单片机外部通讯数据传输与校验指南：确保数据安全可靠

# 1. 单片机外部通讯概述

单片机外部通讯是指单片机与外部设备进行数据交换的过程。它在嵌入式系统中至关重要，使单片机能够与传感器、显示器、无线模块等外围设备进行交互。

外部通讯涉及物理层和协议层。物理层定义了数据传输的电气特性，如电压电平、传输速率和连接器类型。协议层定义了数据传输的规则和格式，如数据帧格式、错误校验和流控制。

单片机外部通讯的常见协议包括串口通信、I2C总线通信和SPI总线通信。串口通信使用UART模块，提供简单、低成本的数据传输。I2C总线通信使用两根信号线，支持多主从设备连接。SPI总线通信使用四根信号线，提供高速、全双工的数据传输。

# 2. 单片机外部通讯的物理层与协议

### 2.1 串口通信原理与协议

#### 2.1.1 串口通信的基本概念

串口通信是一种通过串行数据线传输数据的通信方式。它使用一根数据线和一根地线，通过发送和接收数据位来进行通信。串口通信的特点是传输速率低、距离短、成本低。

#### 2.1.2 串口通信协议的种类和特点

串口通信协议有多种，常见的有：

- **异步通信协议：**数据位之间没有同步时钟信号，发送和接收双方依靠起始位和停止位来确定数据位的开始和结束。
- **同步通信协议：**数据位之间有同步时钟信号，发送和接收双方通过时钟信号来同步数据传输。

### 2.2 I2C总线通信原理与协议

#### 2.2.1 I2C总线的基本概念

I2C总线是一种两线式串行通信总线，由飞利浦公司开发。它使用两根数据线，一根为时钟线（SCL），一根为数据线（SDA），通过主从模式进行通信。

#### 2.2.2 I2C总线通信协议的实现

I2C总线通信协议的实现包括：

- **起始条件：**主设备发送一个起始条件，表示通信的开始。
- **设备地址：**主设备发送设备地址，指定要通信的从设备。
- **读/写位：**主设备发送读/写位，表示要执行读操作还是写操作。
- **数据传输：**主设备和从设备之间进行数据传输。
- **停止条件：**主设备发送一个停止条件，表示通信的结束。

### 2.3 SPI总线通信原理与协议

#### 2.3.1 SPI总线的基本概念

SPI总线是一种四线式串行通信总线，由摩托罗拉公司开发。它使用四根数据线，一根为时钟线（SCLK），一根为主设备输出数据线（MOSI），一根为主设备输入数据线（MISO），一根为片选线（SS）。

#### 2.3.2 SPI总线通信协议的实现

SPI总线通信协议的实现包括：

- **片选：**主设备通过片选线选择要通信的从设备。
- **时钟：**主设备发送时钟信号，同步数据传输。
- **数据传输：**主设备和从设备之间进行数据传输。

**代码示例：**

import spidev

# 初始化 SPI 总线
spi = spidev.SpiDev()
spi.open(0, 0)

# 设置 SPI 总线参数
spi.max_speed_hz = 1000000
spi.mode = 0

# 发送数据
data = [0x12, 0x34, 0x56]
spi.writebytes(data)

# 接收数据
data = spi.readbytes(3)

**代码逻辑分析：**

* `spi.open(0, 0)`：打开 SPI 总线，指定总线号为 0，设备号为 0。
* `spi.max_speed_hz = 1000000`：设置 SPI 总线最大传输速率为 1MHz。
* `spi.mode = 0`：设置 SPI 总线模式为 0，即 CPOL=0，CPHA=0。
* `spi.writebytes(data)`：发送数据。
* `spi.readbytes(3)`：接收 3 字节数据。

**表格：SPI 总线模式**

| 模式 | CPOL | CPHA |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 1 |
| 2 | 1 | 0 |
| 3 | 1 | 1 |

**Mermaid 流程图：SPI 总线通信流程**

sequenceDiagram
participant 主设备
participant 从设备
主设备->从设备: 片选
主设备->从设备: 时钟
主设备->从设备: 数据
从设备->主设备: 数据
主设备->从设备: 时钟
主设备->从设备: