STM32单片机外设接口详解：串口、I2C、SPI、ADC，轻松掌握

# 1. STM32外设接口概述**

STM32单片机集成了丰富的片上外设接口，包括串口、I2C、SPI和ADC，这些接口在各种嵌入式系统中广泛应用。本章将对STM32外设接口进行概述，介绍其特点、功能和应用场景。

外设接口是单片机与外部设备通信的桥梁，通过这些接口，单片机可以与传感器、显示器、存储器等外设进行数据交换。STM32外设接口具有以下特点：

- **可配置性强：**STM32外设接口提供了丰富的配置选项，可以根据不同的应用场景进行灵活配置，满足不同的通信需求。
- **高性能：**STM32外设接口支持高速数据传输，可以满足实时性要求较高的应用。
- **易于使用：**STM32外设接口提供了完善的库函数和例程，简化了开发过程，降低了开发难度。

# 2. 串口接口

### 2.1 串口通信原理

串口（UART，Universal Asynchronous Receiver Transmitter）是一种异步串行通信接口，用于在两个设备之间传输数据。它使用一条数据线和一条控制线，数据以位为单位逐个传输。

串口通信的基本原理如下：

* **起始位：**一个低电平信号，表示数据传输的开始。
* **数据位：**传输实际数据的位，通常为 8 位。
* **停止位：**一个或多个高电平信号，表示数据传输的结束。
* **奇偶校验位：**可选的位，用于检测数据传输中的错误。

### 2.2 STM32串口寄存器和配置

STM32单片机提供了多个串口外设，每个串口都有自己的寄存器组。主要寄存器包括：

| 寄存器 | 描述 |
|---|---|
| USART_CR1 | 控制寄存器 1，配置串口模式、波特率、数据位、停止位等 |
| USART_CR2 | 控制寄存器 2，配置中断、硬件流控制等 |
| USART_SR | 状态寄存器，指示串口状态，如发送缓冲区满、接收缓冲区空等 |
| USART_DR | 数据寄存器，用于发送和接收数据 |

串口配置步骤：

1. 使能串口时钟。
2. 配置串口引脚功能。
3. 设置串口参数（波特率、数据位、停止位等）。
4. 使能串口。

### 2.3 串口中断处理

STM32串口支持中断处理，当接收缓冲区有数据或发送缓冲区空时会产生中断。中断处理函数需要：

1. 读取接收缓冲区数据。
2. 写入发送缓冲区数据。
3. 清除中断标志位。

### 2.4 串口通信实例

以下是一个使用 STM32 串口发送和接收数据的示例代码：

#include "stm32f10x.h"

void USART_Init(void) {
  // 使能串口时钟
  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);

  // 配置串口引脚
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
  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);

  // 设置串口参数
  USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
  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_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
  USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);

  // 使能串口
  USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}

void USART_SendData(uint8_t data) {
  // 等待发送缓冲区空
  while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);

  // 写入发送缓冲区
  USART_SendData(USART1, data);
}

uint8_t USART_ReceiveData(void) {
  // 等待接收缓冲区有数据
  while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXNE) == RESET);

  // 读取接收缓冲区数据
  return USART_ReceiveData(USART1);
}

# 3. I2C接口

### 3.1 I2C通信原理

I2C（Inter-Integrated Circuit）总线是一种串行通信协议，用于连接多个集成电路（IC）设备。它是一种双线总线，包括一条数据线（SDA）和一条时钟线（SCL）。

I2C通信采用主从模式，其中一个设备充当主设备，而其他设备充当从设备。主设备启动通信，发送起始信号，并指定从设备的地址。从设备响应主设备的请求，并发送或接收数据。

### 3.2 STM32 I2C寄存器和配置

STM32微控制器具有专用的I2C外设，通过寄存器进行配置和控制。主要寄存器包括：

- **I2C_CR1**：控制寄存器，用于配置I2C模式、时钟频率和中断。
- **I2C_CR2**：控制寄存器，用于配置I2C地址和从设备模式。
- **I2C_SR1**：状态寄存器，指示I2C总线状态和错误。
- **I2C_SR2**：状态寄存器，提供有关从设备地址和传输方向的信息。
- **I2C_DR**：数据寄存器，用于发送和接收数据。

