4. 数据采集通信协议：UART、I2C、SPI 与选型指南
做数据采集这些年，打交道最多的就是这三种协议：UART、I2C、SPI。说实话，刚入行那会儿我也分不清什么时候该用哪个，经常是「哪个顺手用哪个」，结果踩了不少坑。今天咱们就好好捋一捋，把它们的脾气秉性摸清楚。
核心观点：没有最好的协议，只有最合适的协议。选型的关键在于——你的传感器有多快？你的线能拉多长？你的引脚够不够用？
4.1 UART 串口通信——最老牌、最通用
UART，全称是通用异步收发传输器。说白了，就是一根线发、一根线收，两边约定好速度（波特率），就能聊起来。
我个人的习惯是：只要项目不急、距离不远、数据量不大，我首选 UART。为什么？因为它简单啊！你想想看，两根线（TX、RX）加一个地线，搞定。调试的时候拿个 USB 转串口模块往电脑上一插，串口助手一开，数据就出来了。这种「所见即所得」的感觉，其他协议给不了。
我在项目中遇到过一件事：一个温湿度传感器，输出就是 UART 格式，9600 波特率。我一开始想用 I2C 去读，结果发现传感器根本不支持。后来老老实实接了两根线，5 分钟调通。嗯，有时候别想太多，简单就是王道。
UART 的关键参数
- 波特率：常见的有 9600、115200、921600。越高越快，但线长了容易出错。我一般室内用 115200，超过 5 米就降到 9600。
- 数据位：通常是 8 位，也有 7 位或 9 位的，但 8 位最通用。
- 停止位：1 位或 2 位。我习惯用 1 位，省时间。
- 校验位：可选无校验、奇校验、偶校验。我一般不用，除非环境干扰大。
小技巧：调试 UART 时，先用示波器看 TX 脚有没有波形。如果波形正常但收不到数据，八成是波特率没对上。我曾经因为这个查了半小时，后来发现是代码里配成了 9600，但传感器是 19200。
4.2 I2C 协议——多设备、少引脚
I2C 是飞利浦（现恩智浦）发明的，两根线（SCL、SDA）就能挂一堆设备。每个设备有自己的地址，主机挨个点名，从机应答。
我建议：如果你的板子上要接好几个传感器，比如加速度计、陀螺仪、磁力计，而且它们都支持 I2C，那就用 I2C。两根线搞定所有，省下的 GPIO 可以干别的。
但 I2C 有个毛病——速度上不去。标准模式 100kHz，快速模式 400kHz，高速模式也就 3.4MHz。而且线一长（超过 30cm），信号就容易变形。我记得有一次做项目，传感器离主板 1 米远，I2C 死活不通，最后换成 UART 才解决。
I2C 的通信流程
- 主机发送起始信号（SCL 高电平时 SDA 从高变低）。
- 主机发送 7 位从机地址 + 1 位读写位。
- 从机应答（拉低 SDA）。
- 主机发送或接收数据，每字节后跟一个应答位。
- 主机发送停止信号（SCL 高电平时 SDA 从低变高）。
注意：I2C 的上拉电阻很关键。阻值太小，功耗大；阻值太大，信号上升沿变慢。我一般用 4.7kΩ，如果总线电容大（比如线长），就换成 2.2kΩ。
4.3 SPI 协议——速度之王
SPI 是摩托罗拉发明的，四根线（MOSI、MISO、SCLK、CS），全双工，速度可以跑到几十 MHz。如果你要采集高速数据，比如 ADC 采样、摄像头数据、SD 卡读写，SPI 是首选。
我个人经验：SPI 虽然快，但引脚占用多。每加一个设备就要多一根片选线（CS）。如果你有 8 个 SPI 设备，那就得 8 根 CS 线，加上其他 3 根，一共 11 根。相比之下，I2C 始终只要 2 根。
另外，SPI 没有标准的应答机制。主机发完数据，从机有没有收到，主机不知道。所以我在项目中一般会自己加一个「校验字节」，比如发完数据后，让从机回传一个固定值，确认通信正常。
SPI 的四种模式
SPI 有四种模式，由时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）决定。很多新手在这里栽跟头。
| 模式 | CPOL | CPHA | 说明 |
|---|---|---|---|
| 模式 0 | 0 | 0 | 空闲时低电平，第一个边沿采样 |
| 模式 1 | 0 | 1 | 空闲时低电平，第二个边沿采样 |
| 模式 2 | 1 | 0 | 空闲时高电平，第一个边沿采样 |
| 模式 3 | 1 | 1 | 空闲时高电平，第二个边沿采样 |
避坑指南：我曾经因为 SPI 模式没配对，调了整整一天。后来发现传感器手册里写的是「模式 0」，但我代码里配成了「模式 3」。所以拿到一个新器件，第一件事就是看数据手册里的时序图，确认 CPOL 和 CPHA。
4.4 协议对比与选型建议
好了，三种协议都讲完了。咱们来做个对比，方便你选型。
| 特性 | UART | I2C | SPI |
|---|---|---|---|
| 引脚数 | 2（TX、RX） | 2（SCL、SDA） | 4+（MOSI、MISO、SCLK、CS） |
| 速度 | 慢（最高约 1Mbps） | 中（最高约 3.4Mbps） | 快（最高 50Mbps+） |
| 通信方式 | 异步 | 同步 | 同步 |
| 多设备支持 | 点对点 | 多从机（地址寻址） | 多从机（片选寻址） |
| 传输距离 | 远（可达 10m+） | 近（通常 < 1m） | 近（通常 < 1m） |
| 硬件复杂度 | 低 | 中 | 高 |
我的选型口诀
- 距离远、速度慢、设备少 → UART（比如 GPS 模块、串口屏）
- 距离近、设备多、速度中等 → I2C（比如传感器阵列、EEPROM）
- 距离近、速度快、实时性高 → SPI（比如 ADC、SD 卡、LCD 屏）
最后说一句：实际项目中，这三种协议经常混用。比如一个采集板，主控和 WiFi 模块用 UART 通信，主控和传感器用 I2C，主控和 SD 卡用 SPI。没什么好纠结的，哪个合适就用哪个。
知识体系图：三种协议的核心逻辑
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