【nRF52832外围设备连接速成】：简化GPIO和其他接口使用的6大窍门


参考资源链接：[nRF52832中文数据手册：物联网芯片技术规格](https://wenku.csdn.net/doc/64606e9e5928463033adf7cb?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. nRF52832概述与开发环境搭建

## 1.1 nRF52832芯片简介
nRF52832是一款由Nordic Semiconductor生产的高性能蓝牙低功耗微控制器单元(MCU)，适用于多种无线通信应用。其采用ARM Cortex-M4处理器，拥有丰富的外设接口和强大的计算能力，适合开发智能穿戴、健康医疗、智能家居等产品。

## 1.2 开发环境搭建
开发nRF52832应用需要以下步骤：
- **安装nRF5x开发工具包**：首先需下载并安装nRF5x开发工具包，包括J-Link驱动、nRF5x命令行工具、Keil uVision或nRF5 Studio等。
- **配置开发板**：选择合适的开发板，如nRF52 DK，使用J-Link连接器将其与电脑连接。
- **编写代码**：使用C或C++语言编写程序，可利用提供的SDK（软件开发工具包）来简化开发过程。

接下来，我们会详细探讨如何为nRF52832芯片配置和使用GPIO（通用输入输出）引脚，并提供基础的硬件连接和软件编程实践。

# 2. GPIO的基础理论与编程实践

### 2.1 GPIO的工作原理和特性

#### 2.1.1 引脚功能与电气特性

GPIO，即通用输入输出引脚，是微控制器（MCU）中最基础的外设之一，可以被配置为输入或输出模式。在输入模式下，GPIO引脚可以读取外部信号状态；在输出模式下，则可以控制连接到引脚的设备状态。nRF52832作为一款多功能、低功耗的MCU，其GPIO引脚在电气特性方面表现优异，支持多种电压标准，同时提供了高达32个可编程的GPIO引脚。

理解GPIO引脚的电气特性对于确保设备稳定运行和避免错误非常关键。nRF52832的GPIO引脚支持如下电气特性：

- **电压范围**：1.8V至3.6V，这意味着GPIO引脚需要工作在与MCU相同的电压水平上。
- **输入电压阈值**：这些阈值定义了对于逻辑“0”和逻辑“1”的识别电平，通常对于3.3V系统，低电平阈值在0.6V以下，高电平阈值在2.1V以上。
- **输出电流能力**：每个GPIO引脚能够提供的最大输出电流通常在10mA左右，但通常推荐限制在5mA以下，以减少电流引起的电压降和热效应。
- **上拉/下拉电阻**：当GPIO配置为输入模式时，可以通过软件选择启用内部上拉或下拉电阻，以确保未连接的输入引脚有确定的逻辑电平。

#### 2.1.2 GPIO的配置选项

nRF52832的每个GPIO引脚都可被独立配置，为开发者提供了极大的灵活性。下面是一些主要的GPIO配置选项：

- **模式选择**：可以配置为输入、输出、复用功能或模拟功能。
- **输出类型**：可以选择推挽或开漏输出。推挽输出模式可以同时提供高电平和低电平信号，而开漏模式则需要外部上拉电阻才能输出高电平。
- **电平**：对于输入引脚，可以设置输入电平触发中断或轮询；对于输出引脚，则可以设置输出电平。
- **驱动强度**：根据需要，可以调节引脚的输出电流能力。
- **中断配置**：可以设置GPIO引脚为高电平触发、低电平触发、上升沿触发或下降沿触发。
- **模式切换**：GPIO引脚可以在运行时更改配置，为动态控制提供了可能。

### 2.2 GPIO的操作与控制

#### 2.2.1 编程读写GPIO状态

编程读写GPIO状态是实现对硬件控制的基础。下面是一段示例代码，展示了如何使用nRF52832 SDK配置GPIO引脚，并在程序中读写状态：

#include "nrf.h"

