常用的通信协议

本文主要是介绍常用的通信协议，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

最近在做项目，用到了一些通信协议，这里详细整理一下相关的通信协议，方便以后查阅。

单工 半双工 全双工

根据通信双方的分工和信号传输的方向可将通讯分为三种方式

单工通信（Simplex Communication）

只允许甲方向乙方传送信息，而乙方不能向甲方传送 。

常见的有：广播、电视、遥控器、VGA显示接口

半双工(Half-duplex Communication)

数据传输指数据可以在一个信号载体的两个方向上传输，但是不能同时传输。

常见的有：对讲机、I²C

全双工（Full-duplex Communication）

通信允许数据在两个方向上同时传输，它在能力上相当于两个单工通信方式的结合，全双工指可以同时进行信号的双向传输。

常见的有：手机、电话、网口、UART

参考资料

全双工，双工，单工的区别

单工，半双工，全双工有什么区别呢？

并行通信 VS 串行通信

嵌入式电子产品是一种互连电路（处理器或其他集成电路）以创建共生系统。
为了使这些单独的电路交换其信息，它们必须共享公共通信协议。
已经定义了数百种通信协议来实现这种数据交换，根据通信过程中每次传输的位数，可将通信分为：并行通信和串行通信。

并行通信（Parallel Commmunication）

并行是指多比特数据同时通过并行线进行传送，这样数据传送速度大大提高。

并行接口同时传输多个位。它们通常需要数据总线（八、十六或更多线路），以1和0的波形传输数据。

如下图：使用9线的并行通信，由时钟控制的8位数据总线，每个时钟脉冲发送一个字节。

主要特点：

1. 各数据位同时传输，传输速度快、效率高，多用在实时、快速的场合。

2. 并行通信不能长距离通信，抗干扰能力差。

串行通信（Serial Commmunication）

简称串口(串行接口)，指数据一位一位地顺序传送。

常用总线; I²C、SPI、UART

主要特点：

1. 按bit逐位传输，效率低
2. 只需要一根数据线，设计简单

分类：
串行通信根据发送时钟源和接收时钟源是否保持一致，又分为同步通信和异步通信。

参考资料

2.2 数据通信方式：单工通信、半双工通信和全双工通信，并行通信和串行通信，异步传输和同步传输。

通信教程01_什么是并行通信？什么是串行通信？

Parallel vs serial communication

四分钟搞定【同步通信-异步通信-全双工通信-串行通信-并行通信】

同步串行通信 VS 异步串行通信

同步串行通信（Synchronous Serial Communication）

信息发送设备与信息接收设备需要时钟同步信号，两者间除数据线连接还需要额外的时钟线连接。

举例： I²C、SPI

异步通信（Asynchronous Serial Communication）

信息发送设备与信息接收设备之间无时钟连接，信息中包含特殊标志位Start/Stop，接收设备根据特殊标志利用本地时钟对数据采样。

举例：UART

同步通信与异步通信区别

1. 同步通信要求接收端时钟频率和发送端时钟频率一致，发送端发送连续的比特流；异步通信时不要求接收端时钟和发送端时钟同步，发送端发送完一个字节后，可经过任意长的时间间隔再发送下一个字节。
2. 同步通信效率高；异步通信效率较低。
3. 同步通信较复杂，双方时钟的允许误差较小；异步通信简单，双方时钟可允许一定误差。
4. 同步通信可用于点对多点；异步通信只适用于点对点。

参考资料

四分钟搞定【同步通信-异步通信-全双工通信-串行通信-并行通信】

Difference between Synchronous and Asynchronous Transmission

浅析同步通信与异步通信

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)

简介

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器）是一种双向、串行、异步的通信总线，仅用一根数据接收线和一根数据发送线就能实现全双工通信。

典型的串口通信使用3根线完成，分别是：发送线（TX）、接收线（RX）和地线（GND），通信时必须将双方的TX和RX交叉连接并且GND相连才可正常通信，如下图所示：

UART以异步方式传输数据，这意味着没有时钟信号来同步发送端UART输出的比特和接收端UART采样的比特。
代替时钟信号的是，发送 UART 为传输的数据包添加开始和停止位。这些比特定义了数据包的开始和结束，以便接收 UART 知道何时开始读取比特。

当接收端的UART检测到起始位时，它开始以特定频率（即波特率）读取传入的比特。波特率是数据传输速度的度量单位，以**每秒比特数（bps）**表示。两个UART必须以大致相同的波特率运行。在传输和接收的UART之间，波特率只能相差约10%，否则比特的时序将严重偏离。