配置I2C外设时，需要设置时钟频率、从设备地址和中断使能。时钟频率通常设置为100 kHz或400 kHz，具体取决于应用要求。

### 3.3 I2C中断处理

STM32 I2C外设支持中断处理，以提高通信效率。中断源包括：

- **TXE**：传输数据寄存器为空，可以发送数据。
- **RXNE**：接收数据寄存器非空，可以接收数据。
- **TC**：传输完成，通信结束。
- **NACKF**：从设备未应答，通信失败。

可以通过配置I2C_CR1寄存器的IER位来使能中断。中断处理程序负责读取I2C_SR1和I2C_SR2寄存器，并根据总线状态采取适当的操作。

### 3.4 I2C通信实例

以下是一个STM32 I2C通信实例，演示如何使用I2C外设与从设备通信：

#include "stm32f10x.h"

// I2C配置结构体
I2C_InitTypeDef I2C_InitStructure;

// 从设备地址
#define SLAVE_ADDRESS 0x50

// 主设备发送数据
void I2C_SendData(uint8_t *data, uint8_t length) {
  // 等待传输数据寄存器为空
  while (!I2C_GetFlagStatus(I2C1, I2C_FLAG_TXE));

  // 发送起始信号
  I2C_GenerateSTART(I2C1, ENABLE);

  // 等待起始信号发送完成
  while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT));

  // 发送从设备地址和写标志
  I2C_Send7bitAddress(I2C1, SLAVE_ADDRESS, I2C_Direction_Transmitter);

  // 等待从设备应答
  while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED));

  // 发送数据
  for (uint8_t i = 0; i < length; i++) {
    // 等待传输数据寄存器为空
    while (!I2C_GetFlagStatus(I2C1, I2C_FLAG_TXE));

    // 发送数据
    I2C_SendData(I2C1, data[i]);
  }

  // 发送停止信号
  I2C_GenerateSTOP(I2C1, ENABLE);
}

// 主设备接收数据
void I2C_ReceiveData(uint8_t *data, uint8_t length) {
  // 等待接收数据寄存器非空
  while (!I2C_GetFlagStatus(I2C1, I2C_FLAG_RXNE));

  // 接收数据
  for (uint8_t i = 0; i < length; i++) {
    // 等待接收数据寄存器非空
    while (!I2C_GetFlagStatus(I2C1, I2C_FLAG_RXNE));

    // 接收数据
    data[i] = I2C_ReceiveData(I2C1);
  }

  // 发送停止信号
  I2C_GenerateSTOP(I2C1, ENABLE);
}

在该实例中，`I2C_SendData()`函数用于发送数据，而`I2C_ReceiveData()`函数用于接收数据。这些函数使用I2C外设的寄存器和中断来管理通信过程。

# 4. SPI接口

### 4.1 SPI通信原理

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外围设备接口）是一种高速、全双工、同步串行通信接口，广泛应用于微控制器与外围设备之间的通信。SPI通信采用主从模式，由一个主设备和一个或多个从设备组成。

SPI通信过程遵循以下步骤：

1. **时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）设置：**主设备通过CPOL和CPHA位配置SPI时钟的极性和相位，以与从设备同步。
2. **数据传输：**主设备和从设备通过MOSI（主输出从输入）和MISO（主输入从输出）线进行全双工数据传输。
3. **片选（CS）信号：**主设备通过CS信号选择要通信的从设备。

### 4.2 STM32 SPI寄存器和配置

STM32微控制器提供了专用的SPI外设，具有以下主要寄存器：

- **SPI_CR1：**控制寄存器，配置数据帧格式、时钟极性、时钟相位等参数。
- **SPI_CR2：**配置寄存器，设置NSS模式、中断使能等参数。
- **SPI_SR：**状态寄存器，指示数据传输状态、中断标志等信息。
- **SPI_DR：**数据寄存器，用于发送和接收数据。

