UART, I2C, SPI, CAN. Главные способы общения в роботе

Когда вы подключаете датчик к Arduino или Raspberry Pi, вы выбираете “язык общения”. Вот четыре основных языка, которые должен знать каждый робототехник.

Как работает: Как двое разговаривают по рации.

• Один говорит, другой слушает
• Потом меняются
• Договорились о скорости заранее

Провода:

• TX (передача) → RX (прием) другого устройства
• RX (прием) ← TX (передача) другого устройства
• GND (общая земля)

Наглядная схема:

Arduino1           Arduino2
   TX ────────────> RX
   RX <──────────── TX
   GND ──────────── GND

Плюсы:

• Проще некуда (в коде: Serial.begin(9600);)
• Отладка через Serial Monitor
• Подходит для GPS, Bluetooth, связи с компьютером

Минусы:

• Только между двумя устройствами
• Недалеко (1-2 метра)

Пример кода:

// Отправка данных
Serial.print("Температура: ");
Serial.println(temperature);

// Получение данных
if (Serial.available()) {
  char command = Serial.read();
  if (command == 'F') goForward();
}

Как работает: Как учитель в классе.

• Учитель спрашивает: “Вася, 0x68, какая температура?”
• Вася (адрес 0x68) отвечает: “25”
• Учитель: “Петя, 0x77, какое давление?”
• Петя (адрес 0x77) отвечает: “760”

Провода:

• SDA (данные) — одна линия для всех
• SCL (часы) — общий тактовый сигнал
• VCC и GND

Схема подключения:

        Arduino (Master)
           │
       SDA ┼───┬───┬───┐
       SCL ┼───┼───┼───┼───
           │   │   │   │
        [0x68] [0x77] [0x...]
       Датчик Датчик Еще
       MPU6050 BMP280 датчик

Плюсы:

• Много устройств на двух проводах (до 128)
• Стандарт для датчиков
• Встроен в большинство контроллеров

Минусы:

• Медленнее, чем SPI
• Чувствителен к длине проводов (максимум ~50 см)
• Нужны подтягивающие резисторы (обычно 4.7 кОм)

Где используется:

• IMU (MPU6050, MPU9250)
• Датчики температуры/давления (BMP280, BME280)
• OLED дисплеи (SSD1306)
• Расширители портов (PCF8574)

Как работает: Как конвейер на заводе.

• Начальник дает команду по громкой связи
• Каждый рабочий слышит, но реагирует только если назвали его номер (CS)
• Все работают синхронно по такту

Провода (минимум 4):

• MOSI (данные от главного к устройству)
• MISO (данные от устройства к главному)
• SCK (тактовый сигнал)
• CS (выбор устройства) — отдельный провод для каждого!

Схема подключения:

          Arduino (Master)
              │
   SCK ───────┼──────┐
   MOSI ──────┼──────┼─────┐
   MISO ──────┼──────┼─────┼─────
              │      │     │
           CS1┤   CS2┤  CS3┤
              ▼      ▼     ▼
          [SD карта][Дисплей][NRF24]

Плюсы:

• Самый быстрый (в 10-100 раз быстрее I2C)
• Полнодуплексный (одновременно прием и передача)
• Простой протокол на аппаратном уровне

Минусы:

• Много проводов (3 + N устройств)
• Сложнее развести на плате
• Больше потребление

Где используется:

• TFT дисплеи
• SD-карты
• Радиомодули (NRF24L01, LoRa)
• Ethernet модули (W5500)

Как работает: Как совещание в компании.

• Любой может начать говорить
• Все слышат всех
• Если двое начали одновременно — у кого важнее сообщение (ID), тот говорит
• Очень устойчив к помехам

Плюсы:

• Невероятно надежный (машины, самолеты)
• Очень далеко (до 1 км)
• Много устройств на одной линии

Минусы:

• Сложный для начинающих
• Нужны преобразователи (CAN-модули)
• Дороже

Где используется:

• Автомобили (бортовая сеть)
• Промышленные роботы
• Большие БПЛА
• Роботы Boston Dynamics

Датчики:
• DHT22 → Цифровой пин (свой протокол)
• BMP280 → I2C
• Датчик освещенности → Аналоговый пин

Вывод:
• OLED дисплей 128x64 → I2C
• Или TFT дисплей 2.4" → SPI

Компоненты:
• Raspberry Pi (камера) ↔ ESP32 → UART
• ESP32 ↔ Датчики (IMU, дальномер) → I2C
• ESP32 ↔ TFT дисплей для отладки → SPI
• ESP32 ↔ Моторы → ШИМ

Причина: Нет подтягивающих резисторов
Решение: Добавить 4.7 кОм между SDA и VCC, SCL и VCC

Причина: Адреса устройств совпадают
Решение: Проверить адреса (скетч I2C scanner)

Причина: Программная реализация вместо аппаратной
Решение: Использовать аппаратный SPI (конкретные пины)

Причина: Разная скорость на передаче и приеме
Решение: Проверить Serial.begin(скорость) на обоих устройствах

Причина: Нет терминаторов на концах линии
Решение: Добавить резисторы 120 Ом между CAN_H и CAN_L

Что нужно:

• Arduino Uno
• Датчик MPU6050 (гироскоп + акселерометр)
• Провода

Шаги:

1. Подключите по I2C:

   Arduino → MPU6050
   5V → VCC
   GND → GND
   A4 → SDA
   A5 → SCL
   

2. Установите библиотеку Wire и MPU6050

3. Загрузите пример:

   #include <Wire.h>
   #include <MPU6050.h>
   
   MPU6050 mpu;
   
   void setup() {
     Serial.begin(9600);
     Wire.begin();
     mpu.initialize();
   }
   
   void loop() {
     int16_t ax, ay, az;
     mpu.getAcceleration(&ax, &ay, &az);
     Serial.print("X: "); Serial.print(ax);
     Serial.print(" Y: "); Serial.print(ay);
     Serial.print(" Z: "); Serial.println(az);
     delay(100);
   }
   

4. Откройте Serial Monitor → увидите данные с датчика!

✅ Смогу ли я:

1. Подключить датчик температуры по I2C к Arduino?
2. Объяснить, зачем в SPI нужен провод CS?
3. Соединить два Arduino для обмена данными?
4. Выбрать протокол для подключения 10 датчиков в большой робот?

Если на все вопросы можете ответить — вы разбираетесь в протоколах связи!

Освоили базовые протоколы? Теперь можно:

• Беспроводная связь — Wi-Fi, Bluetooth, LoRa
• Промышленные сети — Ethernet, Modbus
• Паттерны проектирования — как правильно организовать код для работы с разными протоколами

Совет: Сделайте стенд-тренажер: Arduino, макетная плата, и несколько устройств с разными протоколами (I2C датчик, SPI дисплей, UART модуль). Подключайте по одному, изучайте, как работают.