通信接口电路¶

MCU 外设只负责产生逻辑波形。只要信号离开本板，就还要考虑电平、收发器、终端、拓扑、线缆、ESD、地电位差和掉电反灌。

一、先按距离和环境选接口¶

场景	优先选择	不应默认选择
同板、短距、低速配置	I²C	CAN/隔离器等过度设计
同板高速传感器/存储	SPI	长线 SPI
两块近距离板、点对点调试	UART	裸 UART 跑数米线
机器人多节点、强干扰	CAN	I²C 星形拉出整机
工业设备、多点半双工	RS485	TTL UART 直出接口
PC 调试、固件升级	USB/UART	把 USB D+/D- 当普通 GPIO 线
地电位差大或高能功率级	隔离 CAN/RS485	仅数字隔离、没有隔离电源

选接口要同时写明：速率、线长、节点数、拓扑、是否热插拔、共地情况、线缆和连接器。

二、UART：逻辑串口不是 RS-232¶

2.1 最小连接¶

本机 TX ───────── 对方 RX
本机 RX ───────── 对方 TX
本机 GND ──────── 对方 GND

核对双方是 1.8 V、3.3 V 还是 5 V 逻辑；
TX/RX 要交叉，连接器丝印标方向和电压；
串联 22～100 Ω 可作为源端阻尼预留，根据波形决定是否安装；
对外连接器处加低电容 ESD，强干扰/长线改用差分物理层；
MCU 掉电而对方 TX 仍为高时，检查是否经输入保护二极管反灌。

2.2 三种“串口”不能混接¶

名称	电气层	是否可直连 MCU
TTL/CMOS UART	0～VDD 单端逻辑	电平兼容时可以
RS-232	正负电压、逻辑可能反相	不可以，需要 RS-232 收发器
RS485	差分 A/B 总线	不可以，需要 RS485 收发器

USB 转串口芯片也要检查 USB 侧的 Type-C/ESD，以及 UART 侧 IO 电压，不是放一个芯片就结束。

三、I²C：上拉由总线决定¶

I²C 的 SDA/SCL 为开漏，所有器件只能拉低，由上拉电阻拉高。

3.1 上拉电阻范围¶

最小值受器件低电平灌电流限制：

\[R_{min}=\frac{V_{DD}-V_{OL,max}}{I_{OL,max}}\]

最大值受总线电容和允许上升时间限制：

\[R_{max}\approx\frac{t_r}{0.8473C_{bus}}\]

4.7 kΩ 只是常见起点，不是固定答案。多块模块自带上拉时，并联等效阻值可能过低：

\[\frac{1}{R_{eq}}=\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}+\cdots\]

3.2 实际电路¶

3V3 ── RPU ── SDA ──┬── 传感器 1
3V3 ── RPU ── SCL ──┼── 传感器 2
                    └── MCU

建议：

总线上只保留一组确定的有效上拉，其他做 DNP/可拆配置；
每个分支预留 0 Ω，便于断开查找拉死总线的器件；
两个电压域使用 I²C 专用双向转换器；
检查地址冲突、clock stretching 和器件上电时间；
掉电器件是否会把 SDA/SCL 拉低或通过 IO 反灌；
板外长线优先改用 CAN/RS485，或使用专用 I²C 缓冲/差分扩展器。

3.3 调试¶

示波器先看高低电平和上升时间，逻辑分析仪再解码协议。若只看解码，很容易把边沿过慢、毛刺或电平不足误判为软件问题。

四、SPI：关注边沿而不只是时钟频率¶

主机 SCK  ── 从机 SCK
主机 MOSI ── 从机 SDI
主机 MISO ── 从机 SDO
主机 CSn  ── 从机 CSn

4.1 基础电路¶

每个从机单独 CS，并用上拉/下拉保证上电未选中；
SCK、MOSI、CS 的串联阻尼电阻靠近驱动端，常预留 22～47 Ω；
多从机必须确认未选中时 MISO 为高阻；
电平不同时用方向明确的高速转换器；
高速存储或显示器按器件要求处理阻抗和等长。

10 MHz 不一定是低速

信号完整性主要由上升/下降沿决定，而不是仅由时钟频率决定。即使时钟只有几 MHz，亚纳秒级边沿加上长走线也可能严重振铃。

SPI 适合板内或紧邻板间连接。若必须走线缆，应降低边沿/速率、成对安排返回地，并通过实际波形验证；更远距离使用差分接口。

五、CAN：机器人节点的常用选择¶

协议控制器与物理层收发器是两部分：

MCU CAN_TX/RX
      │
 CAN 收发器 ── 可选共模扼流圈 ── TVS ── CANH/CANL/GND
      │
 STB/EN 默认电阻

 CANH ── 120 Ω ── CANL   ← 仅总线物理两端安装

5.1 收发器选择¶

检查：

Classical CAN 或 CAN FD 的速率能力；
收发器供电与 MCU IO 电平；
总线工作/故障共模范围；
休眠、待机、唤醒功能和静态电流；
总线显性超时、短路和热保护；
MCU/收发器掉电时是否保持总线高阻；
需要隔离时的隔离耐压和隔离电源。

