单片机控制系统通信技术：串口、I2C、SPI，掌握数据传输与交互

# 1. 单片机通信概述**

单片机通信是指单片机与外部设备或其他单片机之间进行信息交换的过程。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、存储设备和其他外围设备交互。

单片机通信通常通过以下方式实现：

- **串口通信：**使用串行数据线发送和接收数据，适用于短距离通信。
- **并行通信：**使用多条数据线同时发送和接收数据，速度更快，但需要更多的引脚。
- **总线通信：**使用共享总线连接多个设备，允许同时进行多路通信。

# 2.1 串口通信原理

### 2.1.1 串口硬件结构

串口通信是一种异步串行通信方式，其硬件结构主要包括：

- **发送器 (Tx)：**负责将数据从单片机发送到外部设备。
- **接收器 (Rx)：**负责接收外部设备发送来的数据。
- **波特率发生器：**用于产生发送和接收数据的时钟信号。
- **数据寄存器：**用于存储发送和接收的数据。
- **控制寄存器：**用于配置串口通信参数，如波特率、数据位数、停止位数等。

### 2.1.2 串口通信协议

串口通信协议定义了数据传输的格式和规则，主要包括：

- **数据位：**每个字符传输的位数，通常为 5、6、7 或 8 位。
- **停止位：**传输每个字符后发送的停止位数，通常为 1 或 2 位。
- **奇偶校验：**用于检测数据传输中的错误，可以是无校验、奇校验或偶校验。
- **波特率：**数据传输速率，单位为 bps（比特/秒）。

**示例代码：**

// 初始化串口
UART_Init(9600, UART_DATA_8, UART_STOP_1, UART_PARITY_NONE);

// 发送数据
UART_SendData('A');

// 接收数据
uint8_t data = UART_ReceiveData();

**逻辑分析：**

* `UART_Init()` 函数初始化串口，设置波特率为 9600 bps，数据位为 8 位，停止位为 1 位，无奇偶校验。
* `UART_SendData()` 函数发送字符 'A'。
* `UART_ReceiveData()` 函数接收一个字节的数据并将其存储在变量 `data` 中。

# 3. I2C通信

### 3.1 I2C通信原理

#### 3.1.1 I2C总线结构

I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种串行通信总线，用于连接多个集成电路（IC）设备。它采用两线式通信，包括一根数据线（SDA）和一根时钟线（SCL）。

**总线拓扑结构**

I2C总线采用多主从结构，可以连接一个主设备和多个从设备。主设备负责控制总线并发起数据传输，而从设备负责响应主设备的请求并发送或接收数据。

**设备寻址**

每个从设备都有一个唯一的7位地址，用于在总线上进行寻址。主设备在发送数据之前，需要先发送从设备的地址。

#### 3.1.2 I2C通信协议

I2C通信协议采用半双工通信方式，即总线上同一时间只能有一个设备发送或接收数据。通信过程分为以下几个阶段：

**起始条件**

主设备发送一个起始条件，表示通信开始。起始条件由一个高电平到低电平的下降沿组成。

**从设备地址**