目录

基本理论知识：

并行通信/串行通信：

异步通信/同步通信：

半双工通信/全双工通信:

UART串口：

I2C串口：

SPI串口：

I2C在单片机中的应用：

软件模拟：

51单片机：

STM32：

硬件I2C：

软件I2C和硬件I2C的区别：

UART在单片机中的应用：

USB转TTL模块：

协议层：

波特率：

通信的起始信号和停止信号：

有效数据：

数据校验：

 51单片机串口通信：

STM32串口通信：

SPI在单片机中的应用：

硬件电路：

 时序：

 软件模拟SPI：

硬件SPI：

基本理论知识：

1、并行通信/串行通信

2、异步通信/同步通信

3、半双工通信/全双工通信

并行通信/串行通信：

并行通信：传输速度快，一次传输8bit，但是通信成本高，需要8个独立的通道，另外不支持长距离传输。用于打印机和扫描仪等设备，例如DB-25接口。

串行通信：传输速度慢，成本低，支持长距离传输，是计算机通信的主要方式，例如DB-接口。

异步通信/同步通信：

异步通信：用于低速设备，会有更高的误码率。

同步通信：用于高速设备传输，同步传输有同步时钟为节拍进行传输数据。

半双工通信/全双工通信:

单工通信：发送机只能给接收机发送数据，不允许从接收机发送给发送机。

半双工通信：发送机和接收机可以相互读写通信，但不能同时读写。

全双工工信：发送机和接收机可以相互读写通信，且能同时读写。

UART串口：

UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter），具有串行通信、异步通信、全双工通信的特点，两线制(TX, RX)，传输速度慢，点对点的异步通信，一般用于RJ45 Console、打印机等。

UART工作原理:

发送器UART1从发送端数据总线接收到并行数据，将起始位、校验位和停止位添加到数据帧中，打包成数据包；然后将数据包以串行方式发送给接收器UART2；UART2以预配置的波特率对数据进行采样，将数据包还原成数据帧；最后UART2将数据帧串行转并传输给接收端的数据总线。

I2C串口：

I2C(Inter-Integrated Circuit)，具有串行通信、同步通信、半双工通信的特点，两线制(SDA, SCLK)，用于监控、存储和数字信号处理器等。

I2C是两线制(SDA, SCLK)，通过上拉电阻接到电源线，总线空闲时，SDA,SCLK都保持高电平。

I2C的数据传输过程：

Step1： I2C总线空闲时，上拉电阻使SDA, SCLK处于高电平。

Step2：Master发送start后，将SDA由高电平切换成低电平，然后SCLK线也由高电平切换成低电平。

Step3： Master在发送start后，再发送 slave的地址和读/写的命令，其中write是0，read是1，slave收到地址和读写命令后，向master回复ASK。

Step4：Master收到ASK后，再发送特定寄存器的地址，slave收到后回复master ASK。

Step5：Master再次收到ASK后，再像特定的寄存器发送8bit数据，slave收到数据后回复ASK，重复这一动作直至数据发完。

Step6：Master收到stop，SCLK由低电平切换成高电平，随后SDA也从低电平切换成高电平。

SPI串口：

SPI(Serial Peripheral Interface)，具有串行通信、同步通信、全双工通信的特点，四线制(CS, SCLK, MOSI, MISO)，传输速度快，时许同步准确，一般用于存储器、数字信号处理、传感器和语音识别等。

I2C在单片机中的应用：

软件模拟：

51单片机：

/*******************************************************************************
* 函 数 名       : iic_start
* 函数功能		 : 产生IIC起始信号
* 输    入       : 无
* 输    出    	 : 无
*******************************************************************************/
void iic_start(void)
{
	IIC_SDA=1;//如果把该条语句放在SCL后面，第二次读写会出现问题
	delay_10us(1);
	IIC_SCL=1;
	delay_10us(1);
	IIC_SDA=0;	//当SCL为高电平时，SDA由高变为低
	delay_10us(1);
	IIC_SCL=0;//钳住I2C总线，准备发送或接收数据
	delay_10us(1);
}
void iic_start(void)
{
	IIC_SDA=1;//如果把该条语句放在SCL后面，第二次读写会出现问题
	delay_10us(1);
	IIC_SCL=1;
	delay_10us(1);
	IIC_SDA=0;	//当SCL为高电平时，SDA由高变为低
	delay_10us(1);
	IIC_SCL=0;//钳住I2C总线，准备发送或接收数据
	delay_10us(1);
}

/*******************************************************************************
* 函 数 名         : iic_stop
* 函数功能		   : 产生IIC停止信号   
* 输    入         : 无
* 输    出         : 无
*******************************************************************************/
void iic_stop(void)
{	
	IIC_SDA=0;//如果把该条语句放在SCL后面，第二次读写会出现问题
	delay_10us(1);
	IIC_SCL=1;
	delay_10us(1);
	IIC_SDA=1;	//当SCL为高电平时，SDA由低变为高
	delay_10us(1);			
}

