STM32F4 SPI_I2C通信协议详解：库函数实现高效数据传输


参考资源链接：[STM32F4开发指南-库函数版本_V1.1.pdf](https://wenku.csdn.net/doc/6460ce9e5928463033afb568?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. STM32F4微控制器概述

## STM32F4系列微控制器简介
STM32F4系列是STMicroelectronics（意法半导体）生产的一系列高性能Cortex-M4微控制器。这些微控制器以其高性能、低功耗、丰富的外设和广泛的生态系统支持，在工业控制、汽车电子、消费类电子产品等领域被广泛应用。特别适合于需要实时处理、数字信号控制和复杂算法执行的应用。

## 核心特性分析
STM32F4系列微控制器的核心特性包括：
- Cortex-M4核心，具备浮点单元（FPU），执行频率高达180MHz。
- 高级存储器保护单元（MPU），增强系统稳定性和安全性。
- 动态电压调整（DVS），在保持性能的同时，减少功耗。

## 应用领域与场景
STM32F4微控制器广泛应用于：
- 工业自动化和控制：作为嵌入式系统的处理核心，用于机器控制、传感器数据采集等。
- 医疗设备：用于便携式医疗设备的数据处理和通信。
- 智能家居和安全系统：实现高效的通信和数据处理。

接下来，我们将深入探讨STM32F4的内部结构，包括其存储器和外设，以便更好地理解如何为具体应用开发合适的解决方案。

# 2. SPI和I2C通信协议基础

### 2.1 SPI通信协议详解

#### 2.1.1 SPI通信原理与特点

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是一种高速的，全双工，同步的通信总线。它主要用于微控制器和各种外围设备之间的通信，比如：EEPROM，Flash，实时时钟，AD转换器，和数字信号处理器等。SPI通信协议的特点如下：

- **全双工通信**：在通信过程中，数据可以同时进行双向传输，也就是同时进行数据的发送和接收。
- **同步通信**：SPI协议是一个同步协议，这意味着数据在传输的时候需要一个同步时钟信号（SCLK）。
- **主从模式**：SPI通信协议中，有一个主设备和多个从设备。主设备产生时钟信号并控制通信，从设备根据主设备的时钟信号进行数据交换。

#### 2.1.2 SPI硬件连接与配置

SPI接口使用4条线进行数据传输：

- **SCLK（Serial Clock）**：时钟信号线，由主设备提供。
- **MOSI（Master Out Slave In）**：主设备发送数据，从设备接收数据。
- **MISO（Master In Slave Out）**：从设备发送数据，主设备接收数据。
- **SS（Slave Select）**：片选线，由主设备控制，用于选择当前通信的从设备。

在实际的硬件连接时，需要将主设备的MISO连接到从设备的MISO，主设备的MOSI连接到从设备的MOSI。所有从设备的SS都需要连接到主设备的相应GPIO口。

SPI配置主要包括设置主从模式、时钟极性和相位、波特率等。在配置时，需要考虑所有连接设备的参数一致，以确保通信正常。

#### 2.1.3 SPI数据帧格式与时序分析

SPI支持多种数据帧格式，关键在于时钟极性和相位的配置，通常分为四种模式：

- **Mode 0**：CPOL=0, CPHA=0
- **Mode 1**：CPOL=0, CPHA=1
- **Mode 2**：CPOL=1, CPHA=0
- **Mode 3**：CPOL=1, CPHA=1

- **CPOL (Clock Polarity)**：定义了时钟信号的空闲状态电平。
- **CPHA (Clock Phase)**：定义了数据采样和数据变化的边沿。

下图展示了Mode 0模式下的时序图，其他模式类似，仅时钟信号的电平和边沿不同。

graph TD;
    A[CPOL=0 CPHA=0] -->|Idle Low| B[Idle State]
    B -->|SCLK Edge 1| C[Data Capture]
    C -->|SCLK Edge 2| D[Data Change]
    D --> B

在时钟信号的上升沿（CPHA=0）或下降沿（CPHA=1）数据从MOSI发送，并在相对应的沿从MISO捕获。

### 2.2 I2C通信协议详解

#### 2.2.1 I2C通信原理与特点

I2C（Inter-Integrated Circuit，内部集成电路总线）是由Philips公司开发的一种串行通信总线，广泛用于连接微控制器和各种外围设备。I2C通信协议具有以下特点：

