Mbps）。
• 应用：单片机与 PC、蓝牙模块、GPS 模块等的通信（常见异步模式，即 UART）。

3. SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）

• 定义：由摩托罗拉开发的高速全双工同步通信协议，主要用于短距离设备间通信。
• 工作原理：
  • 采用四根信号线：SCLK（时钟线）、MOSI（主机输出从机输入）、MISO（主机输入从机输出）、SS/CS（从机选择，低电平有效）。
  • 一主多从架构，主机通过 SS 线单独选中某个从机，时钟由主机控制，数据在时钟边沿同步传输（全双工，MOSI 和 MISO 同时收发）。
  • 传输速率：通常可达几 Mbps 到几十 Mbps（如 10Mbps、50Mbps），速率由主机决定。
• 特点：
  • 高速率、全双工，无地址机制（通过 SS 线选通从机），硬件结构简单，抗干扰性优于 I2C。
  • 信号线较多（相比 I2C），且从机数量受 SS 线数量限制（需单独布线）。
• 应用：单片机与高速外设（如 SD 卡、LCD 显示屏、ADC/DAC 芯片、无线模块）的通信。

4. RS232（Recommended Standard 232）

• 定义：由 EIA（电子工业协会）制定的串行通信物理层标准，规定了接口的电气特性、引脚定义等。
• 工作原理：
  • 电气特性：采用单端信号传输，逻辑 “1” 为 - 3~-15V，逻辑 “0” 为 + 3~+15V，信号地（GND）作为参考。
  • 常用引脚：DB9 接口（如 TXD 发送、RXD 接收、GND 地），支持全双工通信。
  • 传输速率：通常≤115200bps，传输距离≤15 米（受噪声影响大）。
• 特点：
  • 历史悠久，广泛用于早期设备（如 PC 的 COM 口），但抗干扰能力弱（单端传输），传输距离短。
  • 需电平转换芯片（如 MAX232）与 TTL 电平（单片机常用）转换。
• 应用：传统计算机与调制解调器、打印机、工业设备的通信（逐渐被 USB 替代，但工业领域仍有使用）。

5. RS485（Recommended Standard 485）

• 定义：EIA 制定的差分信号串行通信标准，是 RS422 的改进版，适合长距离、多节点通信。
• 工作原理：
  • 采用差分信号传输：A 线和 B 线，信号通过 A-B 的电压差表示（差模信号），抗共模干扰能力强。
  • 支持多节点联网（一主多从或对等通信），最多可连接 32 个节点（通过中继器可扩展至更多）。
  • 传输速率与距离相关：100kbps 时可达 1200 米，10Mbps 时约 15 米。
• 特点：
  • 长距离（数百米至数千米）、高抗干扰，适合工业环境，支持半双工或全双工（需额外控制）。
  • 无内置协议，需配合上层协议（如 Modbus）使用。
• 应用：工业自动化（如 PLC、传感器、变频器）、安防监控、智能楼宇等分布式系统。

6. CAN（Controller Area Network，控制器局域网）

• 定义：由博世开发的串行通信协议，最初用于汽车电子，后扩展至工业领域，支持多节点实时通信。
• 工作原理：
  • 采用差分信号传输（CAN_H 和 CAN_L），支持多主架构（节点平等，可主动发送数据）。
  • 基于消息的通信：数据帧包含标识符（ID），用于优先级判断（ID 越小优先级越高），支持冲突检测与仲裁（非破坏性仲裁，确保高优先级消息优先传输）。
  • 传输速率：最高 1Mbps（距离≤40 米），低速率时（如 50kbps）可达 1000 米。
• 特点：
  • 高可靠性（错误检测与自动重传）、实时性强、抗干扰，适合多节点动态通信。
  • 无节点数量限制（理论上仅受总线负载影响）。
• 应用：汽车电子（发动机控制、ABS）、工业自动化（机器人、机床）、医疗设备等。

7. TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，传输控制协议 / 网际协议）

• 定义：互联网的核心协议簇，包含一组用于数据传输的规则，分为四层模型（应用层、传输层、网络层、链路层）。
• 核心协议：
  • IP（网际协议）：网络层协议，负责将数据包从源地址路由到目标地址（基于 IP 地址，如 IPv4、IPv6），无连接、不可靠（不保证数据完整性和顺序）。
  • TCP（传输控制协议）：传输层协议，基于 IP 实现可靠传输，通过三次握手建立连接、四次挥手断开连接，支持流量控制、拥塞控制和数据重传（确保数据有序、无丢失）。
  • 其他协议：UDP（传输层，无连接、不可靠，适合实时性要求高的场景）、HTTP/FTP（应用层）等。
• 特点：
  • 通用性强，支持异构网络互联（如以太网、无线网络），是互联网的基础。
  • TCP 提供可靠传输，UDP 提供高效传输，按需选择。
• 应用：所有互联网通信（如网页浏览、文件传输、视频通话）、工业以太网等。

8. Socket（套接字）

• 定义：TCP/IP 协议栈中应用层与传输层的接口，是网络编程的抽象概念，用于标识网络中两个设备的通信端点。
• 工作原理：
  • 由IP 地址 + 端口号唯一标识（如 192.168.1.1:8080），IP 地址定位设备，端口号定位设备上的应用程序。
  • 支持两种通信模式：
    • 流式套接字（SOCK_STREAM）：基于 TCP，提供可靠、面向连接的字节流传输。
    • 数据报套接字（SOCK_DGRAM）：基于 UDP，提供不可靠、无连接的数据报传输。
• 特点：
  • 屏蔽了底层协议细节，简化网络编程（如 C 语言的 socket () 函数、Python 的 socket 库）。
  • 是实现网络通信的基础（如客户端 - 服务器模型）。
• 应用：所有基于 TCP/IP 的网络应用（如 Web 服务器、即时通讯、物联网设备联网）。

9. Modbus

• 定义：由施耐德开发的工业通信协议，是应用最广泛的现场总线协议之一，基于主从架构。
• 工作原理：
  • 支持多种物理层（如 RS232、RS485、以太网），对应不同变体：
    • Modbus RTU：基于 RS485，数据以二进制帧传输，效率高，适合工业现场。
    • Modbus ASCII：基于 RS232/RS485，数据以 ASCII 码传输，可读性强，速率低。
    • Modbus TCP/IP：基于以太网，通过 TCP/IP 传输，适合远程通信。
  • 通信流程：主机发送请求（含从机地址、功能码、数据），从机响应（返回数据或状态），功能码定义操作类型（如读取线圈、写入寄存器）。
• 特点：
  • 协议简单、开源免费，兼容性强（几乎所有工业设备都支持），适合中小规模工业网络。
  • 主从模式，主机控制通信节奏。
• 应用：工业自动化中设备间的数据交互（如 PLC 与传感器、变频器、人机界面 HMI 的通信）。

总结对比

        这些技术覆盖了从板内芯片到全球互联网的通信需求，根据速率、距离、可靠性等要求选择合适的方案。