陳憲億 Joseph Chen | Software Engineer & AI Developer

「在 SCT 工作時，第一次用 Python 控制硬體設備，才發現程式碼和硬體之間需要一種「共同語言」——通訊協定。不需要懂電路，只要知道資料是如何被打包和傳送的，就能寫出穩定的通訊程式。」

UART 和 I2C 是嵌入式系統最基礎的兩種通訊協定。這篇從軟體工程師的視角切入，不講電氣規格，而是聚焦在「如何用 Python 與硬體溝通」、「兩種協定的使用場景差異」、以及「實際工作中最常遇到的排查問題」。

1. 為什麼軟體工程師要懂通訊協定

隨著 Raspberry Pi 和 Arduino 普及，軟體工程師越來越常需要寫程式控制硬體。了解通訊協定的基礎概念，讓你能夠快速排查問題、選對工具。

Raspberry Pi 控制感測器

溫濕度、距離、加速度感測器大多透過 UART 或 I2C 介面連接， Python 幾行程式就能讀取數據。

測試儀器 UART Console

嵌入式設備的 debug console 幾乎都走 UART，透過 pyserial 可以自動化擷取設備 log 與發送指令。

I2C 多感測器整合

一條 I2C bus 可同時連接多個感測器，用地址區分，特別適合 IoT 設備中需要整合多種感測器的場景。

2. UART — 點對點非同步通訊

一句話理解 UART

「兩條線，Tx 發、Rx 收，點對點非同步通訊。雙方不需要共用時鐘，但必須事先約定好相同的 Baud rate。」

參數	常用值	說明
Baud rate	9600 / 115200 bps	每秒傳輸的符號數，雙方必須一致，否則資料亂碼
Data bits	8 bits（幾乎固定）	每次傳輸的資料位元數
Stop bits	1 bit	標記每個資料框的結束，常見值為 1 或 2
Parity	None（最常見）	奇偶校驗，用於基礎錯誤檢測，多數場景設 None
Flow control	None / RTS-CTS	流量控制，簡單場景不需要

連接方式：交叉接線（Cross-connection）

Device A[Tx] ──────────────→ [Rx]Device B

Device A[Rx] ←────────────── [Tx]Device B

Device A[GND] ─────────────── [GND]Device B

⚠ Tx 接 Rx，不能 Tx 接 Tx（常見接錯）

Python 的 pyserial 套件封裝了 UART 操作，安裝後幾行程式碼就能與設備通訊：

pyserial 基本使用

import serial
import time

# 開啟串口
# Windows: 'COM3'、Linux/Mac: '/dev/ttyUSB0' 或 '/dev/ttyAMA0'
ser = serial.Serial(
    port='/dev/ttyUSB0',
    baudrate=115200,
    bytesize=serial.EIGHTBITS,
    parity=serial.PARITY_NONE,
    stopbits=serial.STOPBITS_ONE,
    timeout=1          # 讀取逾時（秒），None = 永久等待
)

# 傳送資料（bytes，記得加 \n 結尾）
ser.write(b'HELLO\n')

# 讀取一行回應
response = ser.readline().decode('utf-8').strip()
print(f'Device replied: {response}')

# 讀取固定長度的資料
raw_bytes = ser.read(10)

# 清空緩衝區
ser.flushInput()

# 完成後關閉
ser.close()

UART 最常見的問題

• Baud rate 不一致：資料亂碼（出現奇怪字元）的第一個排查點，確認雙方設定完全相同。

• Tx 接 Tx（接錯線）：完全收不到資料，記住要交叉接——A 的 Tx 接 B 的 Rx。

• 權限問題（Linux）：Permission denied: '/dev/ttyUSB0'，執行 sudo usermod -aG dialout $USER 後重新登入。

• 找不到設備：執行 ls /dev/tty*，USB 轉 UART 通常是 /dev/ttyUSB0，板載是 /dev/ttyAMA0。

3. I2C — 一主多從匯流排

一句話理解 I2C

「兩條線（SDA 資料 + SCL 時鐘），一個主設備（Master）可以連接最多 127 個從設備（Slave），用 7-bit 地址區分每個設備。」

I2C 匯流排拓撲

Master (Raspberry Pi)

SDA ────────┬────────────┬────────────┐

SCL ────────┼────────────┼────────────┤

│

Slave

0x3C

OLED

│

Slave

0x48

ADC

│

Slave

0x68

MPU6050

I2C 地址	設備	用途
0x3C / 0x3D	SSD1306 OLED 顯示器	小型顯示模組，0x3C 最常見
0x48	ADS1115 ADC	類比轉數位，讀取類比感測器
0x68 / 0x69	MPU-6050 / MPU-6500	六軸陀螺儀 + 加速度計
0x76 / 0x77	BME280	溫度 + 濕度 + 氣壓三合一感測器
0x27 / 0x3F	PCF8574 LCD 背包	I2C 轉 LCD 1602 介面

