CAN、I2S、I2C、SPI、SSP總線有什么差異？

一、SPI 總線

串行外圍設備接口 SPI（serial peripheral interface）總線技術是 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）、主機輸入 / 從機輸出數(shù)據(jù)線（MISO）、主機輸出 / 從機輸入數(shù)據(jù)線（MOSI）、低電平有效從機選擇線 CS。這些外圍器件可以是簡單的 TTL 移位寄存器，復雜的 LCD 顯示驅(qū)動器，A/D、D/A 轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)或其他的 MCU。當 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)進入移位寄存器中。主 SPI 的時鐘信號（SCK）使傳輸同步。

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

SPI 模塊為了和外設進行數(shù)據(jù)交換，根據(jù)外設工作要求，其輸出串行同步時鐘極性和相位可以進行配置，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音時鐘相位和極性應該一致。

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。當信號傳輸距離達 10Km 時 CAN 仍可提供高達 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 10Km，傳輸速率可高達 1Mbit/s；
C、可靠的錯誤處理和檢錯機制，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地址僅用標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，通信設備有了更高的要求，基于 CAN 總線的網(wǎng)絡則成為我們最佳的選擇

CAN 總線

現(xiàn)場總線是當今自動化領域技術發(fā)展的熱點之一，被譽為自動化領域的計算機局域網(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)通信提供了強有力的技術支持。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。較之目前許多 RS-485 基于 R 線構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)絡中的各節(jié)點都可根據(jù)總線訪問優(yōu)先權(取決于報文標識符)采用無損結構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 總線構成的網(wǎng)絡各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信實時性強，并且容易構成冗余結構，提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性。而利用 RS-485 只能構成主從式結構系統(tǒng)，通信方式也只能以主站輪詢的方式進行，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)絡中，當系統(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)點在錯誤嚴重的情況下具有自動關閉輸出功能，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準的現(xiàn)場總線。這些也是目前 CAN 總線應用于眾多領域，具有強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，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計，CAN 總線越來越受到人們的重視。它在汽車領域上的應用是最廣泛的，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)行機構間的數(shù)據(jù)通信。同時，由于 CAN 總線本身的特點，其應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)、機械工業(yè)、紡織機械、農(nóng)用機械、機器人、數(shù)控機床、醫(yī)療器械及傳感器等領域發(fā)展。CAN 已經(jīng)形成國際標準，并已被公認為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。其典型的應用協(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。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備網(wǎng)絡系統(tǒng)或子系統(tǒng)。

2．CAN 總線特點？
CAN 是到目前為止為數(shù)不多的有國際標準的現(xiàn)場總線
CAN 通訊距離最大是 10 公里（設速率為 5Kbps）,或最大通信速率為 1Mbps(設通信距離為 40 米)。
CAN 總線上的節(jié)點數(shù)可達 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，當多個節(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)絡上其他節(jié)點發(fā)送信息。
CAN 采用報文識別符識別網(wǎng)絡上的節(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。
報文是短幀結構，短的傳送時間使其受干擾概率低，CAN 有很好的效驗機制，這些都保證了 CAN 通信的可靠性。

3．CAN 總線應用領域
CAN 總線最初是德國 BOSCH 為汽車行業(yè)的監(jiān)測，控制而設計的。現(xiàn)已應用到鐵路、交通、國防、工程、工業(yè)機械、紡織、農(nóng)用機械、數(shù)控、醫(yī)療器械機器人、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備。I2C 總線產(chǎn)生于在 80 年代，最初為音頻和視頻設備開發(fā)，如今主要在服務器管理中使用，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)風扇。可隨時監(jiān)控內(nèi)存、硬盤、網(wǎng)絡、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 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)， 其中任何能夠進行發(fā)送和接收的設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、總線的構成及信號類型
I2C 總線是由數(shù)據(jù)線 SDA 和時鐘 SCL 構成的串行總線，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。

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、結束信號和應答信號。
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)。
結束信號：SCL 為低電平時，SDA 由低電平向高電平跳變，結束傳送數(shù)據(jù)。
應答信號：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)出一個應答信號，CPU 接收到應答信號后，根據(jù)實際情況作出是否繼續(xù)傳遞信號的判斷。若未收到應答信號，由判斷為受控單元出現(xiàn)故障。

目前有很多半導體集成電路上都集成了 I2C 接口。帶有 I2C 接口的單片機有：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)?？偩€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 一般應為 1010），接著三位為片選，最后一位為讀寫位，當為 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：當前地址讀、隨機讀和順序讀應當注意的是：最后一個讀操作的第 9 個時鐘周期不是“不關心”。為了結束讀操作，主機必須在第 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 總線的應用中應注意的事項總結為以下幾點 :
1）、嚴格按照時序圖的要求進行操作，
2）、若與口線上帶內(nèi)部上拉電阻的單片機接口連接，可以不外加上拉電阻。
3）、程序中為配合相應的傳輸速率，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引腳（如果有），或者在 EEPROM 內(nèi)部沒有用的空間寫入標志字，每次上電時或復位時做一次檢測，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)標準。

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)傳輸速率和應用功能的迅速增加，I2C 總線也增強為快速模式（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 總線始終和先進技術保持同步，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 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，就是用二進制補碼表示的音頻數(shù)據(jù)。I2S（Inter-IC Sound Bus）是飛利浦公司為數(shù)字音頻設備之間的音頻數(shù)據(jù)傳輸而制定的一種總線標準。在飛利浦公司的 I2S 標準中，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，就是用二進制補碼表示的音頻數(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。

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，可以自行補足剩余的位。這種同步機制使得數(shù)字音頻設備的互連更加方便，而且不會造成數(shù)據(jù)錯位。

隨著技術的發(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）。

為了保證數(shù)字音頻信號的正確傳輸，發(fā)送端和接收端應該采用相同的數(shù)據(jù)格式和長度。當然，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。

審核編輯黃昊宇