通信协议总结

通信协议分类

通信协议通常分为并行通信和串行通信。

并行通信：在同一时刻发送多位数据（可以是多根线）。 优点：发送速度快；缺点：传输距离短，资源占用多。

串行通信：用一根线在不同的时刻发送8位数据。 优点：传输距离远，占用资源少；缺点：发送速度慢。

通信方式分类

通信的方式可以分为：全双工、半双工、单工。

单工通信：只能接受或者发送。例如：收音机、遥控器等，一般只有一根线；

半双工通信：在同一时刻只能发送或者接收。例如：对讲机，至少有两根线；

全双工通信：在同一时刻既能接收又能发送。例如：电话，至少有两根线。

常见通信协议对比

1. UART

约定好速度，按位依次发送

UART常用于微控制器和电脑、调试器或通信模块之间的串行通信。

发送端把数据拆成一位一位的电信号，沿TX线发出；接收端从RX线接收。

UART是异步通信，没有单独的时钟线，因此收发双方需要预先约定波特率、数据位、校验位和停止位。接收端通过起始位判断一帧数据何时开始，再按约定的节奏读取后续数据。

例如，双方约定波特率为9600，就要以相同的速度收发。若速度或帧格式设置不一致，接收端就可能读错数据。

UART通常是点对点的基础传输方式，本身不规定“这串数据代表什么命令”。具体的数据含义要由上层程序约定。

2. SPI

由时钟带着数据同步传输

SPI常用于微控制器连接Flash、显示屏、传感器等芯片。典型线路有：

• SCLK：时钟，由主设备提供
• MOSI：主设备发给从设备的数据
• MISO：从设备返回给主设备的数据
• CS：片选信号，用来指定当前通信的设备

主设备拉低某个设备的CS，再输出时钟。双方根据时钟边沿同步读取数据，因此SPI属于同步通信。主设备可以一边发送数据，一边接收返回数据。

SPI没有统一规定所有设备都必须使用哪种具体数据格式；设备手册通常会说明时钟极性、采样边沿、命令格式等参数。SPI速度通常较高，但连接多个设备时往往需要额外片选线，因此更适合短距离板级通信。

3. I²C

共享两根线，按地址访问设备

I²C使用两根线：SCL时钟线和SDA数据线。多个设备可以共享这两根线，每个设备有自己的地址。

通信通常由主设备发起：主设备先发送开始信号和目标地址；被寻址的设备确认后，双方再交换数据。每传送一组数据，都可以通过应答位表示“收到”或“继续发送”；结束时由主设备发出停止信号。

I²C的数据线和时钟线采用共享总线结构，设备通常需要上拉电阻。它节省引脚，适合连接多个低速外设；但设备增多、线路变长或总线电容变大时，通信速度和可靠性会受到影响。

简单区分：SPI靠片选线选设备，I²C靠地址选设备。TI也指出，SPI通常没有像I²C那样统一的通信格式，具体实现会随器件而变化。TI：SPI、I²C 与 UART 的比较

4. CAN

多个节点共享总线，按优先级协调发送

CAN常见于汽车和工业控制。多个控制器节点连接到同一条差分总线上，每条消息带有标识符，用来表示消息内容或优先级。

当总线空闲时，节点可以尝试发送。如果多个节点同时开始发送，它们会逐位监测总线并参与仲裁。优先级较高的消息可以继续发送，其他节点停止并等待稍后重试；仲裁过程中胜出的消息不会因此被破坏。CAN还包含错误检测、确认和故障处理机制。

可以把CAN理解为“多台设备共用一个广播频道”：每个节点都能听到总线上的消息，再根据标识符判断是否需要处理。

5. RS‑485

用一对差分信号线传送串行数据

RS‑485规定驱动器和接收器之间如何用差分电压表示信号。收发器在两根线之间产生电压差，接收端根据电压差判断逻辑状态。外部噪声如果同时影响两根线，差分接收可以抵消其中一部分共同干扰，因此它常用于工业现场布线。

多个设备可以连接到同一总线上，但通常要通过通信规则协调谁在什么时刻发送，避免多个驱动器同时占用线路。RS‑485不定义消息内容、设备地址或命令，因此常与Modbus等协议配合使用。RS‑485是物理层电气标准，不是完整的应用协议。TI：RS‑485基础

6. Modbus

规定工业数据“怎么问、怎么答”

Modbus是一种工业应用层协议，常用来读写PLC、仪表、变频器等设备的数据。它规定了命令类型、设备地址、数据位置和消息格式。

以读取数据为例，客户端发送请求，说明目标设备地址、要执行的功能以及要读取的数据位置；服务端解析请求后，返回对应数据或错误信息。常见的数据类型包括线圈、离散输入、输入寄存器和保持寄存器。

Modbus本身不规定电信号怎么在线路上传输，可以运行在不同链路上，例如串行通信或TCP/IP网络。常见搭配是Modbus RTU over RS‑485：Modbus负责消息内容和操作，RS‑485负责在线缆上传送电信号。Modbus Organization：Modbus简介 Modbus官方规范