Python 的 smbus2 套件封裝了 I2C 操作，透過地址與暫存器編號讀寫設備：

smbus2 基本使用

import smbus2

# 開啟 I2C bus（Raspberry Pi 通常是 bus 1）
# /dev/i2c-1 對應 bus=1
bus = smbus2.SMBus(1)

address = 0x48   # ADS1115 的 I2C 地址

# 讀取單一 byte（從指定暫存器）
data = bus.read_byte_data(address, 0x00)
print(f'Register 0x00: {data:#04x}')

# 讀取 2 bytes（word，大多數感測器用 16-bit 資料）
word = bus.read_word_data(address, 0x00)

# 讀取多個 bytes（block read）
block = bus.read_i2c_block_data(address, 0x00, 6)  # 讀 6 bytes

# 寫入 byte 到暫存器
bus.write_byte_data(address, 0x01, 0xFF)

# 寫入 word（2 bytes）
bus.write_word_data(address, 0x01, 0x8385)

# 完成後關閉
bus.close()

掃描所有 I2C 設備：i2cdetect

在 Raspberry Pi 上可以用指令掃描 bus 上所有設備的地址：

$ i2cdetect -y 1

輸出會顯示一個地址表，有設備的格子會顯示 hex 地址（如 3c），空的格子顯示 --。

如果沒有安裝：sudo apt install i2c-tools

4. UART vs I2C 比較

兩種協定都是兩條線，但設計目的完全不同：UART 是簡單的點對點串列通訊，I2C 是可以連接多個設備的匯流排通訊。

面向	UART	I2C
線數	2 條（Tx / Rx）	2 條（SDA / SCL）
通訊模式	非同步（Asynchronous）	同步（Synchronous，有時鐘線）
設備數量	點對點（1 對 1）	1 Master 最多 127 個 Slave
速度	最高 ~1 Mbps（常用 115200 bps）	100 Kbps（Standard）/ 400 Kbps（Fast）/ 1 Mbps（Fast+）
定址	不需要（直接通訊）	7-bit 地址區分設備
適用場景	GPS 模組、藍牙模組、系統 debug console	溫濕度感測器、EEPROM、顯示器、IMU
Python 套件	pyserial	smbus2

5. 軟體工程師最常遇到的問題

以下是實際工作中最常遇到的坑，每一個都可能讓你卡一個小時，但解法其實很簡單。

找不到設備 / 無法開啟串口

• UART：執行 ls /dev/tty* 確認設備檔案是否存在。USB 轉 UART 晶片通常是 /dev/ttyUSB0，Raspberry Pi 板載 UART 是 /dev/ttyAMA0（或 /dev/serial0）。

• I2C：執行 i2cdetect -y 1 掃描 bus，確認設備地址顯示在輸出表格中。如果什麼都沒有，先檢查接線是否正確（特別是 SDA / SCL 有沒有接反）。

• 也可以用 dmesg | grep tty 或 dmesg | grep i2c 查看 kernel 識別設備的日誌。

Linux 權限問題

• UART 權限：Permission denied: '/dev/ttyUSB0'，需要把用戶加入 dialout 群組：

$ sudo usermod -aG dialout $USER

執行後需要登出再重新登入才生效。如果急著測試，可以用 sudo 暫時執行。

• I2C 權限：同樣的方式，加入 i2c 群組：sudo usermod -aG i2c $USER

資料亂碼（UART 特有）

• 症狀：readline() 回傳奇怪的字元或亂碼。

• 第一步：確認雙方的 Baud rate 設定完全相同。115200 和 9600 都是常見值，兩邊任何一邊設錯都會亂碼。

• 第二步：確認 Data bits（8）、Stop bits（1）、Parity（None）設定一致。

• 第三步：確認接線是交叉接（A 的 Tx 接 B 的 Rx），不是平行接。

6. 面試常考題 Q&A

嵌入式或系統相關職位常問的通訊協定問題，附上軟體工程師視角的完整答案。

UART 和 I2C 的主要差異？

UART 是點對點的非同步通訊，不需要時鐘線，雙方約定相同的 Baud rate 後各自用內部時鐘計時，適合一對一的簡單通訊（GPS、藍牙模組）。I2C 是同步的多從設備匯流排，有一條共用時鐘線（SCL）讓所有設備同步，用 7-bit 地址區分設備，一條 bus 最多可連 127 個從設備，適合連接多種感測器（溫濕度、IMU、OLED）的場景。

I2C 如何區分連接在同一條 bus 上的多個設備？

每個 I2C 設備出廠時都有一個固定的 7-bit 地址（0x00–0x7F），Master 發起通訊時會先傳送目標 Slave 的地址，只有地址匹配的 Slave 才會回應，其他設備忽略。部分設備（如 BME280 可以是 0x76 或 0x77）提供地址選擇引腳，讓同型號的兩個設備可以共存在同一條 bus 上。

如何用 Python 讀取 UART 設備的資料？

用 pyserial 套件：先 import serial，然後用 serial.Serial() 建立連線，傳入 port（如 "/dev/ttyUSB0"）、baudrate（如 115200）、timeout 等參數；用 ser.write(b"command\n") 發送指令；用 ser.readline() 讀取一行回應並 decode("utf-8") 轉成字串；完成後呼叫 ser.close()。要注意發送的資料必須是 bytes（用 b"" 前綴），讀回來的也是 bytes，需要 decode 才能當字串處理。

EP.02 — Shell Script 自動化

Bash 語法、變數、迴圈、實用腳本範例

EP.04 — Coming Soon

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EP.03

UART & I2C嵌入式硬體溝通基礎原理

1. 為什麼軟體工程師要懂通訊協定

2. UART — 點對點非同步通訊

3. I2C — 一主多從匯流排

4. UART vs I2C 比較

5. 軟體工程師最常遇到的問題

6. 面試常考題 Q&A

UART & I2C
嵌入式硬體溝通基礎原理