AVR单片机外设接口详解：串口、I2C、SPI，玩转外设交互

# 1. AVR单片机外设接口概述

AVR单片机外设接口是连接单片机与外部设备的桥梁，负责数据的输入输出和控制。常见的AVR外设接口包括串口、I2C和SPI。

串口是一种异步串行通信接口，用于与其他设备进行数据传输。I2C是一种同步串行通信接口，用于连接多个设备并进行数据交换。SPI是一种高速同步串行通信接口，用于连接外设设备并进行数据传输。

这些外设接口在AVR单片机中扮演着至关重要的角色，使单片机能够与外部世界进行交互，实现各种功能和应用。

# 2. 串口接口详解

### 2.1 串口通信原理和硬件配置

**串口通信原理**

串口通信是一种异步串行通信方式，数据以位为单位逐个传输。发送端将数据从移位寄存器输出，接收端将数据从移位寄存器输入。通信双方通过时钟信号同步，确保数据传输的准确性。

**硬件配置**

AVR单片机提供多个串口接口，每个串口都有独立的发送和接收引脚。常见的串口引脚定义如下：

| 引脚 | 功能 |
|---|---|
| TXD | 发送数据 |
| RXD | 接收数据 |
| GND | 地线 |

### 2.2 串口通信协议和数据格式

**串口通信协议**

串口通信协议定义了数据传输的规则，包括：

* **波特率：**数据传输速率，单位为比特/秒（bps）。
* **数据位：**每个字符传输的数据位数，通常为 8 位。
* **停止位：**字符传输结束后发送的停止位数，通常为 1 位或 2 位。
* **校验位：**用于检测数据传输错误的校验位，可选择奇校验或偶校验。

**数据格式**

串口数据格式由波特率、数据位、停止位和校验位组成，常见的串口数据格式如下：

| 格式 | 波特率 | 数据位 | 停止位 | 校验位 |
|---|---|---|---|---|
| 9600-8-N-1 | 9600 bps | 8 位 | 1 位 | 无 |
| 115200-8-N-1 | 115200 bps | 8 位 | 1 位 | 无 |

### 2.3 AVR单片机串口编程实战

**初始化串口**

在使用串口之前，需要初始化串口，设置波特率、数据格式等参数。以下代码展示了如何初始化串口：

// 设置波特率为 9600 bps
UBRR0H = 0x00;
UBRR0L = 0x33;

// 设置数据格式为 8 位、无校验位、1 位停止位
UCSR0C = (1 << UCSZ01) | (1 << UCSZ00);

// 启用串口发送和接收
UCSR0B = (1 << TXEN0) | (1 << RXEN0);

**发送数据**

要发送数据，需要将数据写入串口数据寄存器（UDR0）。以下代码展示了如何发送一个字符：

// 发送字符 'A'
UDR0 = 'A';

**接收数据**

当串口接收到数据时，数据将存储在串口数据寄存器（UDR0）中。以下代码展示了如何接收一个字符：

// 等待接收数据
while (!(UCSR0A & (1 << RXC0)));

// 读取接收到的字符
char data = UDR0;

# 3.1 I2C通信原理和硬件配置

#### I2C通信原理

I2C（Inter-Integrated Circuit）总线是一种串行通信协议，用于在集成电路（IC）之间进行数据传输。它使用两条线进行通信：串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL）。

I2C通信采用主从模式，其中一个设备（主设备）控制总线并发起通信，而其他设备（从设备）响应主设备的请求。主设备负责生成时钟信号和控制数据传输，而从设备负责接收和发送数据。

I2C通信过程包括以下步骤：

1. **起始条件：**主设备发送一个起始条件，表示通信的开始。起始条件由一个高电平到低电平的转换组成。
2. **设备地址：**主设备发送从设备的地址。地址由7位设备地址和1位读/写位组成。读/写位表示主设备是要从从设备读取数据还是向从设备写入数据。
3. **应答：**从设备通过发送一个应答信号来响应主设备的地址。应答信号由一个低电平到高电平的转换组成。
4. **数据传输：**主设备和从设备交换数据。数据以8位字节为单位传输，每字节后面跟着一个应答信号。
5. **停止条件：**主设备发送一个停止条件，表示通信的结束。停止条件由一个低电平到高电平的转换组成。

