Serielle Kommunikationsprotokolle im Vergleich

Serielle Kommunikationsprotokolle und -standards sind fantastisch, besonders bei vielen intelligenten digitalen oder gemischten (analog-digitalen) Geräten; die Einbindung von Mikrocontrollern ist beliebt. Serielle Kommunikationsbusse ermöglichen den Austausch von Informationen zwischen vielen Geräten und führen diese Kommunikation mit einer viel geringeren Anzahl von Pins durch als für parallele Kommunikationen benötigt wird. Obwohl serielle Kommunikationen um mehrere Größenordnungen langsamer sind als die parallele Option, sind die erreichten Geschwindigkeiten für die meisten ICs und Geräte ausreichend, um den erforderlichen Informationsaustausch oder das Senden von Befehlen durchzuführen.

In diesem Artikel fassen wir die Vor- und Nachteile jedes der verfügbaren seriellen Protokolle zusammen. Wir hoffen, dass diese Ressource beim nächsten Mal, wenn Sie sich in der Situation befinden, einen seriellen Kommunikationsbus implementieren zu müssen, wertvoll sein wird und Ihnen hilft, die beste Option für Ihre speziellen Umstände zu wählen.

Kurzüberblick

UART ist eine recht einfache asynchrone serielle Kommunikation, die den Vollduplex-Modus ermöglicht. Sie ist sehr nützlich für die Kommunikation zwischen zwei Geräten.

I2C ist wahrscheinlich meine bevorzugte Option. Es kann viele Geräte mit nur zwei Pins verbinden. Je mehr Geräte Sie jedoch anschließen, desto mehr müssen Sie die Datenrate reduzieren, um den Betrieb aufrechtzuerhalten. Außerdem gefällt uns, dass die Datenrate durch Hardware gesteuert werden kann und dass auch die Peripherie-Adressen durch Hardware festgelegt werden.

SPI ist ein schnelles Kommunikationsprotokoll, das viele Peripherie-Geräte zulässt, allerdings mit einer Erhöhung der Pin-Anzahl. Die Geschwindigkeiten der SPI-Kommunikation sind großartig, und darüber hinaus benötigt es keine spezielle Abschlussimpedanzanpassung. Wir haben festgestellt, dass in einigen Anwendungen der Einsatz von Abschlusswiderständen vorteilhaft sein kann.

1-Wire ist großartig. Es ermöglicht die Kommunikation und die Stromversorgung mit nur einem Kabel oder einer Leiterbahn, indem eine parasitäre Stromversorgungstechnik verwendet wird. Allerdings gibt es nicht so viele Geräte, die dies nutzen können.

CAN ist sehr robust in Umgebungen mit hohen elektromagnetischen Störungen und verfügt über eine gute Fehlerkorrektur. Es sollte daher nicht überraschen, dass es hauptsächlich für kritische Anwendungen verwendet wird.

LIN ist eine Variante von CAN, entwickelt als ein Subsystem zu CAN. LIN wird typischerweise für weniger kritische Anwendungen in Autos verwendet. Es ist gut, weil es günstig und unkompliziert ist. LIN-Geräte verwenden keine Quarze oder Resonatoren für die Zeitmessung; sie nutzen lediglich einen einfachen internen RC-Schaltkreis, um Kosten zu sparen.

RS-485 ist ein Protokollstandard, der in vielen Geräten verwendet wird, insbesondere in der Automatisierung und bei SPS. Es ist ein robuster Standard, der ein oder zwei differentielle Paare verwendet. Außerdem kann er relativ hohe Geschwindigkeiten oder lange Distanzen erreichen.

RS-232 ist ein alter serieller Protokollstandard, der extrem beliebt war. Obwohl moderne Geräte diesen Standard nicht mehr verwenden, nutzen immer noch eine große Anzahl von Altgeräten ihn, daher denken wir, dass es nützlich sein wird, etwas darüber zu wissen.