以下代码示例展示了如何配置STM32 SPI外设：

// 初始化SPI外设
SPI_InitTypeDef SPI_InitStruct;
SPI_InitStruct.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_256; // 波特率预分频系数
SPI_InitStruct.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES; // 双线模式
SPI_InitStruct.CLKPhase = SPI_CLKPHASE_1EDGE; // 时钟相位1
SPI_InitStruct.CLKPolarity = SPI_CLKPOLARITY_LOW; // 时钟极性0
SPI_InitStruct.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT; // 数据长度8位
SPI_InitStruct.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB; // MSB优先
SPI_InitStruct.NSS = SPI_NSS_SOFT; // 软件NSS模式
SPI_InitStruct.Mode = SPI_MODE_MASTER; // 主模式
SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStruct);

### 4.3 SPI中断处理

STM32 SPI外设支持中断处理，允许在数据传输完成时触发中断。以下代码示例展示了如何配置SPI中断：

// 配置SPI中断
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct;
NVIC_InitStruct.IRQChannel = SPI1_IRQn; // SPI1中断通道
NVIC_InitStruct.PreemptPriority = 0; // 抢占优先级
NVIC_InitStruct.SubPriority = 0; // 子优先级
NVIC_EnableIRQ(SPI1_IRQn); // 使能SPI1中断

在中断服务函数中，可以通过读取SPI_SR寄存器来检查中断标志，并根据不同的标志执行相应的操作。

### 4.4 SPI通信实例

以下代码示例展示了如何使用STM32 SPI外设与外围设备进行通信：

// 发送数据
uint8_t data = 0x55;
while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET); // 等待发送缓冲区为空
SPI_I2S_SendData(SPI1, data); // 发送数据

// 接收数据
while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET); // 等待接收缓冲区非空
uint8_t receivedData = SPI_I2S_ReceiveData(SPI1); // 接收数据

# 5. ADC接口

### 5.1 ADC转换原理

模数转换器（ADC）是一种将模拟信号（如电压或电流）转换为数字信号的电子器件。在STM32单片机中，ADC外设用于将模拟输入信号转换为数字值，以便微控制器可以处理和分析。

ADC转换过程涉及以下步骤：

1. **采样：**ADC外设对模拟输入信号进行采样，获取其瞬时值。
2. **保持：**采样值被保持在ADC外设内部的保持电容上。
3. **量化：**保持的模拟值被转换为数字值，该数字值表示模拟信号的幅度。
4. **存储：**转换后的数字值被存储在ADC外设的寄存器中。

### 5.2 STM32 ADC寄存器和配置

STM32单片机中的ADC外设由多个寄存器控制和配置。主要寄存器包括：

- **ADCx_CR1：**控制ADC转换模式、触发源、时钟分频等。
- **ADCx_CR2：**控制ADC中断、DMA传输、扫描模式等。
- **ADCx_SMPR1/SMPR2：**控制模拟输入通道的采样时间。
- **ADCx_DR：**存储转换后的数字值。

ADC配置过程涉及以下步骤：

1. **使能ADC时钟：**在RCC寄存器中使能ADC外设时钟。
2. **配置ADC模式：**在ADCx_CR1寄存器中设置ADC转换模式，如单次转换、连续转换或扫描转换。
3. **配置触发源：**在ADCx_CR2寄存器中设置ADC转换触发源，如软件触发、外部触发或定时器触发。
4. **配置采样时间：**在ADCx_SMPR1/SMPR2寄存器中设置模拟输入通道的采样时间。
5. **配置中断：**在ADCx_CR2寄存器中使能ADC中断，并设置中断触发条件。

### 5.3 ADC中断处理

ADC外设提供中断功能，允许微控制器在ADC转换完成后执行特定操作。ADC中断处理过程涉及以下步骤：

1. **配置ADC中断：**在ADCx_CR2寄存器中使能ADC中断，并设置中断触发条件。
2. **编写中断服务程序：**编写一个中断服务程序，在ADC转换完成后执行所需的操作，如读取转换结果、更新显示或触发其他事件。
3. **清除中断标志：**在中断服务程序中清除ADC中断标志，以防止中断再次触发。

### 5.4 ADC转换实例

以下是一个STM32 ADC转换实例，演示如何使用ADC外设将模拟电压转换为数字值：

#include "stm32f10x.h"

int main(void)
{
    // 使能ADC时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);