#define LED_PIN     17 // 假设使用P0.17作为LED控制引脚

void gpio_init(void) {
    // 启用GPIO引脚时钟
    nrf_gpio_clock_divisor_set(NRF_GPIO, NRF_GPIO_CLOCK_DIV_4);
    nrf_gpio_cfg_sense_input(17, NRF_GPIO_PIN_NOPULL, NRF_GPIO_PIN_SENSE_HIGH);

    // 配置为输出模式
    nrf_gpio_cfg_output(LED_PIN);
}

void main(void) {
    gpio_init();
    while(1) {
        // 读取GPIO状态
        bool pin_state = nrf_gpio_pin_read(LED_PIN);
        // 写入GPIO状态
        nrf_gpio_pin_write(LED_PIN, !pin_state); // 切换LED状态
    }
}

在上面的代码中，我们首先配置了LED_PIN为输入模式，并设置其为高电平触发中断。然后，在主循环中，我们读取该引脚的当前状态，并将其反转，从而实现LED灯的闪烁。

#### 2.2.2 利用中断实现GPIO触发

使用GPIO中断可以在不需要CPU持续轮询的情况下，对GPIO引脚状态的变化做出响应。以下是使用nRF52832 SDK实现GPIO中断响应的代码：

#include "nrf.h"

#define BUTTON_PIN  18 // 假设使用P0.18作为按钮输入引脚

static void gpio_interrupt_handler(nrf_drv_gpiote_pin_t pin, nrf_gpiote_polarity_t action) {
    // 切换LED状态
    nrf_gpio_pin_toggle(LED_PIN);
}

void gpio_init(void) {
    ret_code_t err_code;
    // 初始化GPIO驱动
    err_code = nrf_drv_gpiote_init();
    APP_ERROR_CHECK(err_code);

    // 配置按钮引脚为中断模式
    nrf_drv_gpiote_out_config_t out_config = GPIOTE_CONFIG_OUT_SIMPLE(false);
    err_code = nrf_drv_gpiote_out_init(BUTTON_PIN, &out_config);
    APP_ERROR_CHECK(err_code);

    nrf_drv_gpiote_in_config_t in_config = GPIOTE_CONFIG_IN_SENSE_TOGGLE(true);
    in_config.pull = NRF_GPIO_PIN_NOPULL;
    err_code = nrf_drv_gpiote_in_init(BUTTON_PIN, &in_config, gpio_interrupt_handler);
    APP_ERROR_CHECK(err_code);

    nrf_drv_gpiote_in_event_enable(BUTTON_PIN, true);
}

int main(void) {
    gpio_init();
    while (true) {
        // 主循环中可以做其他事情
    }
}

在上述代码中，我们配置了BUTTON_PIN为中断输入模式，并指定了一个中断处理函数`gpio_interrupt_handler`。当按钮被按下时，系统会自动调用这个函数，切换LED的状态。

### 2.3 高级GPIO技巧

#### 2.3.1 电平变换和信号过滤

在实际应用中，由于外部环境的复杂性，GPIO引脚可能会受到噪声的影响，导致信号失真。为了解决这个问题，nRF52832提供了一些高级功能来过滤噪声，如电平抖动抑制和软件滤波。

例如，可以设置一个简单的软件滤波器来实现信号的平滑：

#include "nrf.h"

#define BUTTON_PIN  18

volatile uint8_t button_pressed = 0;

void delay(uint32_t time_in_ms) {
    // 实现一个简单的延迟函数
}

void gpio_init(void) {
    nrf_gpio_cfg_input(BUTTON_PIN, NRF_GPIO_PIN_NOPULL);
}

void main(void) {
    gpio_init();
    while (1) {
        if (nrf_gpio_pin_read(BUTTON_PIN)) {
            delay(50); // 防抖动延迟
            if (nrf_gpio_pin_read(BUTTON_PIN)) {
                // 防抖动确认有效
                button_pressed = 1;
            }
        }
        // 其他处理逻辑...
    }
}