Detaillierter Vergleich

UART

Max. Nodes: 2
Max. Bit-Rate (kbps): -
Max. Länge (m): -

Vorteile

1. Voll-Duplex
2. Nutzt nur zwei Drähte
3. Kann synchrone und asynchrone Kommunikation bereitstellen

Nachteile

1. Kann nur zwei Geräte verbinden
2. Die Einstellungen des Controllers müssen an die Einstellungen des kontrollierten Geräts angepasst werden
3. Meist langsamer als I2C und SPI

Notizen

1. Konfigurierbare Baud-Rate
2. Kommt mit nur einem Draht aus, wenn nur einseitige Kommunikation gebraucht wird
3. Nutzt ein internes IC-Uhrsystem
4. Grundlegende IC zu IC oder Gerät zu Gerät Kommunikation

I2C

Max. Nodes: 127 oder 1023
Max. Bit-Rate (kbps): 5.000
Max. Länge (m): Undefiniert

Vorteile

1. Nutzt nur zwei Drähte
2. Multi-Controller und Multi-Peripherie
3. Mehr Peripherie-Geräte bedeutet nicht mehr Pins
4. Zuverlässiger als UART

Nachteile

1. Langsamer als SPI
2. Komplexere Hardware als bei SPI
3. Peripherie-Geräte brauchen definierte Adressen

Notizen

1. Erfordert Pull-up-Resistoren
2. Grundlegende IC zu IC Kommunikation

SPI

Max. Nodes: Hängt von SS-Pins ab
Max. Bit-Rate (kbps): < 1.000
Max. Länge (m): Undefiniert

Vorteile

1. Voll-Duplex
2. Sehr einfache Driver
3. Zuverlässiger als UART
4. Sehr schnelle serielle Kommunikation
5. Multi-Peripherie-Kommunikation

Nachteile

1. Nutzt drei oder mehr Drähte (Traces)
2. Mehr Peripherie-Geräte erhöhen Anzahl der Pins
3. Nur ein Primärgerät
4. Peripheriegeräte können nicht frei miteinander kommunizieren

Notizen

1. Grundlegende IC zu IC Kommunikation
2. Anzeige/Bilddaten in niedriger Auflösung

1-Wire

Max. Nodes: 2^48
Max. Bit-Rate (kbps): 16.3
Max. Länge (m): 300

Vorteile

1. Erfordert nur einen Draht
2. Parasitäre Stromkonfiguration
3. Sehr geringer Stromverbrauch
4. Sehr einfache und wenige Pin-Geräte

Nachteile

Nur Maxim-Geräte unterstützen diese Art von serieller Kommunikation.

Notizen

Erfordert Pull-up.

CAN

Max. Nodes: 128
Max. Bit-Rate (kbps): 1.000
Max. Länge (m): 500

Vorteile

1. Sehr robust
2. Multi-Peripherie
3. Fehlererkennung

Nachteile

Ziemlich teuer

Notizen

1. Übertragungsleitung mit 120 Ω Impedanz
2. Nutzt Differentialpaar
3. Primär in der Automobilelektronik eingesetzt

LIN

Max. Nodes: 16
Max. Bit-Rate (kbps): 19.2
Max. Länge (m): 40

Vorteile

1. Sehr kostengünstig
2. Braucht nur einen Draht
3. Unterstützt bis zu 15 Peripheriegeräte

Nachteile

Langsame Datenrate

Notizen

Primär in der Automobilelektronik eingesetzt

RS-485

Max. Nodes: 246
Max. Bit-Rate (kbps): < 10.000
Max. Länge (m): 1330

Vorteile

1. Erreicht hohe Datenraten
2. Kann über große Distanzen kommunizieren
3. Hohe Sensibilität des Empfängers

Nachteile

1. Höherer Stromverbrauch
2. Relativ komplexe Hardware

Notizen

1. Nutzt ein oder zwei differentielle Paare
2. Gerät zu Gerät Kommunikation

RS-232

Max. Nodes: 2
Max. Bit-Rate (kbps): 128
Max. Länge (m): 15

Vorteile

Kostengünstig

Nachteile

1. Langsame Datenrate
2. Moderne Geräte unterstützen diese Verbindung nur selten oder nutzen den Standard nicht
3. Niedrige Sensibilität des Empfängers

Notizen

1. Oft eingesetzt in Vorgängermodellen
2. Viele Konverter
3. Gerät zu Gerät Kommunikation

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