- **多主设备和多从设备**：理论上一个I2C总线上可以存在多个主设备和多个从设备。
- **双线接口**：数据线（SDA）和时钟线（SCL）。
- **地址识别**：每个从设备都有一个唯一的地址，主设备通过发送地址来选择与哪个从设备通信。
- **串行数据传输**：数据以位为单位在SDA线上串行传输。
- **支持广播**：主设备可以向所有从设备广播信息。

#### 2.2.2 I2C硬件连接与配置

I2C使用两条线，一条是数据线（SDA），另一条是时钟线（SCL）。所有连接在I2C总线上的设备的SDA和SCL线都需要通过上拉电阻连接到正电源。

I2C的配置包括设置设备的地址、数据速率等。需要注意的是，I2C总线上的设备地址不能冲突，每个设备都应该有一个唯一的地址。

#### 2.2.3 I2C寻址模式与通信流程

I2C有7位和10位两种寻址模式，7位寻址模式下从设备地址由7位组成，10位寻址模式则用10位表示。通信流程一般如下：

1. **启动条件**：主设备拉低SCL线的同时将SDA线由高电平拉低。
2. **发送地址**：主设备发送从设备地址，跟随着读写位（0表示写，1表示读）。
3. **应答**：从设备接收到地址后，如果地址匹配，则拉低SDA线作为应答信号。
4. **数据传输**：主设备根据应答信号决定是写入数据还是读取数据。
5. **停止条件**：数据传输完成后，主设备发出停止条件，拉高SDA线的同时将SCL线拉低，然后释放总线。

### 小结

本章从基础入手，对SPI和I2C这两种广泛应用于嵌入式系统中的通信协议进行了深入的探讨。我们了解了它们的工作原理、特点、硬件连接与配置以及数据传输的基本流程。接下来的章节，我们将深入到具体的编程实现，探讨如何在STM32F4微控制器上利用库函数实现这两种通信协议。

# 3. STM32F4库函数开发环境搭建

## 3.1 硬件环境准备

### 3.1.1 STM32F4开发板介绍

STM32F4系列微控制器是STMicroelectronics推出的基于ARM Cortex-M4内核的高性能MCU产品线。拥有丰富的外设，包括多种通信接口、高性能ADC/DAC、多通道定时器、先进的加密功能等。这一系列器件的运行频率高达180MHz，提供不同大小的存储空间和封装形式，适用于广泛的工业控制、医疗设备、消费电子等应用场景。

在选择STM32F4开发板时，需要考虑以下几点：

- 核心处理能力：根据项目需求选择适当的型号，如STM32F407、STM32F429等，以确保有足够的处理能力和内存容量。
- 外设需求：确定开发板是否具有所需数量和类型的外设接口，例如USB、以太网、CAN、SPI、I2C、ADC、DAC等。
- 扩展性和接口：选择带有标准引脚接口和外设扩展接口的开发板，便于后期进行原型设计和功能扩展。
- 开发工具支持：确保开发板受到主流集成开发环境(IDE)的支持，如Keil MDK、IAR、STM32CubeIDE等。

### 3.1.2 环境搭建所需软件工具

要顺利进行STM32F4的开发，除了硬件开发板之外，还需要一系列的软件工具和环境配置。以下是搭建开发环境所需的基础软件工具：

- **IDE**: 集成开发环境是开发过程中不可或缺的一部分。STM32F4系列支持多种IDE，其中最常用的是Keil MDK、IAR Embedded Workbench以及ST官方推出的STM32CubeIDE。
- **编译器**: IDE中通常会包含编译器，常见的有ARM编译器、GCC编译器等。建议使用与IDE兼容的编译器以保证最佳的集成效果。
- **STM32CubeMX**: 这是ST官方提供的图形化工具，用于配置微控制器的各种外设参数，并生成初始化代码。可以有效减少配置错误和提高开发效率。
- **调试器/烧写工具**: 用于程序的调试和烧写。对于STM32F4系列，ST LINK是最常用的调试器和烧写工具。同时，一些开发板也提供了USB转串口等工具用于调试。

具体安装和配置步骤如下：