UART协议帧

在UART中，传输模式为数据包形式。数据包由起始位、数据帧、奇偶校验位和停止位组成。

起始位

当不传输数据时，UART数据传输线通常保持高电压电平。若要开始数据传输，发送UART会将传输线从高电平拉到低电平并保持1个时钟周期。
当接收UART检测到高到低电压跃迁时，便开始以波特率对应的频率读取数据帧中的位。

数据帧

数据帧包含所传输的实际数据。
如果使用奇偶校验位，数据帧长度可以是5位到8位。如果不使用奇偶校验位，数据帧长度可以是9位。
在大多数情况下，数据以最低有效位优先方式发送。

奇偶校验

奇偶性描述数字是偶数还是奇数。通过奇偶校验位，接收UART判断传输期间是否有数据发生改变。电磁辐射、不一致的波特率或长距离数据传输都可能改变数据位。

接收UART读取数据帧后，将计数值为1的位计算总数，检查总数是偶数还是奇数。

• 如果奇偶校验位为0（偶数奇偶校验），则数据帧中的1或逻辑高位总计应为偶数。
• 如果奇偶校验位为1（奇数奇偶校验），则数据帧中的1或逻辑高位总计应为奇数。

当奇偶校验位与数据匹配时，UART认为传输未出错。但是，如果奇偶校验位为0，而总和为奇数，或者奇偶校验位为1，而总和为偶数，则UART认为数据帧中的位已改变。

停止位

为了表示数据包结束，发送UART将数据传输线从低电压驱动到高电压并保持1到2位时间。

UART传输步骤

1. 发送UART从数据总线并行接收数据。
   

2. 发送UART将起始位、奇偶校验位和停止位添加到数据帧。
   

3. 从起始位到结束位，整个数据包以串行方式从发送UART送至接收UART。接收UART以预配置的波特率对数据线进行采样。
   

4. 接收UART丢弃数据帧中的起始位、奇偶校验位和停止位。
   

5. 接收UART将串行数据转换回并行数据，并将其传输到接收端的数据总线。
   

UART的优缺点

优点

1. 仅使用两根导线
2. 不需要时钟信号
3. 具有奇偶校验位以进行错误检查
4. 只要双方都设置为相同的数据包结构，数据包的结构可以更改
5. 文档充分且广泛使用的方法

缺点

1. 数据帧的大小限制在最多9位
2. 不支持多从机或多主机系统
3. 每个UART的波特率必须在彼此之间相差不超过10%

参考资料

一文搞懂UART通信协议

超简单的一种通信，2分钟搞懂，串口通讯的工作原理！

UART interface in IoT

BASICS OF UART COMMUNICATION

UART：了解通用异步接收器/发送器的硬件通信协议

【干货分享】2分钟快速了解电平通讯TTL、RS232、RS485

SPI（Serial Peripheral Interface）

简介

SPI是串行外设接口（Serial Peripheral Interface）的缩写，是美国摩托罗拉公司（Motorola）最先推出的一种同步串行传输规范，也是一种单片机外设芯片串行扩展接口，是一种高速、全双工、同步通信总线，所以可以在同一时间发送和接收数据，SPI没有定义速度限制，通常能达到甚至超过10M/bps。

SPI有主、从两种模式，通常由一个主模块和一个或多个从模块组成（SPI不支持多主机），主模块选择一个从模块进行同步通信，从而完成数据的交换。提供时钟的为主设备（Master），接收时钟的设备为从设备（Slave），SPI接口的读写操作，都是由主设备发起，当存在多个从设备时，通过各自的片选信号进行管理。

SPI通信原理很简单，需要至少4根线，单向传输时3根线，它们是MISO（主设备数据输入）、MOSI（主设备数据输出）、SCLK（时钟）和CS/SS（片选）：

• MISO（ Master Input Slave Output）：主设备数据输入，从设备数据输出；
• MOSI（Master Output Slave Input）：主设备数据输出，从设备数据输入；
• SCLK（Serial Clock）：时钟信号，由主设备产生；
• CS/SS（Chip Select/Slave Select）：从设备使能信号，由主设备控制，一主多从时，CS/SS是从芯片是否被主芯片选中的控制信号，只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），主芯片对此从芯片的操作才有效。

