STM32单片机通信协议全解：UART、SPI、I2C等通信方式一网打尽

# 1. STM32单片机通信协议概述

STM32单片机是意法半导体公司生产的高性能微控制器，广泛应用于嵌入式系统中。STM32单片机支持多种通信协议，包括UART、SPI、I2C、CAN等，这些协议可以实现单片机与外部设备之间的通信。

通信协议是定义通信双方如何交换数据的一组规则，包括数据格式、传输速率、校验方式等。不同的通信协议适用于不同的应用场景，例如UART协议适用于短距离低速通信，而CAN协议适用于高速、高可靠性的通信。

选择合适的通信协议对于系统设计至关重要，需要考虑通信距离、速率、可靠性、功耗等因素。STM32单片机支持多种通信协议，为开发者提供了丰富的选择，可以根据不同的应用需求选择最合适的通信协议。

# 2. UART通信协议

### 2.1 UART通信原理

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），即通用异步收发器，是一种异步串行通信协议，广泛应用于单片机、嵌入式系统和计算机之间的通信。其主要特点如下：

- **异步传输：**数据传输不依赖时钟信号，发送端和接收端各自独立工作，通过起始位和停止位来确定数据帧的开始和结束。
- **半双工通信：**UART采用半双工通信方式，即同一时间只能有一个设备发送数据，另一个设备接收数据。
- **数据格式：**UART数据帧通常由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位组成。起始位为低电平，数据位为高电平或低电平，奇偶校验位用于检测数据传输中的错误，停止位为高电平。

### 2.2 UART硬件配置

STM32单片机通常集成了多个UART接口，可以通过配置GPIO引脚来启用UART功能。以下以STM32F103系列单片机为例，介绍UART硬件配置步骤：

1. **使能UART时钟：**在RCC寄存器中使能UART时钟，例如RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_USART1EN。
2. **配置GPIO引脚：**将相应的GPIO引脚配置为复用功能，例如GPIOA->CRL |= GPIO_CRL_CNF0_1。
3. **配置UART寄存器：**设置UART波特率、数据位、奇偶校验位和停止位等参数，例如USART1->BRR = 0x0683（波特率为9600）。

### 2.3 UART通信编程

在STM32单片机中，UART通信可以通过HAL库函数或寄存器直接操作来实现。以下以HAL库函数为例，介绍UART通信编程步骤：

1. **初始化UART：**使用HAL_UART_Init()函数初始化UART接口，设置波特率、数据位、奇偶校验位和停止位等参数。
2. **发送数据：**使用HAL_UART_Transmit()函数发送数据，参数包括UART句柄、数据缓冲区和数据长度。
3. **接收数据：**使用HAL_UART_Receive()函数接收数据，参数包括UART句柄、数据缓冲区和数据长度。

**代码示例：**

#include "stm32f103xb.h"

void UART_Init(void)
{
    HAL_UART_Init(&huart1);
    huart1.Init.BaudRate = 9600;
    huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
    huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
    huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
    HAL_UART_Init(&huart1);
}

void UART_SendData(uint8_t *data, uint16_t len)
{
    HAL_UART_Transmit(&huart1, data, len, 1000);
}

void UART_ReceiveData(uint8_t *data, uint16_t len)
{
    HAL_UART_Receive(&huart1, data, len, 1000);
}

**逻辑分析：**

- `UART_Init()`函数初始化UART接口，设置波特率、数据位、奇偶校验位和停止位等参数。
- `UART_SendData()`函数发送数据，参数包括UART句柄、数据缓冲区和数据长度。
- `UART_ReceiveData()`函数接收数据，参数包括UART句柄、数据缓冲区和数据长度。

# 3.1 SPI通信原理

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种同步串行通信协议，它允许微控制器与外围设备（例如传感器、显示器和存储器）进行通信。与UART通信不同，SPI使用四根线：串行时钟（SCK）、主输入/从输出（MISO）、主输出/从输入（MOSI）和片选（CS）。

SPI通信的时序由SCK信号控制。SCK信号的每个时钟周期代表一个数据位。在每个时钟周期，主设备将一个数据位发送到MOSI线，而从设备将一个数据位从MISO线发送到主设备。

SPI通信的速率由SCK信号的频率决定。SCK信号的频率越高，通信速率就越快。但是，SCK信号的频率不能太高，否则会导致数据传输错误。

SPI通信的模式由CPOL和CPHA信号控制。CPOL信号决定SCK信号的极性，而CPHA信号决定数据采样的时钟沿。有四种可能的SPI通信模式：

* **模式0：** CPOL=0，CPHA=0
* **模式1：** CPOL=0，CPHA=1
* **模式2：** CPOL=1，CPHA=0
* **模式3：** CPOL=1，CPHA=1

### 3.2 SPI硬件配置

STM32单片机具有多个SPI接口，每个接口都可以配置为主机或从机模式。要配置SPI接口，需要设置以下寄存器：

* **SPI_CR1寄存器：**控制SPI接口的基本