STM32F407通信协议实战：USART, SPI, I2C的深度应用秘籍


参考资源链接：[STM32F407中文手册(完全版) 高清完整.pdf](https://wenku.csdn.net/doc/6401aba5cce7214c316e8fc8?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. STM32F407微控制器概述与开发环境搭建

## 1.1 STM32F407微控制器概述

STM32F407微控制器是ST公司推出的一款高性能的ARM Cortex-M4微控制器。其主频达到168MHz，拥有丰富的外设接口，支持多种通信协议，包括USART、SPI、I2C等，广泛应用于工业控制、医疗设备、消费电子产品等领域。

## 1.2 开发环境搭建

开发STM32F407微控制器的主流开发环境为Keil MDK-ARM和IAR Embedded Workbench。本文将以Keil MDK-ARM为例进行介绍。

1. 首先，从ST官网下载并安装Keil MDK-ARM开发环境。
2. 在安装完成后，打开Keil，选择"Project"菜单中的"New uVision Project..."。
3. 在弹出的对话框中，选择保存路径，输入项目名称，然后点击"Save"。
4. 在"Select Device for Target"对话框中，选择"STMicroelectronics" -> "STM32F4xx" -> "STM32F407xx"。
5. 选择完成后，点击"OK"，完成项目创建。

接下来，我们需要配置项目的基本设置，包括晶振频率、编译器优化等级等。

1. 在项目视图中，右键点击"Options for Target"，在弹出的对话框中，选择"Target"选项卡，设置晶振频率为16MHz。
2. 在"Output"选项卡中，选择生成hex文件，方便后续下载到目标板上。
3. 在"C/C++"选项卡中，可以设置编译器优化等级，提高代码运行效率。

至此，开发环境已经搭建完成，接下来就可以开始编写代码，进行项目开发了。

# 2. USART通信协议详解与实战应用

## 2.1 USART协议理论基础

### 2.1.1 USART通信原理

USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver Transmitter）是一种通用的串行通信接口，它允许微控制器与其他设备进行全双工数据传输。通信可以是同步的，也可以是异步的。在异步模式下，没有外部时钟信号，数据的同步依赖于起始位和停止位。而同步模式下，数据的传输是同步于一个外部提供的时钟信号或由一个内部时钟分频器生成的时钟。

数据帧格式由起始位、数据位、可选的奇偶校验位和停止位组成。起始位标志着一帧数据的开始，数据位紧接着起始位之后传输，奇偶校验位用于错误检测（可选），最后是停止位表示一帧数据的结束。

### 2.1.2 数据帧结构与波特率配置

数据帧的格式和波特率配置决定了数据如何在两个设备之间传输。数据帧通常包括8位数据，但也可以配置为9位。波特率是每秒传输的符号数，它决定了数据的传输速度。USART的波特率可以通过设置波特率生成器的值来配置，该值是系统时钟频率除以波特率得到的结果。

// 假设系统时钟频率为8MHz，设置波特率为9600
uint16_t baudrate = (uint16_t)((8000000 / 9600) / 16);
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_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);

在上述代码块中，`USART_InitStructure`是一个结构体，包含了所有USART的配置参数，包括波特率、数据位长度、停止位、奇偶校验位和硬件流控制等。通过这些设置，可以精确地控制USART的通信行为。

## 2.2 USART在STM32F407中的实现

### 2.2.1 硬件连接与引脚配置

在STM32F407微控制器上，USART通信通过其GPIO引脚实现。每个USART实例都有一组特定的引脚用于发送（TX）和接收（RX）数据。在使用之前，这些引脚需要配置为复用功能，并与相应的USART接口关联。

// 配置USART1的TX和RX引脚
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9; // PA9 for USART1_TX
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP ;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10; // PA10 for USART1_RX
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

在上述代码中，首先初始化了USART1的TX引脚（PA9），然后是RX引脚（PA10）。引脚被设置为复用推挽输出，速度为50MHz，且带有上拉电阻。通过这样的配置，GPIO引脚已经准备好进行USART通信。