SPI数据传输步骤

1. 主设备输出时钟信号：
   

2. 主设备将SS/CS引脚切换到低电压状态，激活从设备：
   

3. 主设备逐位通过MOSI线向从设备发送数据。从设备接收数据位时逐位读取：
   

4. 如果需要响应，从设备通过MISO线逐位向主设备返回数据。主设备在接收到数据位时逐位读取：
   

例如，下图示例中简单模拟SPI通信流程，主机拉低NSS片选信号，启动通信，并且产生时钟信号，上升沿触发边沿信号，主机在MOSI线路一位一位发送数据0X53，在MISO线路一位一位接收数据0X46，如下图所示：

时钟模式

SPI时钟特点主要包括：时钟速率、时钟极性和时钟相位三方面。

时钟速率

SPI总线上的主设备必须在通信开始时候配置并生成相应的时钟信号。
从理论上讲，只要实际可行，时钟速率就可以是你想要的任何速率，当然这个速率受限于每个系统能提供多大的系统时钟频率，以及最大的SPI传输速率。

时钟极性

根据硬件制造商的命名规则不同，时钟极性通常写为CKP或CPOL。

• CKP = 0：时钟空闲IDLE为低电平 0；
• CKP = 1：时钟空闲IDLE为高电平1。

时钟相位

根据硬件制造商的不同，时钟相位通常写为CKE或CPHA。

• CKE = 0：在时钟信号SCK的第一个跳变沿采样；
• CKE = 1：在时钟信号SCK的第二个跳变沿采样。

四种模式

根据SPI的时钟极性和时钟相位特性可以设置4种不同的SPI通信操作模式。

• Mode0：CKP=0，CKE =0：当空闲态时，SCK处于低电平，数据采样是在第1个边沿，也就是SCK由低电平到高电平的跳变，所以数据采样是在上升沿。
• Mode1：CKP=0，CKE=1：当空闲态时，SCK处于低电平，数据采样是在第2个边沿，也就是SCK由低高电平到低电平的跳变，所以数据采样是在下降沿。
• Mode2：CKP=1，CKE=0：当空闲态时，SCK处于高电平，数据采样是在第1个边沿，也就是SCK由高电平到低电平的跳变，所以数据采集样是在下降沿。
• Mode3：CKP=1，CKE=1：当空闲态时，SCK处于高电平，数据发送是在第2个边沿，也就是SCK由低电平到高电平的跳变，所以数据采集样是在上升沿。

多个从模块

有两种方法可以将多个从设备连接到主设备：多片选和菊花链。

多片选

通常，每个从机都需要一条单独的SS线。如果要和特定的从机进行通讯，可以将相应的NSS信号线拉低，并保持其他SS信号线的状态为高电平。

菊花链

串行连接最大缺点是一旦数据链路中的某设备发生故障的时候，它下面优先级较低的设备就不可能得到服务了。
另一方面，距离主机越远的从机，获得服务的优先级越低，所以需要安排好从机的优先级，并且设置总线检测器，如果某个从机超时，则对该从机进行短路，防止单个从机损坏造成整个链路崩溃的情况。

SPI的优缺点

优点

1. 无起始位和停止位，因此数据位可以连续传输而不会被中断；
2. 没有像I2C这样复杂的从设备寻址系统；
3. 数据传输速率比I2C更高（几乎快两倍）；
4. 分离的MISO和MOSI信号线，因此可以同时发送和接收数据；
5. 极其灵活的数据传输，不限于8位，它可以是任意大小的字；
6. 非常简单的硬件结构。从站不需要唯一地址（与I2C不同）。从机使用主机时钟，不需要精密时钟振荡器/晶振（与UART不同）。不需要收发器（与CAN不同）。

缺点

1. 使用四根信号线（I2C和UART使用两根信号线）；
2. 无法确认是否已成功接收数据（I2C拥有此功能）；
3. 没有任何形式的错误检查，如UART中的奇偶校验位；
4. 只允许一个主设备；
5. 没有硬件从机应答信号（主机可能在不知情的情况下无处发送）；
6. 没有定义硬件级别的错误检查协议；
7. 与RS-232和CAN总线相比，只能支持非常短的距离；

参考资料

一文搞懂SPI通信协议

SPI通讯协议的工作方式

深入理解SPi通讯协议，5分钟看懂！

I²C（Inter-Integrated Circuit）

简介

I²C（Inter-Integrated Circuit），中文应该叫集成电路总线，它是一种串行通信总线，使用多主从架构，是由飞利浦公司在1980年代初设计的，方便了主板、嵌入式系统或手机与周边设备组件之间的通讯。
由于其简单性，它被广泛用于微控制器与传感器阵列，显示器，IoT设备，EEPROM等之间的通信。