5.2 终端与拓扑¶

一条主干两端各一个 120 Ω，中间节点不装；
板上放跳帽、拨码或 DNP 电阻，使终端可配置；
主干使用双绞线，支线尽量短；
避免无计划的星形连接；
连接器最好带 CANH、CANL 和参考地，屏蔽层按整机接地策略处理；
断电后用万用表测 CANH-CANL，两个 120 Ω 并联应约为 60 Ω，可快速检查终端。

5.3 保护与隔离¶

TVS 靠连接器，选择 CAN 专用、工作电压与电容合适的器件；
共模扼流圈是 EMI 选项，不是通信成立的必要条件，选错会引入谐振；
地电位差可能超过收发器范围时使用隔离 CAN；
真隔离需要数字隔离/隔离收发器 + 隔离 DC-DC，且跨隔离区不能有普通铜或地连接；
隔离栅两侧去耦分别回各自的地。

更多协议和时序内容见 CAN Bus。

六、RS485：物理层和 Modbus 是两件事¶

6.1 半双工接口¶

MCU UART_TX ── DI    ┌──────── A
MCU UART_RX ── RO  RS485 PHY  B ───── 双绞线总线
MCU GPIO ───── DE/RE └──────── GND

DE 控制发送，空闲时默认关闭，避免上电占用总线；
总线两端按线缆特性阻抗放终端，常见约 120 Ω；
fail-safe 偏置只在规划的位置安装，多个节点同时偏置会加重负载；
A/B 命名在不同厂商资料中存在歧义，丝印可同时标厂商定义的 D+ / D-，并在首板验证；
使用总线/菊花链拓扑和双绞线，支线尽量短；
参考地电位差较大时隔离。

6.2 终端和偏置分工¶

终端电阻匹配传输线，减少反射；
偏置电阻在所有驱动器高阻时定义空闲差分状态；
收发器内部 fail-safe保证输入接近开路/短路条件时输出确定。

三者用途不同，不能用“收发器自带 fail-safe”推导出长线不需要终端。

Modbus RTU 只是使用 RS485 的一种上层协议。CRC、地址和帧间隔正确，也无法弥补错误的终端、拓扑或共模电压。

更多协议内容见 RS485 / Modbus RTU。

七、USB 2.0 与 Type-C 设备口¶

若 MCU 作为 USB 设备，使用 Type-C 母座且不做 PD：

CC1 ── 5.1 kΩ ── GND
CC2 ── 5.1 kΩ ── GND
D+/D- ── 低电容 ESD ── MCU USB PHY
VBUS ── 保险/限流/检测 ── 板上电源策略

7.1 必查项目¶

CC1、CC2 各自放 Rd，声明受电设备角色；
D+/D- 按板厂层叠设计约 90 Ω 差分阻抗，短、对称、少过孔；
ESD 器件紧贴连接器，支路短；
VBUS 是输入、检测还是完全不用，电源方向必须明确；
电池 5 V 与 USB 5 V 同时存在时不能互相反灌；
屏蔽壳与数字地/机壳地的连接按整机 EMC 策略；
需要主机、OTG、USB-PD 或更高功率时，加入相应角色/PD 控制器，不能只改 CC 电阻。

差分线上预留串联电阻时，按 MCU 参考设计放在 PHY 侧，并通过眼图/波形和枚举稳定性决定最终值。

八、隔离、屏蔽和连接器¶

8.1 什么时候隔离¶

两端地电位可能相差数伏以上；
大功率驱动器故障不允许传到控制侧；
长线跨设备/机柜，存在明显浪涌环境；
安全或系统标准明确要求隔离。

隔离不是解决所有噪声的万能办法。它会增加隔离电源噪声、传播延迟、成本和 PCB 安全距离要求。

8.2 屏蔽层¶

屏蔽层承担高频干扰泄放，通常应低阻连接到机壳/框架地，而不是让干扰电流穿过数字地后再寻找出口。是否单端或多端连接取决于频率、等电位连接和整机接地，不能脱离系统机械结构只在 PCB 局部决定。

8.3 连接器引脚¶

差分对相邻，避免中间插入高速单端信号；
信号旁安排参考地，长排针不要所有地只放一端；
电源与地成对，标注电压和极性；
接口之间尽量防误插；
ESD 器件放在从连接器进入板内的第一站；
连接器外壳、固定脚和屏蔽脚在原理图/PCB 中明确网络。

九、接口调试方法¶

工具	先看什么
万用表	电平、短路、终端等效电阻、两端地电位差
示波器	上升沿、过冲、差分幅度、共模、反射、ESD 后复位
逻辑分析仪	协议帧、时序、片选、总线占用，但不能替代电气波形
USB/CAN/RS485 分析仪	错误帧、重发、Bus-off、协议字段

推荐顺序：

低速、短线、只接两个节点；
先确认物理电平和终端；
再看协议配置和帧；
逐步加速、加节点、换真实线缆；
最后在电机启停、热插拔和长时间压力下测试。

Checklist¶

协议控制器与物理层没有混淆；
双方逻辑电平和掉电状态兼容；
I²C 上拉按总线电容与速度核算；
SPI CS 有默认态，MISO 不会争用；
CAN/RS485 只在物理两端终端，拓扑和线缆正确；
保护器件靠近连接器并有短泄放路径；
隔离接口同时具备隔离电源；
USB Type-C 角色、电源方向、CC 与 ESD 正确；
每个接口有测试点、丝印、线缆定义和调试方法。

通信解决信息传输，真正输出机械能还需要电机与执行器电路。