### 2.2.2 中断与DMA的使用

在STM32F407中，USART支持中断和DMA（直接存储器访问）以优化数据处理。中断允许程序在接收到数据或数据传输完成时进行处理，而DMA允许数据在无需CPU干预的情况下直接在内存和外设之间传输。

// 启用USART1接收中断
NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn);

// 配置DMA用于USART1的接收
DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;
DMA_DeInit(DMA2_Channel6);
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)&(USART1->DR);
DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)buffer;
DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralSRC;
DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = sizeof(buffer);
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;
DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_Byte;
DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_Byte;
DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Normal;
DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High;
DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable;
DMA_Init(DMA2_Channel6, &DMA_InitStructure);
DMA_Cmd(DMA2_Channel6, ENABLE);

代码块中展示了如何初始化DMA通道来接收USART1的数据。DMA缓冲区大小被设置为`buffer`数组的大小，这样数据就可以从USART1直接传输到RAM中，而无需CPU介入。当DMA传输完成时，会触发一个中断事件，可以在中断服务程序中处理接收到的数据。

## 2.3 USART高级应用技巧

### 2.3.1 多处理器通信模式

多处理器通信模式允许单个USART接口与多个外部设备进行通信。在多处理器通信模式下，可以设置一个地址字节，只有当接收设备的地址匹配时，才会接收到数据帧。

// 配置USART1进入多处理器模式
USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx | USART_Mode_MultiProcessorCommunication;
USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);

在多处理器模式下，通常会有一个控制流程用于指定哪些数据是给哪个设备的。这要求发送方在数据帧中包含正确的地址信息，而接收方则需要正确地解析这些地址信息。

### 2.3.2 错误处理与校验方法

为了确保数据传输的准确性，USART提供了多种错误检测方法，包括帧错误、噪声检测、奇偶校验错误等。在接收到数据时，可以通过检查这些错误标志位来确认数据是否完整。

// 检查USART1接收到的数据是否有错误
if(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_FE) != RESET)
{
    // 处理帧错误
}
if(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_NE) != RESET)
{
    // 处理噪声错误
}
if(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_PE) != RESET)
{
    // 处理奇偶校验错误
}

通过上述代码，可以检查USART1是否报告了任何错误。如果检测到错误，可以采取相应的恢复措施，如请求重传数据或通知发送方数据已损坏。

以上章节内容展示了USART通信协议在STM32F407微控制器上的实现与应用。从理论基础到具体的硬件配置和软件实现，再到高级应用技巧，本章节为读者提供了深入理解和应用USART的全面信息。接下来的章节将继续深入探讨其他通信协议，如SPI和I2C，并展示如何构建一个综合的多协议通信系统。

# 3. SPI通信协议详解与实战应用

## 3.1 SPI协议理论基础

### 3.1.1 SPI通信原理

SPI（Serial Peripheral Interface）通信协议是由摩托罗拉公司提出的串行通信协议，是一种高速、全双工、同步的通信总线。SPI总线包含四条线，分别是主设备的MISO（Master In Slave Out）、MOSI（Master Out Slave In）、SCK（Serial Clock）和SS（Slave Select）。它允许多个从设备与单一主设备进行通信，数据以8位为一组进行传输，传输方向可以是单向或双向。

在SPI通信过程中，主设备负责产生时钟信号（SCK），并控制片选信号（SS）来选择当前激活的从设备。数据通过MOSI从主设备发送至从设备，同时通过MISO从从设备发送回主设备，形成两个独立的数据流。由于SPI协议不包含起始位和停止位，因此在数据传输中可以保持高速率。

SPI通信的四种不同的时钟极性和相位组合，允许主设备和从设备之间以不同的方式同步数据。常见的四种组合如下：

- CPOL = 0, CPHA = 0: 时钟信号在空闲状态下为低电平，数据在时钟的第一个边沿采样（上升沿）。
- CPOL = 0, CPHA = 1: 时钟信号在空闲状态下为低电平，数据在时钟的第二个边沿采样（下降沿）。
- CPOL = 1, C