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前言

文档版本：V1.0

编制日期：2026-10-19

适用对象：嵌入式硬件、单片机软件开发人员

内容范围：UART / USART / I²C / SPI / RS232 / RS485 / CAN / LIN 协议原理、电气特性、原理图、使用场景对比

目录

1. 概述

2. UART（通用异步收发传输器）

3. USART（通用同步/异步收发传输器）

4. I²C（IIC，内部集成电路总线）

5. SPI（串行外设接口）

6. RS-232

7. RS-485

8. CAN（控制器局域网）

9. LIN（本地互连网络）

10. 协议汇总对比表

11. 选型建议

1. 概述

串行通信：数据按位依次传输，相比并行总线布线更少，广泛用于单片机外设、板间通信、工业车载通信。分为两大类：

• 板级短距离通信：UART/USART、IIC、SPI（芯片与芯片，PCB板内）

• 线缆长距离通信：RS232、RS485、CAN、LIN（板间、设备之间，车载/工控）

2. UART 通用异步收发传输器

2.1 原理

UART 是异步串行通信，无同步时钟线，依靠双方预先约定波特率。

• 信号线：TX（发送）、RX（接收）、GND（共地）

• 帧结构：起始位(1bit)+数据位(58bit)+校验位(可选)+停止位(12bit)

• 空闲电平：高电平；起始位拉低，通知接收方准备接收

• 通信方式：全双工，点对点，

  不支持多设备总线

  关键点：双方波特率必须一致；必须共地，否则容易出现乱码。

2.2 原理图（文字示意图）

单片机A 单片机B ┌───────┐ ┌───────┐ │ │ TX ─────────────►│ RX │ │ UART │ RX ◄─────────────│ TX │ │ │ GND ─────────────│ GND │ └───────┘ └───────┘

注意：交叉连接，A的TX接B的RX，A的RX接B的TX。

2.3 使用场景

• 单片机与蓝牙模块、GPS模块、串口屏

• 板内点对点短距离通信（PCB走线，一般<1m）

• 调试打印日志（串口打印）

2.4 优缺点

✅ 简单，仅两根信号线+地线；单片机内置外设

❌ 异步，无时钟；只能点对点；距离短；抗干扰弱

3. USART 通用同步/异步收发传输器

3.1 原理

USART = UART +同步模式，支持两种工作模式：

1. 异步模式：和UART完全一致，无时钟

2. 同步模式：额外提供一根时钟线 SCK，主机输出时钟，从机跟随时钟采样数据，波特率精度更高

信号线：TX、RX、SCK、GND

3.2 原理图

主机 从机 ┌───────┐ ┌───────┐ │USART │ TX ──────────────►│ RX │ │ │ RX ◄──────────────│ TX │ │ │ SCK ─────────────►│ SCK │ │ │ GND ─────────────►│ GND │ └───────┘ └───────┘

3.3 使用场景

• 异步场景：等同于UART

• 同步场景：高速短距离芯片通信（部分MCU外接高速ADC）

  很多单片机文档里口语常把USART直接叫UART，硬件外设是USART，软件只用异步模式。

3.4 优缺点

✅ 模式可选；同步模式下时钟同步，可高速传输

❌ 同步模式需要额外时钟线；依然点对点

4. I²C（IIC）内部集成电路总线

4.1 原理

半双工同步串行总线，多从机总线结构，两根线：SDA（数据线）、SCL（时钟线）

• 主机：产生SCL时钟，发起通信

• 从机：带唯一7bit/10bit地址，主机通过地址寻址

• 总线电平：开漏输出，必须外部上拉电阻（4.7kΩ常见）

• 信号：起始信号、停止信号、应答位ACK/NACK

4.2 原理图

VCC │ ├─4.7kΩ─── SDA ─────┬───────┬───────┐ └─4.7kΩ─── SCL ─────┼───────┼───────┼ │ │ │ 主机 从机1 从机2 MCU 传感器 EEPROM │ │ │ GND ─────────────────┴───────┴───────┴

4.3 使用场景

板内多器件通信：EEPROM、OLED屏幕、温湿度传感器（SHT30）、RTC实时时钟、ADC芯片。PCB板内短距离通信，总线最多挂载几十个从机（受电容负载限制）。

4.4 优缺点

✅ 仅2根线，支持多从机；硬件简单

❌ 半双工；速率较低；总线电容限制走线长度；上拉电阻必不可少

5. SPI 串行外设接口

5.1 原理

高速同步串行总线，主从架构，全双工。

标准4线：

• SCK：主机时钟输出

• MOSI：主机发，从机收

• MISO：从机发，主机收

• CS(NSS)：片选，每个从机独立一根片选线，低电平选中从机

四种时钟模式 CPOL/CPHA，决定采样时刻。

5.2 原理图

主机MCU ┌────────┐ │ │ SCK ────────────┬──────────┐ │ SPI │ MOSI ────────────┼──────────┼ │ │ MISO ◄───────────┼──────────┼ │ │ CS1 ────────────┤ │ │ │ CS2 ────────────┘ │ └────────┘ │ │ 从机1 从机2 (Flash) (ADC)