#### I2C硬件配置

AVR单片机上的I2C接口通常由两个寄存器控制：TWCR（TWI控制寄存器）和TWSR（TWI状态寄存器）。

* **TWCR寄存器：**用于控制I2C接口的各种功能，包括：
* TWEN：使能I2C接口
* TWIE：使能I2C中断
* TWINT：I2C中断标志位
* TWSTO：生成停止条件
* TWSTA：生成起始条件
* TWWC：清除I2C中断标志位
* **TWSR寄存器：**用于指示I2C接口的当前状态，包括：
* TWPS：I2C预分频器
* TWS：I2C状态代码

此外，AVR单片机还需要外部上拉电阻连接到SDA和SCL线上，以确保总线上的高电平。

# 4.1 SPI通信原理和硬件配置

### SPI通信原理

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是一种同步串行通信协议，常用于微控制器与外围设备（如传感器、显示器、存储器）之间的数据传输。SPI通信的特点如下：

- **全双工通信：**同时支持发送和接收数据。
- **主从模式：**一个设备作为主设备，控制通信过程；一个或多个设备作为从设备，响应主设备的命令。
- **同步通信：**使用时钟信号同步数据传输。
- **4线连接：**包括时钟线（SCK）、主设备输出数据线（MOSI）、从设备输出数据线（MISO）和片选线（SS）。

### SPI硬件配置

AVR单片机上的SPI接口通常由以下硬件模块组成：

- **SPI控制器：**负责生成时钟信号、控制数据传输和管理片选线。
- **移位寄存器：**用于暂存待发送或接收的数据。
- **数据线：**连接到MOSI、MISO和SCK引脚。
- **片选线：**用于选择要通信的从设备。

**连接示意图：**

graph LR
subgraph 主设备
    A[AVR单片机]
    B[SPI控制器]
    C[移位寄存器]
    D[MOSI]
    E[SCK]
end
subgraph 从设备
    F[外围设备]
    G[移位寄存器]
    H[MISO]
end
A --> B
B --> C
C --> D
B --> E
F --> G
G --> H
A --> F[SS]

### 硬件配置步骤

1. **选择SPI引脚：**确定AVR单片机上用于SPI通信的引脚。
2. **设置SPI控制器：**配置SPI控制器的时钟频率、数据格式和通信模式。
3. **连接数据线：**将MOSI、MISO和SCK引脚连接到外围设备的相应引脚。
4. **连接片选线：**将片选线连接到外围设备的片选引脚。
5. **初始化SPI接口：**在软件中初始化SPI控制器并设置必要的参数。

# 5. I2C、SPI接口的协同工作

在实际应用中，AVR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，串口可以用于与上位机通信，I2C可以用于与传感器或其他外围设备通信，SPI可以用于与高速存储器或显示器通信。

为了实现这些接口的协同工作，需要对单片机的硬件和软件进行相应的配置。硬件方面，需要将不同的外设接口连接到单片机的相应引脚上。软件方面，需要编写驱动程序来控制这些接口的通信过程。

以下是一个串口、I2C和SPI接口协同工作的示例：

// 初始化串口
USART_Init(9600);

// 初始化I2C
TWI_Init(100000);

// 初始化SPI
SPI_Init(1000000);

// 主循环
while (1) {
    // 从串口接收数据
    uint8_t data = USART_Receive();

    // 通过I2C将数据发送到传感器
    TWI_Write(data);

    // 从SPI接收传感器的数据
    uint8_t sensor_data = SPI_Read();

    // 通过串口发送传感器的数据
    USART_Send(sensor_data);
}

在该示例中，串口用于与上位机通信，I2C用于与传感器通信，SPI用于与高速存储器通信。通过协同工作，这些接口可以实现数据的采集和传输，从而完成复杂的控制任务。

## 5.2 外设接口在实际项目中的应用案例

AVR单片机的外设接口在实际项目中有着广泛的应用，以下是一些典型的应用案例：

- **数据采集和传输：**通过串口、I2C或SPI接口，可以从传感器、AD转换器或其他外围设备采集数据，并将其传输到上位机或存储器中。
- **控制和驱动：**通过串口、I2C或SPI接口，可以控制电机、显示器、继电器或其他执行器，实现对外部设备的控制和驱动。
- **通信和网络：**通过串口、I2C或SPI接口，可以实现单片机与其他单片机、微控制器或网络设备之间的通信，实现数据交换和网络连接。
- **人机交互：**通过串口、I2C或SPI接口，可以连接键盘、显示器或触摸屏，实现人机交互和用户界面。