串口、I2C、SPI：单片机应用程序通信接口设计详解

# 1. 通信接口基础**

通信接口是单片机与外部设备进行数据交换的桥梁。单片机常见的通信接口主要有串口、I2C和SPI。

这些接口各有其特点：串口适合远距离、点对点通信；I2C适合近距离、多设备通信；SPI适合高速、同步通信。

选择合适的通信接口对于系统设计至关重要，需要考虑通信距离、设备数量、数据速率和功耗等因素。

# 2. 串口通信**

**2.1 串口原理与协议**

串口通信是一种异步串行通信方式，数据以位为单位逐个发送和接收。串口通信涉及两个设备：发送设备和接收设备。发送设备将数据转换为串行比特流，通过串口线发送给接收设备。接收设备接收串行比特流，并将其还原为原始数据。

串口通信协议定义了数据传输的规则，包括比特率、数据位、停止位和校验位。比特率是指每秒传输的比特数，数据位是指每个字符包含的数据位数，停止位是指传输结束时发送的停止位数，校验位用于检测传输过程中的错误。

**2.2 串口硬件接口设计**

串口硬件接口包括发送器、接收器、控制寄存器和数据缓冲区。发送器负责将数据转换为串行比特流，并通过串口线发送。接收器负责接收串行比特流，并将其还原为原始数据。控制寄存器用于配置串口参数，如比特率、数据位和停止位。数据缓冲区用于存储待发送或已接收的数据。

**2.3 串口软件驱动开发**

串口软件驱动负责管理串口硬件，实现数据的收发。串口软件驱动通常包括中断处理和数据收发两个部分。

**2.3.1 中断处理**

串口中断处理程序负责处理串口中断，如接收数据中断和发送数据中断。接收数据中断处理程序将接收到的数据从串口硬件中读取出来，并存储在数据缓冲区中。发送数据中断处理程序将数据缓冲区中的数据发送到串口硬件，并通过串口线发送出去。

**2.3.2 数据收发**

串口数据收发函数负责实现数据的收发操作。数据发送函数将数据写入数据缓冲区，并触发发送数据中断。数据接收函数从数据缓冲区中读取数据，并将其返回给调用者。

**代码块 1：串口数据发送函数**

void uart_send_data(uint8_t *data, uint16_t len)
{
    // 将数据写入数据缓冲区
    for (uint16_t i = 0; i < len; i++) {
        uart_buffer[uart_write_index++] = data[i];
    }

    // 触发发送数据中断
    uart_interrupt_flag |= UART_TX_INT;
}

**逻辑分析：**

该函数将数据写入数据缓冲区，并触发发送数据中断。数据缓冲区是一个环形缓冲区，uart_write_index 指向缓冲区的写入位置。当缓冲区已满时，uart_write_index 会自动回绕到缓冲区的开头。

**参数说明：**

* data：待发送的数据指针
* len：待发送的数据长度

**代码块 2：串口数据接收函数**

uint8_t uart_receive_data(void)
{
    // 从数据缓冲区中读取数据
    uint8_t data = uart_buffer[uart_read_index++];

    // 更新读取位置
    uart_read_index %= UART_BUFFER_SIZE;

    return data;
}

**逻辑分析：**

该函数从数据缓冲区中读取数据，并返回给调用者。数据缓冲区是一个环形缓冲区，uart_read_index 指向缓冲区的读取位置。当缓冲区已空时，uart_read_index 会自动回绕到缓冲区的开头。

**参数说明：**

* 无

# 3. I2C通信**

### 3.1 I2C原理与协议

I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种串行通信总线，广泛应用于单片机与外围器件之间的数据传输。其特点是简单、低成本、双向半双工通信。

I2C总线采用主从模式，由一个主设备和多个从设备组成。主设备负责发起通信，从设备负责响应主设备的请求。通信过程遵循以下协议：

- 起始条件：主设备发送一个起始条件，表示通信开始。
- 从设备地址：主设备发送从设备地址，指定要通信的从设