7. Bluetooth

先发现设备，再广播或建立连接

蓝牙设备可以先通过广播和扫描发现彼此。以低功耗蓝牙（Bluetooth LE）为例，设备可以广播自身信息，附近设备扫描到后，决定是否与它建立连接。

如果建立连接，双方会按协商好的连接参数和时间安排交换数据；如果只是广播，发送设备也可以把少量信息直接发给附近正在扫描的设备。蓝牙因此既可以用于设备发现和广播，也可以用于双向连接通信。Bluetooth SIG：Bluetooth LE Primer

蓝牙并不是一种单一固定的通信模式。经典蓝牙和低功耗蓝牙适用场景不同；同属低功耗蓝牙，是否连接、怎样交换数据，也取决于具体应用。

8. Wi‑Fi

加入无线局域网，再通过网络传数据

Wi‑Fi设备通常先搜索附近的无线接入点，再根据网络名称和安全配置发起连接。连接建立后，设备就可以通过无线局域网与路由器或其他网络设备交换数据。

在本地无线链路上，Wi‑Fi会传送帧；设备接入网络后，常会继续使用IP、TCP或UDP等协议与局域网或互联网中的其他设备通信。因此，“连上Wi‑Fi”表示接入了无线局域网，并不等于某个具体的应用已经开始传输数据。

Wi‑Fi适合较高数据量的网络通信；具体速度和覆盖范围会受到设备、频段、距离、障碍物和无线干扰影响。

9. Zigbee

低功耗节点组成网络，通过节点转发数据

Zigbee是一套面向物联网设备的无线通信体系，常用于智能家居和传感器网络。设备可以组成星型、树型或网状网络。网状网络中，某些节点可以充当路由器，帮其他节点转发消息，从而把数据传得更远。

典型过程是：传感器产生一条状态消息，消息先发给直接可达的节点；如果目标设备不在直接通信范围内，网络中的路由节点可以继续转发，直到消息到达目标或协调设备。

Zigbee适合传输控制指令和状态等小数据，不适合大量音视频数据。具体设备能否互通，还要看使用的协议版本、应用规范和产品实现。Zigbee的标准覆盖从网状网络到设备间应用通信的多个部分。Connectivity Standards Alliance：Zigbee

10. USB

主机识别设备，再按类型交换数据

在常见USB连接中，主机（例如电脑）负责管理通信。设备插入后，主机会先对它进行识别和配置，这个过程称为枚举。设备会报告自身支持的功能，主机据此选择相应的驱动或设备类别。

识别完成后，主机通过不同的数据端点与设备通信。比如，键盘、存储设备和摄像头虽然都使用USB连接，但数据传输方式和应用规则可能不同。USB协议和设备类别规范共同决定如何识别、配置和传输数据。USB-IF：设备类别代码

可以把它想成“主机先登记新接入的设备，再按照设备功能与它通信”。USB连接器的外形相同，也不代表它们支持相同的数据能力或速度。

11. Ethernet

数据装进帧，通过网卡和交换机转发

Ethernet（以太网）是常用的有线网络技术。发送端把数据封装成以太网帧，帧中包含源和目标MAC地址；网络交换机根据这些地址转发帧，让数据到达局域网中的目标设备。以太网帧包含起始信息和源、目标地址等字段。

在典型网络中，以太网负责局域网链路上的帧传输；IP等协议可以在其上继续承担跨网络寻址，TCP或UDP则提供更高层的数据传输服务。因此，以太网、IP和TCP并不是同一个东西，而是可以组合工作的不同层。

12. LoRa

用无线电传输少量数据，优先考虑覆盖和能耗

LoRa是一种无线物理层技术，常用于远距离、低功耗、低数据量的设备通信。发送端把数据调制成无线信号，附近网关接收到后再转发到后端网络。

LoRa本身主要解决无线信号怎样发出和接收的问题；LoRaWAN则定义设备如何入网、数据如何管理，以及设备、网关和网络服务器怎样协作。典型LoRaWAN网络中，网关把终端发来的无线数据转交给网络服务器，终端的一条上行消息也可能被一个或多个网关接收。LoRa Alliance：LoRaWAN架构

这种方案适合远程抄表和环境监测等少量数据场景，不适合传输连续视频或大文件。LoRa的实际覆盖距离会受天线、地形、建筑和无线环境影响。

把它们连起来理解

一次实际通信可能会同时用到多项技术。例如，工业控制器读取一台仪表的数据时，可以是：

Modbus定义读取命令 → UART控制器把数据按串行方式发送 → RS‑485收发器把电信号送上双绞线 → 仪表收到并返回应答。

各部分负责不同的事：有的定义信号，有的定义传输顺序，有的定义数据含义。理解这一点，就能看懂为什么RS‑485和Modbus经常一起出现，也能更准确地比较这12种通信技术。