在上述示例中，使用了一个简单的延迟来抑制由于按键抖动导致的多次中断触发。

#### 2.3.2 省电模式下的GPIO管理

nRF52832具有多种省电模式，允许在满足系统需求的同时最大限度地节省能源。在省电模式下，可以通过配置特定的GPIO引脚为唤醒源，以实现低功耗和快速响应的平衡。这需要在设置低功耗模式时明确指定哪些引脚可以被配置为唤醒事件。

// 设置GPIO引脚作为低功耗模式下的唤醒源
NRF_P0->PIN_CNF[19] |= (GPIO_PIN_CNF_SENSE_Low << GPIO_PIN_CNF_SENSE_SHIFT) |
                       (GPIO_PIN_CNF_PULL_Pullup << GPIO_PIN_CNF_PULL_SHIFT);

// 保存当前系统状态，然后进入低功耗模式
/* ... */
sleep_mode_enter();

上述代码片段展示了如何配置P0.19引脚为低电平唤醒事件，并进入低功耗模式。当检测到P0.19引脚出现低电平时，nRF52832会被唤醒，并根据保存的状态恢复执行。

以上是本章关于nRF52832的GPIO基础理论与编程实践的详细介绍。下一章节，我们将探讨如何简化其他接口的使用方法。

# 3. 简化其他接口的使用方法

在上一章，我们深入探讨了GPIO的基础理论与编程实践，学习了如何控制和管理引脚的状态以及实现基本的信号触发。然而，在嵌入式系统中，除了GPIO，我们还需要掌握其他接口的使用，以便与不同的外围设备进行通信。本章将详细介绍I2C、SPI和UART三种接口的使用方法，并通过实例讲解如何简化这些接口的编程和应用。

## 3.1 I2C接口的连接与数据交换

I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种串行通信协议，广泛应用于微控制器和各种外围设备之间的低速通信。其主要特点包括多设备连接能力、简易的两条线路（SCL和SDA）和较小的硬件开销。

### 3.1.1 I2C通信协议基础

I2C协议采用主从架构，其中，主设备负责控制时钟线（SCL）和数据线（SDA），而从设备则通过被主设备寻址来进行通信。通信过程中的数据传输格式为8位数据加上一个应答位。

为了提高通信效率，I2C还支持快速模式（400kHz），以及多主设备模式。在多主设备模式下，多个主设备可以尝试控制总线，而仲裁机制确保同一时间内只有一个主设备能够控制总线。

### 3.1.2 实现I2C设备的初始化和通信

在编程实现I2C通信之前，需要对I2C接口进行初始化。例如，在nRF52832平台上，可以使用以下代码进行初始化：

// 初始化I2C接口
nrf_twi䧞_t m_twi = NRF_TWI0;
void twi_init(void)
{
    ret_code_t err_code;

    const nrf_twi重建配置_t twi重建配置 =
    {
        .scl                = ARDUINO_SCL_PIN,
        .sda                = ARDUINO_SDA_PIN,
        .frequency          = NRF_TWI_FREQ_100K,
        .interrupt_priority = APP_IRQ_PRIORITY_HIGH,
        .clear_bus_init     = false
    };

    err_code = nrf_twi_init(&m_twi, &twi重建配置, NULL, NULL);
    APP_ERROR_CHECK(err_code);

    nrf_twi_enable(&m_twi);
}

在通信时，需要先发送设备地址和读写信号，然后发送数据或接收数据。以下是发送数据的示例代码：

ret_code_t twi_send(uint8_t address, uint8_t *data, uint16_t length, bool no_stop)
{
    ret_code_t err_code;
    err_code = nrf_twi_tx(&m_twi, address, data, length, no_stop);
    return err_code;
}

这段代码展示了如何使用nRF SDK库来初始化I2C接口，并通过`nrf_twi_tx`函数发送数据。在使用时，要注意I2C