/*******************************************************************************
* 函 数 名         : iic_ack
* 函数功能		   : 产生ACK应答  
* 输    入         : 无
* 输    出         : 无
*******************************************************************************/
void iic_ack(void)
{
	IIC_SCL=0;
	IIC_SDA=0;	//SDA为低电平
	delay_10us(1);
   	IIC_SCL=1;
	delay_10us(1);
	IIC_SCL=0;
}

/*******************************************************************************
* 函 数 名         : iic_nack
* 函数功能		   : 产生NACK非应答  
* 输    入         : 无
* 输    出         : 无
*******************************************************************************/
void iic_nack(void)
{
	IIC_SCL=0;
	IIC_SDA=1;	//SDA为高电平
	delay_10us(1);
   	IIC_SCL=1;
	delay_10us(1);
	IIC_SCL=0;	
}

/*******************************************************************************
* 函 数 名         : iic_wait_ack
* 函数功能		   : 等待应答信号到来   
* 输    入         : 无
* 输    出         : 1，接收应答失败
        			 0，接收应答成功
*******************************************************************************/
u8 iic_wait_ack(void)
{
	u8 time_temp=0;
	
	IIC_SCL=1;
	delay_10us(1);
	while(IIC_SDA)	//等待SDA为低电平
	{
		time_temp++;
		if(time_temp>100)//超时则强制结束IIC通信
		{	
			iic_stop();
			return 1;	
		}			
	}
	IIC_SCL=0;
	return 0;	
}
/*******************************************************************************
* 函 数 名         : iic_write_byte
* 函数功能		   : IIC发送一个字节 
* 输    入         : dat：发送一个字节
* 输    出         : 无
*******************************************************************************/
void iic_write_byte(u8 dat)
{                        
    u8 i=0; 
	   	    
    IIC_SCL=0;
    for(i=0;i<8;i++)	//循环8次将一个字节传出，先传高再传低位
    {              
        if((dat&0x80)>0) 
			IIC_SDA=1;
		else
			IIC_SDA=0;
        dat<<=1; 	  
		delay_10us(1);  
		IIC_SCL=1;
		delay_10us(1); 
		IIC_SCL=0;	
		delay_10us(1);
    }	 
}

/*******************************************************************************
* 函 数 名         : iic_read_byte
* 函数功能		   : IIC读一个字节 
* 输    入         : ack=1时，发送ACK，ack=0，发送nACK 
* 输    出         : 应答或非应答
*******************************************************************************/
u8 iic_read_byte(u8 ack)
{
	u8 i=0,receive=0;
   	
    for(i=0;i<8;i++ )	//循环8次将一个字节读出，先读高再传低位
	{
        IIC_SCL=0; 
        delay_10us(1);
		IIC_SCL=1;
        receive<<=1;
        if(IIC_SDA)receive++;   
		delay_10us(1); 
    }					 
    if (!ack)
        iic_nack();
    else
        iic_ack();  
		  
    return receive;
}

STM32：

PA4和PA2分别作为SCL和SDA。

void MyI2C_Init(void)
{
	//开启时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
	
	/*GPIO初始化*/
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4 | GPIO_Pin_2;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);					//将PB10和PB11引脚初始化为开漏输出
	
	/*设置默认电平*/
	GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4 | GPIO_Pin_2);			//设置PB10和PB11引脚初始化后默
}
void MyI2C_W_SCL(uint8_t BitValue)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_4, (BitAction)BitValue);		//根据BitValue，设置SCL引脚的电平
	Delay_us(10);												//延时10us，防止时序频率超过要求
}
void MyI2C_W_SDA(uint8_t BitValue)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_2, (BitAction)BitValue);	
    Delay_us(10);											
}
uint8_t MyI2C_R_SDA(void)
{
	uint8_t BitValue;
	BitValue = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_2);		//读取SDA电平
	Delay_us(10);												//延时10us，防止时序频率超过要求
	return BitValue;											//返回SDA电平
}
void MyI2C_Start(void)
{
	MyI2C_W_SCL(1);
	MyI2C_W_SDA(1);
	MyI2C_W_SDA(0);
	MyI2C_W_SCL(0);
}
void MyI2C_Stop(void)
{
	MyI2C_W_SDA(0);
	MyI2C_W_SCL(1);
	MyI2C_W_SDA(1);
}
void MyI2C_SendByte(uint8_t Byte)
{
	uint8_t i;
	for(i=0;i<8;i++)
	{
		MyI2C_W_SDA(Byte&0x80>>i);
		MyI2C_W_SCL(1);
		MyI2C_W_SCL(0);
	}
}
uint8_t MyI2C_ReceiveByte(void)
{
	uint8_t i,Byte=0x00;
	MyI2C_W_SDA(1);
	for(i=0;i<8;i++)
	{
		MyI2C_W_SCL(1);
		if (MyI2C_R_SDA() == 1){Byte |= (0x80 >> i);}
		MyI2C_W_SCL(0);
	}
	return Byte;
}
void MyI2C_SendAck(uint8_t AckBit)
{
	MyI2C_W_SDA(AckBit);
	MyI2C_W_SCL(1);		
    MyI2C_W_SCL(0);		
}
uint8_t MyI2C_ReceiveAck(void)
{
	uint8_t AckBit;	
	MyI2C_W_SDA(1);
	MyI2C_W_SCL(1);
	AckBit= MyI2C_R_SDA();
	MyI2C_W_SCL(0);
	return AckBit;
}

