変更要約: 初版
4.4シリアル通信インタフェース
2線で複数デバイスを接続するI2C、高速全二重のSPI、調歩同期のUART、車載向け差動信号のCANという4大シリアル通信方式の電気的・プロトコル的特性を比較し、要件に応じて最適なインタフェースを選ぶ判断力を養います。
組込み機器の基板設計では、「センサとMCUをどう繋ぐか」という問いに複数の正解候補（I2C・SPI・UART・CAN）が存在し、配線数・速度・接続デバイス数・ノイズ耐性・コストという要件次第で最適解が変わります。この節では、4大シリアル通信方式それぞれの電気的・プロトコル的な特性の違いを踏まえ、この要件ならどのインタフェースを選ぶかを判断する視点を養います。
4.4.1I2CとSPI
- I2C（Inter-Integrated Circuit）＝SDA（データ）とSCL（クロック）の2線のみで、マスタが複数のスレーブと通信できるバス型シリアル通信。各スレーブは固有の7ビット（または10ビット）アドレスを持ち、マスタがアドレスを指定して通信相手を選ぶため、配線数を増やさずに多数のデバイスを接続できるのが最大の利点。ただし転送速度は標準100kbps・高速400kbps程度とSPIに比べて低速で、オープンドレイン出力のためプルアップ抵抗が必須。
- SPI（Serial Peripheral Interface）＝SCLK（クロック）・MOSI（マスタ→スレーブ）・MISO（スレーブ→マスタ）・SS/CS（チップセレクト）の4線（スレーブごとにSSが1本ずつ必要）で通信し、送信と受信を同時に行える全二重通信。クロックをマスタが供給し続けアドレス指定の仕組みもないため、I2Cよりはるかに高速（数Mbps〜数十Mbps）だが、スレーブが増えるほどSS配線が増えるため多数デバイス接続には向かない。
4.4.2UARTとCAN
- UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）＝TX（送信）・RX（受信）の2線で1対1通信を行う調歩同期（非同期）方式。クロック線を共有せず、送受信側が事前に合意したボーレートでスタートビット/データビット/（パリティビット）/ストップビットの並びを解釈するため、接続機器を追加しやすい反面、多数デバイスを1本のバスで束ねるバス型接続には不向き（1対1が基本）。デバッグ用コンソールやPCとの単純な通信に広く使われる。
- CAN（Controller Area Network）＝CAN_H/CAN_Lの差動信号2線でバス型通信を行う、車載・産業機器向けの規格。差動信号のため外来ノイズに強く、長距離・電気的にノイズの多い環境（エンジンルーム等）でも高い信頼性を持つ。メッセージにIDを付与し優先度の高いID（値の小さいID）が調停で勝つ仕組みを持ち、複数ノードが同時送信してもデータが壊れずに優先度の高い方が通信を継続できる（CSMA/CR：非破壊型調停）。
「I2C＝2線・多デバイス・低速・プルアップ必須」「SPI＝4線（SS別）・全二重・高速・多デバイスに不向き」「UART＝2線・調歩同期・1対1」「CAN＝差動2線・ノイズ耐性・ID調停で優先度制御」の4者の使い分けが最頻出です。「配線数が少ない＝優れている」ではなく速度・デバイス数・ノイズ耐性の要件から逆算して選ぶ視点が問われます。
4.4.3用途別のインタフェース選択
- 多数のセンサ（温度・加速度・光など）を基板内の短距離で束ねたい場合は、配線数を増やさずアドレス指定で多数デバイスを識別できるI2Cが第一候補。高速なデータ転送（フラッシュメモリ・ディスプレイ・ADC等）が必要な場合は、クロック同期の全二重通信で高速なSPIが適する。
- 基板外の機器やPCと単純に1対1で通信したい場合はUARTが手軽。車載ネットワークや工場のノイズの多い環境で複数のECU/センサノードを高信頼にバス接続したい場合はCANが適する。LIN（CANより低コスト・低速な車載サブネットワーク規格）はCANほどの信頼性・速度が不要な補助系統向けという位置づけも押さえておく。