与 UART 通信一样，I2C 在设备之间只使用两根导线传输数据：

SDA (Serial Data) ：主设备和从设备用于发送和接收数据的线路。
SCL (Serial Clock) ：传输时钟信号的线路。

I2C 是一种串行通信协议，因此数据是沿着一条线（SDA 线）逐位传输的。

与 SPI 一样，I2C 也是同步的，因此bit的输出与bit的采样是通过主站和从站共享的时钟信号同步进行的。时钟信号始终由主站控制。

I²C是如何工作的

使用I2C，数据以消息的形式传输。消息被分成数据帧。每个消息包含一个地址帧，其中包含从设备的二进制地址，以及一个或多个包含正在传输的数据的数据帧。消息还包括每个数据帧之间的起始和停止条件、读/写位，以及ACK/NACK位：

Start and Stop Condition & Logic Signal & Read/Write Bit & ACK/NACK Bit

数据帧格式

I²C数据传输步骤

1. 主设备通过将SDA线从高电压电平切换到低电压电平，然后将SCL线从高电平切换到低电平，向每个连接的从设备发送起始条件：
   

2. 主设备向每个从设备发送要进行通信的从设备的7位或10位地址，以及读/写位：
   

3. 每个从设备将主设备发送的地址与其自己的地址进行比较。如果地址匹配，从设备通过将SDA线拉低一个比特返回一个ACK位。如果主设备的地址与从设备的地址不匹配，从设备将保持SDA线高电平。
   

4. 主设备发送或接收数据帧：
   

5. 在每个数据帧传输后，接收设备向发送者返回另一个ACK位，以确认成功接收该帧：
   

6. 为了停止数据传输，主设备通过在将SCL置高之前将SDA置高，向从设备发送停止条件：
   

多主或多从

单个主设备连接多个从机

I2C总线上的主设备使用7位地址对从设备进行寻址。可以挂接127个不同地址的I2C设备。常用IIC接口通用器件的器件地址是由种类型号及寻址码组成的，共7位。如格式如下：

D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

器件类型由：D7-D4 共4位决定的。这是由半导公司生产时就已固定此类型的了，也就是说这4位已是固定的。

用户自定义地址码：D3-D1共3位。这是由用户自己设置的，通常的作法如EEPROM这些器件是由外部IC的3个引脚所组合电平决定的（用常用的名字如A0,A1,A2），这也就是寻址码。这就是为什么同一IIC总线上同一型号的IC设备最多只能共挂8片的原因了。

多个主设备连接多个从机

多个主设备可以连接到一个或多个从机。当两个主设备试图通过SDA线路同时发送或接收数据时，每个主设备都需要在发送消息之前检测SDA线是低电平还是高电平；如果SDA线为低电平，则意味着另一个主设备可以控制总线，并且主设备应等待发送消息。如果SDA线为高电平，则可以安全地发送消息。

I²C的优缺点

优点

1. 只需两根电线
2. 支持多个主站和多个从站
3. ACK/NACK 位可确认每个帧是否传输成功
4. 硬件没有 UART 那么复杂
5. 众所周知且广泛使用的协议

缺点

1. 数据传输速率比 SPI 慢
2. 数据帧大小限于 8 位
3. 需要比 SPI 更复杂的硬件来实现

参考资料

4分钟看懂！I2C通讯协议 最简单的总线通讯！

BASICS OF THE I2C COMMUNICATION PROTOCOL

TTL & RS232 &RS485 电平标准

TTL（Transistor Transistor Logic）

TTL（transistor transistor logic）即晶体管-晶体管逻辑电平。

TTL电平信号规定，+2.4V—+5V等价于逻辑“1”，0V—+0.4V等价于逻辑“0”(采用二进制来表示数据时)。

这样的数据通信及电平规定方式，被称做TTL（晶体管-晶体管逻辑电平）信号系统，这是计算机处理器控制的设备内部各部分之间通信的标准技术。

一般的电子设备用的多是TTL电平，但是它的驱动能力和抗干扰能力很差，不适合作为外部的通信标准，一些通信方式如RS232、RS485、USB等在传输线上使用的不是TTL电平，因此这些通信线上的信号在电子设备端要进行电平转换，才能够正常通信。

