【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USART1USART_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USART1USART_Cmd(USART1, ENABLE);// 使能USART1中断USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);// 配置NVICNVIC_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SPI1SPI_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SPI1SPI_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I2C1I2C_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I2C1I2C_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}
}