ある組込みシステムアーキテクトが、産業用ロボットの制御ボードで、基板上の温度センサ8個・加速度センサ4個（合計12個の低速デバイス）と、高速フレームレートで画像を取り込むカメラモジュール、そしてロボットアーム各関節のモータ制御ECU同士を長距離・高ノイズ環境で接続する通信という3つの異なる要件に直面しているとします。まず12個のセンサについては、SPIを使うと12本のSS配線が必要になり基板が煩雑化するため却下し、アドレス指定で多数デバイスを識別できるI2C（2線のみ）を採用します（速度要件が低速で十分なため速度面の弱点は問題にならない）。次にカメラモジュールは、大量の画素データを高速転送する必要があるため、I2Cでは速度が全く足りず、クロック同期の全二重通信で高速なSPIを採用します（カメラは1個のみなのでSS配線増加という弱点も顕在化しません）。最後にモータ制御ECU間の通信は、アームの可動により配線が長くなり、モータ駆動由来の電気ノイズも多い環境であるため、シングルエンド信号のI2C/SPI/UARTでは誤り耐性が不足すると判断し、差動信号でノイズに強くID調停による優先度制御も持つCANを採用します。ここでの設計上の要点は、「1つの通信方式で全要件を賄おうとしない」ことです——低速多デバイス（I2C）・高速少デバイス（SPI）・長距離高ノイズ（CAN）という異なる要件には異なるインタフェースを使い分けるのが正しい設計判断であり、配線を統一したいという理由だけでI2Cにカメラを繋いだり、SPIで長距離ノイズ環境のECU間通信をしたりすると、それぞれ速度不足・信号劣化による通信エラーという致命的な問題を招きます。
| 方式 | 配線数 | 速度 | 多デバイス接続 | ノイズ耐性 |
|---|---|---|---|---|
| I2C | 2線 | 低速（〜400kbps程度） | 得意（アドレス指定） | 低い（シングルエンド） |
| SPI | 4線+SSごと | 高速（数Mbps〜） | 不得意（配線増加） | 低い（シングルエンド） |
| UART | 2線 | 中低速・調歩同期 | 基本1対1 | 低い（シングルエンド） |
| CAN | 2線（差動） | 中速・ID調停 | 得意（バス型） | 高い（差動信号） |
ひっかけ： 「配線数が少ないI2CはSPIより常に優れたインタフェースである」は誤りです——I2Cは低速でシングルエンド信号のためノイズ耐性も低く、高速転送や高ノイズ環境にはSPIやCANの方が適します。また「UARTはバス型で多数デバイスを接続できる」も誤り＝UARTは基本的に1対1の調歩同期通信であり、多数デバイスを1本のバスで束ねるならI2CやCANが適切です。
4.4.4この節のまとめ
- I2Cは2線で多デバイス（アドレス指定）だが低速、SPIは4線+SS別で全二重・高速だが多デバイス接続に不向き
- UARTは2線の調歩同期で基本1対1、CANは差動信号でノイズ耐性が高くID調停で優先度制御
- インタフェース選択は速度・デバイス数・ノイズ耐性の要件から逆算する——配線数の少なさだけで優劣を決めない
進捗の記録にはログインが必要です。
理解度チェック
（軽い確認用）Q1. 基板内に温度・加速度など低速な用途のセンサを12個接続したい。配線数を極力増やさずアドレス指定で各センサを識別したい場合、最も適したインタフェースはどれか。
Q2. ロボットアームの関節間で、配線が長くなり電気的ノイズも多い環境で複数のモータ制御ECUを高信頼にバス接続したい。最も適したインタフェースはどれか。
Q3. 大量の画素データを高フレームレートで転送する必要があるカメラモジュールをMCUに接続したい。最も適したインタフェースはどれか。