上面所说的串口就是使用的TTL电平标准进行通讯的

RS232（Recommended Standard 232）

简介

RS232是一种接口电气特性的标准，全称是数据终端设备( DTE)和数据通信设备(DCE)之间串行二进制数据交换接口技术标准，RS-232在1962年发布，命名为EIA-232-E(由于EIA提出的建议标准都是以“RS”作为前缀，所以在通讯工业领域，仍然习惯将上述标准以RS作前缀称谓，即RS232)，作为工业标准，以保证不同厂家产品之间的兼容。

RS232通信时使用的DB9接口：

RS232的三线连接方式与TTL类似，有RX、TX和GND组成。5线则多出了RTS和CTS两个硬件流控管脚。

• RTS（Request To Send）：请求发送
• CTS（Clear To Send）：清除发送
  

单片机输出的都是TTL电平，因此需要一个电平转换芯片，将单片机的TTL电平转换为RS232电平，这里使用的是MAX232转换芯片。

RS232的逻辑电平

如果单片机输出+2.4V~ +5V则MAX232输出-3V~-15V的电平

如果单片机输出+0V~ +0.8V则MAX232输出+3V~+15V的电平

正是由于RS232的逻辑电平范围比TTL增大了，使得RS232的抗干扰能力比TTL更强。

RS232存在的问题

RS232接口标准由于出现较早，所以其目前存在很多问题。

1. 接口电平值较高，易损坏接口电路的芯片。又因为与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。
2. 传输速率较低，大约为20Kbps；传输距离较短，大约为15米左右。
3. 接口由三根线TX、RX、GND组成，没有构成差分线形式，容易产生共地共模干扰，抗干扰能力弱。

RS485（Recommended Standard 485）

简介

RS-485是一种工业控制环境中常用的通讯协议，它具有抗干扰能力强、传输距离远的特点。RS-485通讯协议由RS-232协议改进而来，协议层不变，只是改进了物理层，因而保留了串口通讯协议应用简单的特点。

RS-485 属于电气标准，该标准定义了接口的物理层标准例如电压，阻抗等等，而不对软件协议，通信时序，通信数据给予定义。而是由用户或通用软件协议来定义。目前可以使用 RS-485 作为物理层的通用标准协议（纯软件协议）有工业 HART 总线，Modbus 协议和 Profibus DP 协议。

RS485的特点

1. 支持多节点：一般最大支持 32 个节点。
2. 传输距离远：最远通讯距离可达1200米。
3. 抗干扰能力强：差分信号传输。
4. 连接简单：只需要两根信号线（A+和B-）就可以进行正常的通信。

连接方式

在 RS485 通信网络中，通常会使用 485 收发器来转换 TTL 电平和 RS485 电平。

节点中的串口控制器使用 RX 与 TX 信号线连接到 485 收发器上，而收发器通过差分线连接到网络总线。

串口控制器与收发器之间一般使用 TTL 信号传输，收发器与总线则使用差分信号来传输。

发送数据时，串口控制器的 TX 信号经过收发器转换成差分信号传输到总线上。接收数据时，收发器把总线上的差分信号转化成 TTL 信号通过 RX 引脚传输到串口控制器中。

在总线的起止端分别加了一个 120 欧的匹配电阻。

使用MAX3485芯片实现TTL电平和RS485电平的转换：

RS485的逻辑电平

逻辑 1：两根信号线（A+和B-）的电压差在 +2V～+6V 之间。

逻辑 0：两根信号线（A+和B-）的电压差在 -2V～-6V 之间。

抗干扰性能

两个485设备之间通过两条双绞线进行连接，当信号在传输的过程中，受到干扰，由于两条线搅在一块，因此就会同时受到扰动，就会产生相同的偏差，但是RS485的逻辑电平是通过两条线的电压差判断的，因此受到的干扰并不会影响最终信号传输的效果，增强了信号传输过程中的抗干扰性能。

传输速度 VS 传输距离

RS485最大的传输距离为1200米，最高的传输速度为10Mbps，但是它的传输速度随着传输距离的增大而降低。

TTL转485电路

经典电路

注：RS485总线空闲状态时，电平不固定，增加A、B加上下拉电阻，提高通信稳定性。

接收数据：
默认没有数据时，TX为高电平，三极管导通，RE低电平使能，RO收数据有效，芯片max485为接收状态。

发送数据：
TX先下拉一个电平，表示开始发送数据，三极管截止，DE高电平发送使能，DI发数据有效，芯片max485为发送状态。

自动切换电路

注：TX、RX引脚均需上拉电阻

接收数据：
默认没有数据时，TX为高电平，三极管导通，RE低电平使能，RO收数据有效，芯片max485为接收状态。

发送数据：
发送数据引脚是 RS485_TX，应该 RS485_TX 发送1，AB发送1；RS485_TX 发送0，AB发送0。

• 当 RS485_TX 发送1时：NPN三极管导通，RE和DE的引脚是低电平，发送禁止，接收使能，进入接收状态，MAX3485芯片的AB引脚进入高阻状态，因为R4把A拉高，R5把B拉低，所以，AB传输的是1。所以，当RS485_TX发送1时，AB引脚发送1。