    // 配置ADC模式
    ADC_InitTypeDef adc_init;
    adc_init.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
    adc_init.ADC_ScanConvMode = DISABLE;
    adc_init.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;
    adc_init.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;
    adc_init.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
    adc_init.ADC_NbrOfChannel = 1;
    ADC_Init(ADC1, &adc_init);

    // 配置ADC通道
    ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);

    // 使能ADC
    ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);

    // ADC校准
    ADC_ResetCalibration(ADC1);
    while (ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));
    ADC_StartCalibration(ADC1);
    while (ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));

    // ADC转换
    ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);
    while (ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET);

    // 读取转换结果
    uint16_t adc_value = ADC_GetConversionValue(ADC1);

    // 处理转换结果

    return 0;
}

**代码逻辑分析：**

1. 使能ADC1时钟，配置ADC模式，包括转换模式、触发源、数据对齐方式等。
2. 配置ADC通道，包括通道号和采样时间。
3. 使能ADC，进行ADC校准。
4. 软件触发ADC转换，等待转换完成。
5. 读取转换结果，并进行处理。

# 6. I2C、SPI、ADC协同工作

在实际应用中，STM32单片机的外设接口往往需要协同工作，以实现更复杂的功能。例如：

- 串口用于与上位机通信，接收指令和发送数据。
- I2C用于连接外部传感器或EEPROM，获取数据或存储数据。
- SPI用于连接外部显示器或SD卡，显示信息或存储数据。
- ADC用于采集模拟信号，如温度、湿度等。

这些外设接口协同工作时，需要考虑以下问题：

- **通信时序：**不同外设接口的通信时序不同，需要协调好通信速率和数据格式。
- **中断处理：**多个外设接口同时工作时，需要设置中断优先级，以保证重要事件及时处理。
- **资源分配：**STM32单片机资源有限，需要合理分配GPIO、DMA和中断资源，以避免冲突。

下面是一个串口、I2C、SPI和ADC协同工作的示例：

// 初始化串口、I2C、SPI和ADC
USART_Init();
I2C_Init();
SPI_Init();
ADC_Init();

// 启用串口中断
NVIC_EnableIRQ(USARTx_IRQn);

// 启用I2C中断
NVIC_EnableIRQ(I2Cx_IRQn);

// 启用SPI中断
NVIC_EnableIRQ(SPIx_IRQn);

// 启用ADC中断
NVIC_EnableIRQ(ADCx_IRQn);

// 主循环
while (1) {
    // 处理串口中断
    if (USARTx_IRQHandler()) {
        // ...
    }

    // 处理I2C中断
    if (I2Cx_IRQHandler()) {
        // ...
    }

    // 处理SPI中断
    if (SPIx_IRQHandler()) {
        // ...
    }

    // 处理ADC中断
    if (ADCx_IRQHandler()) {
        // ...
    }
}

在这个示例中，串口用于与上位机通信，I2C用于连接外部传感器，SPI用于连接外部显示器，ADC用于采集模拟信号。当某个外设接口产生中断时，对应的中断处理函数会被调用，执行相应的操作。

## 6.2 外设接口在实际项目中的应用

STM32单片机的外设接口在实际项目中有着广泛的应用，例如：

- **数据采集：**使用ADC采集模拟信号，如温度、湿度、光照强度等。
- **人机交互：**使用串口与上位机通信，接收指令和显示信息。
- **数据存储：**使用I2C连接外部EEPROM或SD卡，存储数据。
- **设备控制：**使用SPI连接外部显示器或电机驱动器，控制设备。

以下是一些实际项目示例：

- **温湿度监测系统：**使用ADC采集温度和湿度数据，通过串口发送给上位机，上位机负责数据显示和存储。
- **智能家居控制系统：**使用I2C连接外部传感器和执行器，通过串口与上位机通信，实现远程控制和数据采集。
- **数据记录仪：**使用SPI连接外部SD卡，通过串口接收数据并存储在SD卡中。
- **机器人控制系统：**使用SPI连接外部电机驱动器，通过串口接收指令并控制机器人运动。