03-电子与通信-通信协议

作者：姚博文 · 2026-09-15

通信协议（车载总线：UART / SPI / I2C / CAN / PWM）

定位：车板上各器件"说话"的方式——五种总线的原理、对比、CAN 帧详解与工程要点 | 适用：智能小车/移动机器人开发

一辆智能小车上通常有：2 个电机驱动器、1~2 个 IMU、编码器（2~4 路）、电池 BMS、

激光雷达、调试屏、GPS……它们和主控之间**每根线走什么协议、什么速率、怎么接线、

什么情况下会出鬼**，是硬件联调阶段最大的时间黑洞。

本文覆盖：

1. UART / SPI / I2C / CAN(CAN-FD) / PWM 五种总线的基本原理与对比选型；

2. **CAN 帧格式逐位详解**（标准帧/扩展帧、仲裁机制、位填充、CAN 2.0A/B 的 ID 区别）；

3. CAN 总线工程要点（终端电阻、bus-off 恢复、波特率配置、共模电压）；

4. 各典型设备（IMU/编码器/电机/激光雷达/电池）的总线映射表；

5. I2C 上拉电阻、地址冲突等常见错误的完整踩坑清单。

总线本身不产生智能，但**数据质量决定智能上限**：编码器脉冲丢了 → 里程计漂 → 定位漂；

IMU 读错 → 姿态错 → 控制错。总线选型的第一标准是**确定性与时序可靠**，第二才是带宽。

· 两根线：TX（发送）、RX（接收），外加共地；全双工（收发同时）。

· 异步：无时钟线，收发双方靠**约定好的波特率**（baud rate）自行采样，

起始位（低电平）触发接收，按"波特率"节奏采样每个比特。

· 帧格式（最常用 8N1）：

· 无校验（可加 1 位奇偶校验位）、无应答——错误只能靠上层协议（CRC/重传）兜底；

· 点对点：一根 TX 只能对一个 RX。要一对多用 485/422 或 GPIO 模拟多路；

· 速率：常见 9600 ~ 921600 bps；线短 (<1 m) 时 1~3 Mbps 也可行，但裕量小。

· 四根线（每设备）：SCK（时钟）、MOSI（主机出）、MISO（从机出）、CS（片选，低有效）。

· **同步**：主机产生时钟，从机在时钟边沿采样/驱动——时序确定，适合高速。

· 全双工：MOSI 与 MISO 同时传输（一个方向没数据时发废字节）。

· 速率：通常 10~50 MHz（具体看从机），比 UART 快 1~2 个数量级。

· 无地址、无应答：CS 拉低即选中某从机，**读数据靠"发一个读命令字节/空字节"触发**；

· 四种时钟模式（CPOL 空闲电平 / CPHA 采样边沿）：

| --- | --- | --- | --- | --- |

| 0 | 0 | 0 | 低 | 上升沿（第 1 边沿采样） |

| 1 | 1 | 0 | 高 | 下降沿（第 1 边沿采样） |

| 2 | 0 | 1 | 低 | 下降沿（第 2 边沿采样） |

| 3 | 1 | 1 | 高 | 上升沿（第 2 边沿采样） |

💡 SPI 第一大坑：**主机和从机模式必须一致**（查从机 datasheet 的 "SPI mode"），

不一致的症状是"能通信但数据全错/全 0"，比不通信难查。