• 当 RS485_TX 发送0时：NPN三极管不导通，RE和DE的引脚是高电平，进入发送状态，SP3485芯片会把DI上的电平反应到AB引脚上输出，因为DI已经接地，所以AB引脚会传输0。所以，当RS485_TX发送0时，AB引脚发送0。

TTL RS232 RS485的区别

TTL、RS232和RS485都只是改变的物理层的信号传输的电平协议，并不关乎代码是如何实现的。

就比如我想用单片机的串口输出信息，那我可以直接接到另一个单片机的串口上，实现两个单片机的信息传输。我也可以在使用RS232电平协议进行传输数据，我只需要在两个单片机之前分别放一个MAX232转换芯片就可以，这样我就提高了两个单片机之间通信的抗干扰能力。进一步我也可以选择RS485电平协议进行通信，同样我只需要分别在两个单片机前面放一个SP3485芯片就可以，这样我就可以实现两个单片机之间的远距离通信，并且抗干扰能力也大大提高。

参考资料

【干货分享】2分钟快速了解电平通讯TTL、RS232、RS485

【干货分享】2分钟搞懂 RS232电平通讯，讲的太透了！什么时RS232标准？为什么有了RS232还要用RS485

【小元】两分钟告诉你！什么是RS485标准！为什么要把TTL电平转化成差分信号？

5分钟看懂!串口RS232 RS485最本质的区别！

什么是TTL？标准USB接口是TTL吗？RS232、RS422、RS485的区别？

RS485通信总线详解

电路基础知识——TTL转485电路

CAN（Controller Area Network）

简介

传统CAN 简介

CAN 是Controller Area Network（控制器局域网络）的缩写，是ISO 国际标准化的串行通信协议。为适应“减少线束的数量”、“通过多个LAN，进行大量数据的高速通信”的需要，1986 年德国电气商博世公司开发出面向汽车的CAN通信协议。

比如上图中，每个部分的多个器件都挂载在CAN总线上（一个CAN总线上的所有器件通讯速率必须相同），各个部分再汇集到网关，由网关分配实现各个不同速率的部分之间通讯，这样就很方便轻松实现了对汽车整体电控部分的检测与控制。

CAN FD 简介

因为每个CAN 数据帧只能包含8 个数据字节。此外，网络速度限制为1 Mbit/s，从而限制了数据生成功能的实现。CAN FD 解决了这些问题，使其具有前瞻性。

CAN FD (CAN with Flexible Data-Rate)，字面意思上看，相较于CAN 多了FD (Flexible Data-Rate)，
也就是“灵活数据速率”。

CAN FD 的优势

CAN FD 协议是由Bosch 以及行业专家预研开发的，并于2012 年发布。CAN FD 具有四个主要优点：

1. 增加了数据的长度：CAN FD 每个数据帧最多支持64 个数据字节，而传统CAN 最多支持8个数据字节。这减少了协议开销，并提高了协议效率。
2. 增加传输的速度：CAN FD 支持双比特率；与传统CAN 一样，标称（仲裁）比特率限制为1Mbit/s，而数据比特率则取决于网络拓扑/收发器。实际上，可以实现高达5 Mbit/s 的数据比特率(实际应用中可以达到8 Mbit/s，但没有标准)。
3. 更好的可靠性：CAN FD 使用改进的循环冗余校验（CRC）和“受保护的填充位计数器”，从而降低了未被检测到的错误的风险。
4. 平滑过渡：在一些特定的情况下CAN FD 能用在仅使用传统CAN 的ECU 上，这样就可以逐步引入CAN FD 节点，从而为OEM 简化程序和降低成本。