硬件I2C：

51单片机中没有硬件I2C的功能，只有STM32中有，这里只讲解STM32中的I2C功能。

通信引脚：

数据逻辑控制：

        主接收器：

主接收器接收流程及事件说明如下：

I2C初始化结构体：

typedef struct
 {
    uint32_t I2C_ClockSpeed; /*!< 设置 SCL 时钟频率，此值要低于 400000*/
    uint16_t I2C_Mode; /*!< 指定工作模式，可选 I2C 模式及 SMBUS 模式 */
    uint16_t I2C_DutyCycle; /* 指定时钟占空比，可选 low/high = 2:1 及 16:9 模式*/
    uint16_t I2C_OwnAddress1; /*!< 指定自身的 I2C 设备地址 */
    uint16_t I2C_Ack; /*!< 使能或关闭响应 (一般都要使能) */
    uint16_t I2C_AcknowledgedAddress; /*!< 指定地址的长度，可为 7 位及 10 位 */
 } I2C_InitTypeDef;

 配置完这些结构体成员值，调用库函数 I2C_Init 即可把结构体的配置写入到寄存器中。

        说白了，硬件I2C就是帮我们完成了I2C协议的基本时序，但是如何实现通信，需要我们把他进行组合，不断检测标志位，判断通信到了哪一步，然后我们在调用硬件I2C的函数，一般是清楚标志位、发送开始时序，发送结束时序，发送非应答，接收数据（读取SR）、发送数据（写入SR）生成对应的时序，继续通信。

        这里可以和DMA模块一起复用，通过DMA，可以不断的发送数据，这里可以粗略的讲解一下，我们知道，当I2C硬件完成发送一个数据之后，相应的标志位会被置位，我们在设置相应DMA触发事件，就可以不断的往SR中搬运数据，实现连续发送数据，读取也是一样。

软件I2C和硬件I2C的区别：

1、前者时序的搭建，需要CPU的参与，不断的改变引脚电平，来满足时序的要求。

2、后者不需要CPU的参与，大大节省了CPU的资源。

3、他们的波形也有些许差别。

软件：

硬件：

仔细观察，可以发现，当SCL拉低的那一瞬间之后，软件的SDA没有立即改变，而硬件控制的SDA则迅速反应，这是因为软件完成时序是通过函数改变引脚电平，这段时间会有点延时。 

UART在单片机中的应用：

        在单片机使用的串口通讯中，一般只使用 RXD、TXD 以及 GND 三条信号线，直接传输数据信号。

USB转TTL模块：

这里需要用到CH340USB转TTL模块。

        CH340是一种USB转串口芯片，常用于单片机与计算机之间的串口通信。它的主要作用是将计算机的USB接口转换为串行通信接口，从而实现计算机与单片机之间的数据传输。

        在单片机开发中，通常需要通过串口与计算机进行通信，以实现数据的传输、调试和监控等功能。而现代计算机通常只提供USB接口而不再配备传统的串口接口，因此需要通过USB转串口芯片来连接单片机和计算机。

        CH340芯片具有成本低廉、稳定可靠、兼容性好等优点，因此被广泛应用于单片机开发中。它提供了简单易用的串口通信功能，使得开发者可以轻松实现单片机与计算机之间的数据交换。

协议层：

波特率：

通信的起始信号和停止信号：

有效数据：

        在数据包的起始位之后紧接着的就是要传输的主体数据内容，也称为有效数据，有效数据的长度常被约定为 5、6、7 或 8 位长。

数据校验：

 51单片机串口通信：

串口通信初始化代码可以从STC-ISP中获取：

发送数据：

//串口发送一个字节数据
void UART_SendByte(unsigned char Byte){
	SBUF=Byte;
	//检测是否完成
	while(TI==0);
	TI=0;//TI复位
}

 接收数据：

这里用的是中断4

void uart() interrupt 4 //串口通信中断函数
{
	u8 rec_data;

