【单片机基础】通信接口（UART, SPI, I2C等）的工作方式

单片机（Microcontroller Unit, MCU）中的通信接口用于与外部设备进行数据交换。常见的通信接口包括UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）、SPI（Serial Peripheral Interface）和I2C（Inter-Integrated Circuit）。每种接口都有其独特的工作方式和应用场景。以下是这些通信接口的详细介绍：

1. UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）

1.1 工作原理

• 异步通信：不使用同步时钟信号，通过起始位和停止位来同步数据传输。
• 波特率：传输速率，单位为bps（bits per second）。
• 数据格式：通常为1个起始位（低电平）、8个数据位、1个校验位（可选）和1个停止位（高电平）。

1.2 引脚

• TX：发送数据引脚。
• RX：接收数据引脚。

1.3 应用场景

• 串行通信：如电脑与单片机通信、传感器数据传输等。

1.4 示例代码（C语言，假设使用STM32单片机）

#include "stm32f10x.h"

void UART1_Config(void) {
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

    // 使能USART1和GPIOA的时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    // 配置USART1的TX和RX引脚
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9 | GPIO_Pin_10;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    // 配置USART1
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);

    // 使能USART1
    USART_Cmd(USART1, ENABLE);

    // 使能USART1中断
    USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);

    // 配置NVIC
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}

void USART1_IRQHandler(void) {
    if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET) {
        // 读取接收到的数据
        uint8_t received_data = USART_ReceiveData(USART1);
        // 处理接收到的数据
        // 例如：回传接收到的数据
        USART_SendData(USART1, received_data);
        while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
    }
}

int main(void) {
    UART1_Config();
    while (1) {
        // 主程序循环
    }
}

2. SPI（Serial Peripheral Interface）

2.1 工作原理

• 同步通信：使用同步时钟信号（SCLK）来同步数据传输。
• 主从模式：一个主设备（Master）控制多个从设备（Slave）。
• 数据格式：通常为8位或16位数据帧。

2.2 引脚

• MISO：Master In Slave Out，从设备到主设备的数据线。
• MOSI：Master Out Slave In，主设备到从设备的数据线。
• SCLK：串行时钟线。
• SS：从设备选择线（Slave Select），低电平有效。

2.3 应用场景

• 高速通信：如存储器读写、传感器数据传输等。

2.4 示例代码（C语言，假设使用STM32单片机）

#include "stm32f10x.h"

void SPI1_Config(void) {
    SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

    // 使能SPI1和GPIOA的时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    // 配置SPI1的引脚
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    // 配置SPI1的NSS引脚
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    // 配置SPI1
    SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;
    SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;
    SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;
    SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low;
    SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge;
    SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;
    SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_16;
    SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;
    SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;
    SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure);

    // 使能SPI1
    SPI_Cmd(SPI1, ENABLE);
}

uint8_t SPI1_ReadWrite(uint8_t data) {
    // 选择从设备
    GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_4, Bit_RESET);
    // 发送数据
    SPI_I2S_SendData(SPI1, data);
    // 等待传输完成
    while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET);
    // 等待接收数据
    while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET);
    // 读取接收的数据
    uint8_t received_data = SPI_I2S_ReceiveData(SPI1);
    // 取消选择从设备
    GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_4, Bit_SET);
    return received_data;
}

int main(void) {
    SPI1_Config();
    while (1) {
        // 主程序循环
        uint8_t data = 0xAA;
        uint8_t received_data = SPI1_ReadWrite(data);
        // 处理接收到的数据
    }
}

3. I2C（Inter-Integrated Circuit）

3.1 工作原理

• 同步通信：使用同步时钟信号（SCL）和数据信号（SDA）来同步数据传输。
• 主从模式：一个主设备（Master）控制多个从设备（Slave）。
• 数据格式：通常为8位数据帧，支持多字节传输。

3.2 引脚

• SCL：串行时钟线。
• SDA：串行数据线。

3.3 应用场景

• 低速通信：如传感器读写、EEPROM读写等。

3.4 示例代码（C语言，假设使用STM32单片机）

#include "stm32f10x.h"

void I2C1_Config(void) {
    I2C_InitTypeDef I2C_InitStructure;
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

    // 使能I2C1和GPIOB的时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_I2C1, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);

    // 配置I2C1的SCL和SDA引脚
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_OD;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

    // 配置I2C1
    I2C_InitStructure.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C;
    I2C_InitStructure.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2;
    I2C_InitStructure.I2C_OwnAddress1 = 0x30;
    I2C_InitStructure.I2C_Ack = I2C_Ack_Enable;
    I2C_InitStructure.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit;
    I2C_InitStructure.I2C_ClockSpeed = 100000;
    I2C_Init(I2C1, &I2C_InitStructure);

    // 使能I2C1
    I2C_Cmd(I2C1, ENABLE);
}

void I2C1_Write(uint8_t slave_address, uint8_t register_address, uint8_t data) {
    // 发送起始信号
    I2C_GenerateSTART(I2C1, ENABLE);
    // 等待起始信号完成
    while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT));
    // 发送从设备地址（写模式）
    I2C_Send7bitAddress(I2C1, slave_address, I2C_Direction_Transmitter);
    // 等待地址被应答
    while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED));
    // 发送寄存器地址
    I2C_SendData(I2C1, register_address);
    // 等待数据被应答
    while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED));
    // 发送数据
    I2C_SendData(I2C1, data);
    // 等待数据被应答
    while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED));
    // 发送停止信号
    I2C_GenerateSTOP(I2C1, ENABLE);
}

uint8_t I2C1_Read(uint8_t slave_address, uint8_t register_address) {
    uint8_t data;
    // 发送起始信号
    I2C_GenerateSTART(I2C1, ENABLE);
    // 等待起始信号完成
    while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT));
    // 发送从设备地址（写模式）
    I2C_Send7bitAddress(I2C1, slave_address, I2C_Direction_Transmitter);
    // 等待地址被应答
    while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED));
    // 发送寄存器地址
    I2C_SendData(I2C1, register_address);
    // 等待数据被应答
    while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED));
    // 发送起始信号
    I2C_GenerateSTART(I2C1, ENABLE);
    // 等待起始信号完成
    while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT));
    // 发送从设备地址（读模式）
    I2C_Send7bitAddress(I2C1, slave_address, I2C_Direction_Receiver);
    // 等待地址被应答
    while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_RECEIVER_MODE_SELECTED));
    // 使能应答
    I2C_AcknowledgeConfig(I2C1, ENABLE);
    // 等待数据接收
    while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_RECEIVED));
    // 读取数据
    data = I2C_ReceiveData(I2C1);
    // 发送停止信号
    I2C_GenerateSTOP(I2C1, ENABLE);
    return data;
}

int main(void) {
    I2C1_Config();
    while (1) {
        // 主程序循环
        uint8_t data = 0xAA;
        I2C1_Write(0x50, 0x00, data);
        uint8_t received_data = I2C1_Read(0x50, 0x00);
        // 处理接收到的数据
    }
}

总结

UART、SPI和I2C是单片机中常用的通信接口，每种接口都有其独特的工作方式和应用场景。通过合理配置和使用这些通信接口，可以实现与外部设备的高效数据交换。

原文地址：https://blog.csdn.net/weixin_42300449/article/details/143835682

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