5.3 使用场景

高速板内外设：SPI Flash、高速ADC、显示屏、射频模块。

注意：每增加一个从机，需要增加一根独立CS片选线。

5.4 优缺点

✅ 速率高，全双工；协议简单；无ACK开销

❌ 从机多的时候片选线过多；不适合长距离；点对点总线

6. RS-232

6.1 原理

UART电平转换标准，单端信号。单片机UART是TTL电平（0~3.3V/5V）；RS232电平：

• 逻辑1：-3V ~ -15V

• 逻辑0：+3V ~ +15V使用MAX232芯片做TTL ↔ RS232电平转换。全双工，点对点。

6.2 原理图

MCU TTL UART MAX232芯片 DB9 RS232接口 TX ───────────►Tin Tout ───────► RX(DB9 pin2) RX ◄───────────Rout Rin ◄────── TX(DB9 pin3) GND ───────────GND GND ─────── GND(DB9 pin5)

6.3 使用场景

老式电脑DB9串口，工业老设备。现在逐步淘汰。最大通信距离约15米，速率低，抗干扰差。

6.4 优缺点

✅ 协议就是UART，软件简单

❌ 单端信号，抗干扰差；距离短；电平芯片需要电荷泵；易损坏

7. RS-485

7.1 原理

差分信号传输，半双工总线标准。

A、B差分两根线：

• Vab = VA-VB > +200mV → 逻辑1

• Vab = VA-VB < -200mV → 逻辑0

差分信号抑制共模干扰，适合工业环境。

常用芯片：MAX485，芯片自带DE/RE控制收发方向。总线支持多节点，最多32节点（不加中继），终端120Ω匹配电阻。

7.2 原理图

MCU MAX485 RS485总线 TX ─────────►DI RX ◄─────────RO DE+RE ──────► 控制脚 │ │ A ────────────┬──────────────┬───────────┐ │ B ────────────┼──────────────┼───────────┼ │ │ │ │ GND 从机1 从机2 120Ω终端电阻

DE=1、RE=1：发送；DE=0、RE=0：接收。总线两端需要120Ω终端匹配电阻。

7.3 使用场景

工业仪表、传感器组网、楼宇控制，远距离多点通信。距离可达1200m，工业现场最常用串口总线。

7.4 优缺点

✅ 差分抗干扰强；距离远；多节点；成本低

❌ 半双工，需要软件控制收发方向；无内置CRC校验，需要软件实现

8. CAN 控制器局域网

8.1 原理

差分串行总线，多主架构，非破坏性位仲裁。

两根信号线：CAN_H、CAN_L

• 隐性电平：CAN_H≈CAN_L≈2.5V，逻辑1

• 显性电平：CAN_H=3.5V，CAN_L=1.5V，逻辑0

特点：

1. 多主机，任意节点都可以发消息

2. ID仲裁：ID越小优先级越高，冲突时低ID优先发送

3. 硬件自带CRC校验、错误检测、自动重发

4. 总线两端120Ω终端电阻

8.2 原理图

MCU CAN控制器 CAN收发器TJA1050 TX_CAN ─────────►TXD RX_CAN ◄─────────RXD │ CAN_H ───────────────┼──────────────┬──────────────┐ CAN_L ───────────────┼──────────────┼──────────────┼ │ │ │ 节点1 节点2 120Ω终端电阻

8.3 使用场景

汽车电子（动力、车身电控）、工业自动化、机器人、储能BMS。车载领域标准总线，抗干扰极强。

8.4 优缺点

✅ 多主、冲突仲裁；硬件CRC；高可靠性；远距离；抗干扰极强

❌ 协议栈复杂；芯片成本高于RS485

9. LIN 本地互连网络

9.1 原理

单主多从，单线总线，基于UART协议简化。仅一根LIN总线 + GND，单端信号，主节点控制所有通信时序，从机被动应答。速率低，最高20kbps；硬件成本很低。

LIN是汽车次级总线，作为CAN的辅助总线。

9.2 原理图

主节点MCU + LIN收发器 LIN总线 ───────┬──────────────┬──────────────┐ │ │ │ 从机1 从机2 从机3 │ │ │ GND ───────────┴──────────────┴──────────────┴

9.3 使用场景

汽车车身低端外设：车窗、雨刮、座椅、车灯。

用来分担CAN总线负载，低成本低速车载外设。

9.4 优缺点

✅ 单线，成本极低；协议简单；单主架构

❌ 单端抗干扰弱；速率低；只能单主机

10. 协议汇总对比表

11. 选型建议

1. PCB板内芯片通信：优先 SPI（高速）/ IIC（器件多、引脚少）

2. 模块通信（GPS、蓝牙）：UART

3. 工业现场多点远距离：RS485

4. 汽车电控、高可靠多节点：CAN

5. 汽车低速车身外设：LIN

6. RS232：新项目尽量不选用，仅老旧设备对接