	RI = 0;			//清除接收中断标志位
	rec_data=SBUF;	//存储接收到的数据
}

STM32串口通信：

TX：发送数据输出引脚。

static void NVIC_Configuration(void)
 {
     NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;        
     /* 嵌套向量中断控制器组选择 */
     NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
     /* 配置 USART 为中断源 */
     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = DEBUG_USART_IRQ;
     /* 抢断优先级为 1 */
     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
     /* 子优先级为 1 */
     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
     /* 使能中断 */
     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
     /* 初始化配置 NVIC */
     NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
 }

void USART_Config(void)
 {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;

    // 打开串口 GPIO 的时钟
    DEBUG_USART_GPIO_APBxClkCmd(DEBUG_USART_GPIO_CLK, ENABLE);

    // 打开串口外设的时钟
    DEBUG_USART_APBxClkCmd(DEBUG_USART_CLK, ENABLE);
    将 USART Tx 的 GPIO 配置为推挽复用模式
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
    // 将 USART Rx 的 GPIO 配置为浮空输入模式
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    GPIO_Init(DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

    // 配置串口的工作参数    
    // 配置波特率
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = DEBUG_USART_BAUDRATE;
    // 配置 针数据字长
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
    // 配置停止位    
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
    // 配置校验位USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No ;
    // 配置硬件流控制
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl =
    USART_HardwareFlowControl_None;
    // 配置工作模式，收发一起
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
    // 完成串口的初始化配置
    USART_Init(DEBUG_USARTx, &USART_InitStructure);

    // 串口中断优先级配置
    NVIC_Configuration();    
    // 使能串口接收中断
    USART_ITConfig(DEBUG_USARTx, USART_IT_RXNE, ENABLE);
    // 使能串口
    USART_Cmd(DEBUG_USARTx, ENABLE);
 }

/**
  * 函    数：串口发送一个字节
  * 参    数：Byte 要发送的一个字节
  * 返 回 值：无
  */
void Serial_SendByte(uint8_t Byte)
{
	USART_SendData(USART1, Byte);		//将字节数据写入数据寄存器，写入后USART自动生成时序波形
	while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);	//等待发送完成
	/*下次写入数据寄存器会自动清除发送完成标志位，故此循环后，无需清除标志位*/
}

/**
  * 函    数：USART1中断函数
  * 参    数：无
  * 返 回 值：无
  * 注意事项：此函数为中断函数，无需调用，中断触发后自动执行
  *           函数名为预留的指定名称，可以从启动文件复制
  *           请确保函数名正确，不能有任何差异，否则中断函数将不能进入
  */
void USART1_IRQHandler(void)
{
	if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) == SET)		//判断是否是USART1的接收事件触发的中断
	{
		Serial_RxData = USART_ReceiveData(USART1);				//读取数据寄存器，存放在接收的数据变量
		Serial_RxFlag = 1;										//置接收标志位变量为1
		USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE);			//清除USART1的RXNE标志位
																//读取数据寄存器会自动清除此标志位
																//如果已经读取了数据寄存器，也可以不执行此代码
	}
}

 时序：

 软件模拟SPI：

这里由于还是通过CPU直接控制GPIO引脚来模拟时序，对于51和32，思路都是一样，我这里就只列举STM32中软件模拟。

/**
  * 函    数：SPI写SS引脚电平
  * 参    数：BitValue 协议层传入的当前需要写入SS的电平，范围0~1
  * 返 回 值：无
  * 注意事项：此函数需要用户实现内容，当BitValue为0时，需要置SS为低电平，当BitValue为1时，需要置SS为高电平
  */
void MySPI_W_SS(uint8_t BitValue)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_4, (BitAction)BitValue);		//根据BitValue，设置SS引脚的电平
}

/**
  * 函    数：SPI写SCK引脚电平
  * 参    数：BitValue 协议层传入的当前需要写入SCK的电平，范围0~1
  * 返 回 值：无
  * 注意事项：此函数需要用户实现内容，当BitValue为0时，需要置SCK为低电平，当BitValue为1时，需要置SCK为高电平
  */
void MySPI_W_SCK(uint8_t BitValue)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_5, (BitAction)BitValue);		//根据BitValue，设置SCK引脚的电平
}

/**
  * 函    数：SPI写MOSI引脚电平
  * 参    数：BitValue 协议层传入的当前需要写入MOSI的电平，范围0~0xFF
  * 返 回 值：无
  * 注意事项：此函数需要用户实现内容，当BitValue为0时，需要置MOSI为低电平，当BitValue非0时，需要置MOSI为高电平
  */
void MySPI_W_MOSI(uint8_t BitValue)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_7, (BitAction)BitValue);		//根据BitValue，设置MOSI引脚的电平，BitValue要实现非0即1的特