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、使用场景对比目录概述UART通用异步收发传输器USART通用同步/异步收发传输器I²CIIC内部集成电路总线SPI串行外设接口RS-232RS-485CAN控制器局域网LIN本地互连网络协议汇总对比表选型建议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RXA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异步模式和UART完全一致无时钟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、GND3.2 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. I²CIIC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/NACK4.2 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-2326.1 原理UART电平转换标准单端信号。单片机UART是TTL电平0~3.3V/5VRS232电平逻辑1-3V ~ -15V逻辑03V ~ 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-4857.1 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1Vab 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 DERE ──────► 控制脚 │ │ A ────────────┬──────────────┬───────────┐ │ B ────────────┼──────────────┼───────────┼ │ │ │ │ GND 从机1 从机2 120Ω终端电阻DE1、RE1发送DE0、RE0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_H3.5VCAN_L1.5V逻辑0特点多主机任意节点都可以发消息ID仲裁ID越小优先级越高冲突时低ID优先发送硬件自带CRC校验、错误检测、自动重发总线两端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RS4859. 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. 协议汇总对比表协议时钟工作模式信号线拓扑最大距离典型速率核心特点UART无(异步)全双工TX,RX,GND点对点1m9600~1MbpsTTL板内串口USART可选全双工TX,RX,SCK,GND点对点1m最高数MbpsUART同步时钟IIC(I²C)SCL同步半双工SDA,SCL多从总线0.5m100k~400k2线多器件SPISCK同步全双工SCK,MOSI,MISO,CS多从独立CS0.3m几M~几十M高速板内RS232异步全双工TX,RX,GND点对点15m115200UART电平转换RS485异步半双工A,B,GND多节点总线1200m10Mbps差分工业总线CAN异步半双工CAN_H,CAN_L多主总线1000m最高1Mbps车载高可靠LIN异步半双工LIN,GND单主多从40m最高20kbps汽车低速辅助总线11. 选型建议PCB板内芯片通信优先 SPI高速/ IIC器件多、引脚少模块通信GPS、蓝牙UART工业现场多点远距离RS485汽车电控、高可靠多节点CAN汽车低速车身外设LINRS232新项目尽量不选用仅老旧设备对接
