单片机网络通信技术：实现单片机与外部世界的互联

# 1. 单片机网络通信基础**

单片机网络通信是指单片机通过网络与其他设备或系统进行数据交换。它使单片机能够连接到外部世界，实现远程控制、数据采集和信息共享。

网络通信的基本原理是将数据分解成小块，称为数据包，然后通过网络传输。数据包包含数据本身、发送方和接收方的地址以及其他控制信息。网络中的设备负责将数据包路由到正确的目的地，并重新组装数据包以恢复原始数据。

单片机网络通信涉及以下关键概念：

* **网络拓扑：**网络中设备的连接方式，如总线、星形或环形拓扑。
* **通信协议：**定义数据包格式、传输规则和设备之间交互方式的标准，如TCP/IP、UART和I2C。
* **硬件接口：**单片机与网络连接的物理接口，如串口、以太网接口或无线模块。

# 2. 单片机网络通信协议

### 2.1 串行通信协议

串行通信协议是一种通过单根导线进行数据传输的通信方式，其特点是数据位逐个发送和接收。常见的串行通信协议包括 UART、I2C 和 SPI。

#### 2.1.1 UART协议

UART（通用异步收发传输器）协议是一种异步串行通信协议，用于在两个设备之间传输数据。UART协议使用起始位、数据位、奇偶校验位和停止位来构成一个数据帧。

// UART发送数据
void uart_send_data(uint8_t data) {
    // 等待发送缓冲区为空
    while (!(UART_SR & UART_SR_TXE));
    // 将数据写入发送缓冲区
    UART_DR = data;
}

// UART接收数据
uint8_t uart_receive_data() {
    // 等待接收缓冲区有数据
    while (!(UART_SR & UART_SR_RXNE));
    // 从接收缓冲区读取数据
    return UART_DR;
}

**参数说明：**

* `uart_send_data(uint8_t data)`：发送一个字节的数据。
* `uart_receive_data()`：接收一个字节的数据。

**逻辑分析：**

* `uart_send_data()` 函数等待发送缓冲区为空，然后将数据写入发送缓冲区，触发数据发送。
* `uart_receive_data()` 函数等待接收缓冲区有数据，然后从接收缓冲区读取数据。

#### 2.1.2 I2C协议

I2C（Inter-Integrated Circuit）协议是一种同步串行通信协议，用于在多个设备之间传输数据。I2C协议使用一个时钟线和一个数据线来进行通信。

// I2C初始化
void i2c_init() {
    // 设置时钟频率
    I2C_CR2 = I2C_CR2_FREQ_100KHZ;
    // 启用I2C模块
    I2C_CR1 |= I2C_CR1_PE;
}

// I2C发送数据
void i2c_send_data(uint8_t addr, uint8_t data) {
    // 发送起始信号
    I2C_CR1 |= I2C_CR1_START;
    // 等待发送起始信号完成
    while (!(I2C_SR1 & I2C_SR1_SB));
    // 发送设备地址和写命令
    I2C_DR = (addr << 1) | 0x00;
    // 等待设备地址和写命令发送完成
    while (!(I2C_SR1 & I2C_SR1_ADDR));
    // 发送数据
    I2C_DR = data;
    // 等待数据发送完成
    while (!(I2C_SR1 & I2C_SR1_TXE));
    // 发送停止信号
    I2C_CR1 |= I2C_CR1_STOP;
}

// I2C接收数据
uint8_t i2c_receive_data(uint8_t addr) {
    // 发送起始信号
    I2C_CR1 |= I2C_CR1_START;
    // 等待发送起始信号完成
    while (!(I2C_SR1 & I2C_SR1_SB));
    // 发送设备地址和读命令
    I2C_DR = (addr << 1) | 0x01;
    // 等待设备地址和读命令发送完成
    while (!(I2C_SR1 & I2C_SR1_ADDR));
    // 发送重复起始信号
    I2C_CR1 |= I2C_CR1_START;
    // 等待发送重复起始信号完成
    while (!(I2C_SR1 & I2C_SR1_SB));
    // 发送设备地址和读命令
    I2C_DR = (addr << 1) | 0x01;
    // 等待设备地址和读命令发送完成
    while (!(I2C_SR1 & I2C_SR1_ADDR));
    // 接收数据
    I2C_CR1 |= I2C_CR1_ACK;
    // 等待数据接收完成
    while (!(I2C_SR1 & I2C_SR1_RXNE));
    // 发送停止信号
    I2C_CR1 |= I2C_CR1_STOP;
    // 返回接收到的数据
    return I2C_DR;
}

**参数说明：**

* `i2c_init()`：初始化I2C模块。
* `i2c_send_data(uint8_t addr, uint8_t data)`：发送一个字节的数据到指定地址的设备。
* `i2c_receive_data(uint8_t addr)`：从指定地址的设备接收一个字节的数据。

**逻辑分析：**

* `i2c_init()` 函数