与传统CAN 相比，CAN FD 可以将网络带宽提高3 到8 倍，效率可从50% 提升到90%，从而为
数据的增长提供了一种简单的解决方案。

CAN 协议

物理层

与I2C、SPI 等具有时钟信号的同步通讯方式不同，CAN 通讯并不是以时钟信号来进行同步的，它是一种异步通讯，只具有CAN_High 和CAN_Low 两条信号线，共同构成一组差分信号线，以差分信号的形式进行通讯。

闭环总线网络

CAN 物理层的形式主要有两种，如下所示的图中的CAN 通讯网络是一种遵循ISO11898 标准的
高速、短距离“闭环网络”，它的总线最大长度为40m，通信速度最高为1Mbps，总线的两端各
要求有一个“120 欧”的电阻。

开环总线网络

如下所示的图中的是遵循ISO11519-2 标准的低速、远距离“开环网络”，它的最大传输距离为
1km，最高通讯速率为125kbps，两根总线是独立的、不形成闭环，要求每根总线上各串联有一
个“2.2 千欧”的电阻。

ISO11898 和11519-2 协议的不同点

CAN 协议经ISO 标准化后有ISO11898 标准和ISO11519-2 标准两种。ISO11898 和ISO11519-2 标准对于数据链路层的定义相同，但物理层不同。
ISO11898 是通信速度为125kbps-1Mbps 的CAN 高速通信标准。
ISO11519 是通信速度为125kbps 以下的CAN 低速通信标准。

差分信号

差分信号又称差模信号，与传统使用单根信号线电压表示逻辑的方式有区别，使用差分信号传输
时，需要两根信号线，这两个信号线的振幅相等，相位相反，通过两根信号线的电压差值来表示
逻辑0 和逻辑1。

相对于单信号线传输的方式，使用差分信号传输具有如下优点：

1. 抗干扰能力强，当外界存在噪声干扰时，几乎会同时耦合到两条信号线上，而接收端只关心两个信号的差值，所以外界的共模噪声可以被完全抵消。
2. 能有效抑制它对外部的电磁干扰，同样的道理，由于两根信号的极性相反，他们对外辐射的电磁场可以相互抵消，耦合的越紧密，泄放到外界的电磁能量越少。
3. 时序定位精确，由于差分信号的开关变化是位于两个信号的交点，而不像普通单端信号依靠高低两个阈值电压判断，因而受工艺、温度的影响小，能降低时序上的误差，同时也更适合于低幅度信号的电路。

由于差分信号线具有这些优点，所以在USB 协议、485 协议、以太网协议及CAN 协议的物理层中，都使用了差分信号传输。

CAN 协议中的差分信号

CAN 协议中对它使用的CAN_High 及CAN_Low 表示的差分信号做了规定，以高速CAN 协议为例：

当表示逻辑1 时(隐性电平)，CAN_High 和CAN_Low 线上的电压均为2.5v，即它们的电压差VH-VL=0V；
当表示逻辑0 时(显性电平)，CAN_High 的电平为3.5V，CAN_Low 线的电平为1.5V，即它们的电压差为VH-VL=2V。

在CAN 总线中，必须使它处于隐性电平(逻辑1) 或显性电平(逻辑0) 中的其中一个状态。假如有两个CAN 通讯节点，在同一时间，一个输出隐性电平，另一个输出显性电平，类似I2C 总线的“线与”特性将使它处于显性电平状态，显性电平的名字就是这样来的，即可以认为显性具有优先的意味。

协议层

RTR：用来区分数据帧或者远程请求帧，如果是远程请求帧这一位是1，如果是数据帧这一位是0

控制码/控制段：IDE用来区分标准格式和拓展格式；DLC（Data Link Control）数据长度代码，它是二进制编码0-8

域段	域段名	位宽:bit	描述
帧起始	SOF（Start Of Frame）	1	数据帧起始标志，固定为1bit显性（'b0）
仲裁段	Identify（ID）	11	本数据帧的 ID 信息， 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）
RTR	Remote Transmission Request BIT	1	RTR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('b0)
IDE	Identifier Extension Bit	1	IDE用于区分标准格式与扩展格式，在标准格式中 IDE 位为显性（‘b0），在扩展格式里 IDE 位为隐性（’b1）
R0	保留位	1	1bit保留位，固定为1’b0
DLC	data length	4	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
数据段	data	0~64	据帧的核心内容，它由 0~8 个字节(0 ~ 64位)组成，MSB 先行
CRC段	CRC	15	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。
CRC界定符		1	CRC 界定符（用于分隔的位），为隐性位(1’b1)，主要作用是把CRC 校验码与后面的 ACK 段间隔起来
ACK 槽	ACK slot	1	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；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
ACK界定符		1	在 ACK 槽和帧结束之间由 ACK 界定符间隔开，为隐性位
帧结束	EOF	7	由发送端发送 7 个隐性位表示结束

