数字通信接口详解 ¶

RS232¶

• 原理
• 由 EIA 制定的异步串行通信标准，采用负逻辑电平（逻辑 1：-5V_{-15V，逻辑 0：+5V}+15V）。
• 使用 DB-9 或 DB-25 连接器，工业中常用 RXD、TXD、GND 三线简化连接。
• 波特率最高 20Kbps，传输距离约 15 米（通过 Modem 可延长）。
• 应用
• 早期计算机与调制解调器、打印机连接，工业控制设备通信。
• 缺点
• 电平与 TTL 不兼容，需 MAX232 等转换芯片；共模干扰抗性差；传输速率低。

RS485¶

• 原理
• 差分信号传输（A/B 线电压差表示逻辑），支持半双工 / 全双工，抗干扰能力强。
• 传输距离达 1200 米，波特率最高 10Mbps（随距离降低），支持多点连接（最多 128 节点）。
• 应用
• 工业自动化（PLC、传感器网络）、楼宇控制、远距离数据采集。
• 关键点
• 需终端电阻（120Ω）消除信号反射；收发器芯片如 SIT3232E；对比 RS232，适合复杂电磁环境。

SSI（同步串行接口）¶

• 原理
• 基于 RS-422 的差分通信，主设备提供单向时钟，从设备在上升沿输出数据。
• 数据帧包含位置信息（二进制或格雷码），支持单圈 / 多圈绝对值编码器。
• 应用
• 高精度工业编码器（如机器人关节控制）、数控机床位置反馈。
• 特点
• 抗干扰强；时钟频率 80kHz~2MHz；需 FPGA 或专用 SPI 模式配置时序。

SPI¶

• 原理
• 全双工同步串行接口，四线制（SCLK、MOSI、MISO、SS），主从架构。
• 数据在时钟边沿采样，支持多从机（每从机独立 SS 片选）。
• 应用
• Flash 存储器、ADC/DAC、触摸屏控制器（如 TFT 驱动）。
• 特点
• 速率高（可达 100MHz）；无寻址机制；引脚多但传输效率高。

I2C¶

• 原理
• 两线制（SDA、SCL），多主多从，7/10 位地址寻址，支持标准（100kbps）、快速（400kbps）模式。
• 起始 / 停止条件定义通信周期，ACK/NACK 应答机制确保数据完整性。
• 应用
• 传感器（温度、加速度计）、EEPROM、LCD 控制器（如 OLED 驱动）。
• 特点
• 引脚少；支持总线仲裁；速率低于 SPI，适合低速设备互联。

CAN（控制器局域网）¶

• 原理
• 差分信号（CAN_H/CAN_L），多主架构，CSMA/CD+ 非破坏性仲裁（优先级高的 ID 胜出）。
• 帧格式包含 ID、数据、CRC 校验，错误检测机制完善（如 ACK 超时）。
• 应用
• 汽车电子（ECU 通信）、工业控制（电梯、机械臂）。
• 特点
• 抗干扰强；传输距离长（5kbps 下可达 10km）；实时性高。

以太网¶

• 原理
• 基于 IEEE 802.3，物理层（PHY）和 MAC 层协同工作，双绞线（CAT5e/6）或光纤传输。
• TCP/IP 协议栈支持，速率从 10Mbps 到 100Gbps，全双工通信。
• 应用
• 局域网（企业网络）、互联网接入、车载以太网（自动驾驶数据传输）。
• 关键点
• 交换机实现数据包转发；PoE（以太网供电）简化设备部署。

USB/PCIe/SATA¶

• USB
• 通用串行总线，支持热插拔，版本包括 USB 2.0（480Mbps）、USB 3.2（20Gbps）。
• 应用：外设连接（键盘、摄像头）、移动设备充电。
• PCIe
• 高速串行计算机扩展总线，点对点架构，通道数可扩展（x1/x16）。
• 应用：显卡、NVMe SSD、数据中心互联。
• SATA
• 串行 ATA 接口，替代并行 IDE，速率最高 6Gbps（SATA III）。
• 应用：机械硬盘、固态硬盘连接。

HDMI¶

• 原理
• 数字音视频接口，传输未压缩视频（最高 10K）和音频，