参考资料

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CAN总线协议

趋近于完美的通讯 CAN总线！4分钟看懂！

RS232 & RS485 & CAN & IIC & SPI 的对比

CRC校验（循环冗余校验）

简介

CRC（Cyclic Redundancy Check）循环冗余检验，是一种用于检测数字数据错误的技术。其特征是信息字段和校验字段的长度可以任意选定。

基础概念

模2除法

也叫模2运算，就是结果除以2后取余数。模2除法每一位除的结果不影响其它位，即不向上一位借位，所以实际上就是异或。在CRC计算中有应用到模2除法。

多项式与二进制

二进制可表示成多项式的形式，比如二进制1101表示为： x3+x2+x0；1011表示为：x3+x1+x0。

CRC校验原理

CRC校验本质上是选取一个合适的除数，要进行校验的数据是被除数，然后做模2除法，得到的余数就是CRC校验值。

下面用具体的例子做讲解：给定一组数据A：10110011（二进制），选取除数B：11001。

1. 首先需要在被除数A后加4个比特位0（具体加几个0是根据除数B的位数决定的，比如这里B是5位，那么A后面加4个0；如果B选6位，则A后面加5个0，总之加的0的个数比除数B的个数少1位）。
2. 进行模2除法运算。注意每次都是模2运算，即异或。
3. 最后得到余数C就是CRC校验值。注意余数位数必须比除数少1位，如果不够前面加0补齐。运算如下图所示

CRC计算步骤

常见CRC参数模型

CRC算法名称	多项式公式	宽度	多项式（16进制）	初始值（16进制）	结果异或值（16进制）	输入值反转	输出值反转
CRC-4/ITU	x4 + x + 1	4	03	00	00	true	true
CRC-5/EPC	x4 + x3 + 1	5	09	09	00	false	false
CRC-5/ITU	x5 + x4 + x2 + 1	5	15	00	00	true	true
CRC-5/USB	x5 + x2 + 1	5	05	1F	1F	true	true
CRC-6/ITU	x6 + x + 1	6	03	00	00	true	true
CRC-7/MMC	x7 + x3 + 1	7	09	00	00	false	false
CRC-8	x8 + x2 + x + 1	8	07	00	00	false	false
CRC-8/ITU	x8 + x2 + x + 1	8	07	00	55	false	false
CRC-8/ROHC	x8 + x2 + x + 1	8	07	FF	00	true	true
CRC-8/MAXIM	x8 + x5 + x4 + 1	8	31	00	00	true	true
CRC-16/IBM	x16 + x15 + x2 + 1	16	8005	0000	0000	true	true
CRC-16/MAXIM	x16 + x15 + x2 + 1	16	8005	0000	FFFF	true	true
CRC-16/USB	x16 + x15 + x2 + 1	16	8005	FFFF	FFFF	true	true
CRC-16/MODBUS	x16 + x15 + x2 + 1	16	8005	FFFF	0000	true	true
CRC-16/CCITT	x16 + x12 + x5 + 1	16	1021	0000	0000	true	true
CRC-16/CCITT-FALSE	x16 + x12 + x5 + 1	16	1021	FFFF	0000	false	false
CRC-16/x5	x16 + x12 + x5 + 1	16	1021	FFFF	FFFF	true	true
CRC-16/XMODEM	x16 + x12 + x5 + 1	16	1021	0000	0000	false	false
CRC-16/DNP	x16 + x13 + x12 + x11 + x10 + x8 + x6 + x5 + x2 + 1	16	3D65	0000	FFFF	true	true
CRC-32	x32 + x26 + x23 + x22 + x16 + x12 + x11 + x10 + x8 + x7 + x5 + x4 + x2 + x + 1	32	04C11DB7	FFFFFFFF	FFFFFFFF	true	true
CRC-32/MPEG-2	x32 + x26 + x23 + x22 + x16 + x12 + x11 + x10 + x8 + x7 + x5 + x4 + x2 + x + 1	32	04C11DB7	FFFFFFFF	00000000	false	false

参考资料

CRC校验原理及步骤

【科普】CRC校验（一）什么是CRC校验？

一个视频看懂CRC校验

[CRC校验]手算与直观演示

CRC校验详解（附代码示例）

这篇关于常用的通信协议的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！

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