STM32单片机外设接口实战：串口、I2C、SPI、ADC，解锁无限可能

# 1. STM32单片机外设接口概述**

STM32单片机外设接口是连接单片机与外部设备的桥梁，在嵌入式系统设计中扮演着至关重要的角色。本节将概述STM32单片机常用的外设接口，包括串口、I2C、SPI和ADC，并介绍它们的特性和应用场景。

**1.1 串口接口**

串口接口是一种异步通信接口，用于单向或双向传输数据。它具有简单易用、成本低廉等优点，广泛应用于调试、数据传输和控制等场景。

**1.2 I2C接口**

I2C接口是一种串行通信接口，用于连接多个设备。它采用主从模式，支持多主设备同时连接，具有低功耗、低成本和高可靠性等特点，常用于连接传感器、显示器和EEPROM等设备。

# 2. 串口接口

### 2.1 串口协议和通信原理

#### 2.1.1 串口通信模式和波特率

串口通信模式是指数据传输的方式，常见的有两种模式：

- **单工通信：**数据只能单向传输，即只能发送或接收。
- **半双工通信：**数据可以双向传输，但不能同时发送和接收。
- **全双工通信：**数据可以同时双向传输。

波特率是指每秒传输的比特数，单位为波特（bps）。常见的波特率有 9600、115200、921600 等。波特率需要发送方和接收方协商一致，否则无法正常通信。

#### 2.1.2 数据帧格式和校验方式

串口数据帧通常由以下部分组成：

- **起始位：**一个低电平比特，表示数据帧的开始。
- **数据位：**实际传输的数据，通常为 5、6、7 或 8 位。
- **校验位：**用于检测数据传输过程中是否发生错误，常见的有奇校验和偶校验。
- **停止位：**一个或多个高电平比特，表示数据帧的结束。

### 2.2 STM32 串口硬件配置

#### 2.2.1 GPIO 引脚复用和时钟配置

STM32 单片机上的串口引脚通常复用在 GPIO 引脚上。需要对这些引脚进行复用配置，将其设置为串口功能。同时，还需要配置串口时钟。

// GPIO 引脚复用
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN; // 使能 GPIOA 时钟
GPIOA->CRH |= GPIO_CRH_MODE8_0 | GPIO_CRH_MODE8_1; // PA9 和 PA10 设置为复用功能
GPIOA->CRH |= GPIO_CRH_CNF8_0 | GPIO_CRH_CNF8_1; // PA9 和 PA10 设置为复用推挽输出

// 串口时钟配置
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_USART1EN; // 使能 USART1 时钟

#### 2.2.2 串口寄存器配置

串口寄存器用于配置串口参数，如波特率、数据位、校验位和停止位等。

// 波特率配置
USART1->BRR = (uint16_t)(SystemCoreClock / 9600); // 设置波特率为 9600

// 数据位配置
USART1->CR1 |= USART_CR1_M; // 设置数据位为 8 位

// 校验位配置
USART1->CR1 |= USART_CR1_PCE; // 使能奇校验

// 停止位配置
USART1->CR2 |= USART_CR2_STOP_1; // 设置停止位为 1 位

### 2.3 串口通信编程

#### 2.3.1 中断方式通信

中断方式通信是指在串口接收或发送数据时触发中断，然后在中断服务程序中处理数据。

void USART1_IRQHandler(void)
{
    if (USART1->SR & USART_SR_RXNE) { // 接收中断
        uint8_t data = USART1->DR; // 读取接收到的数据
        // 处理数据
    }

    if (USART1->SR & USART_SR_TXE) { // 发送中断
        USART1->DR = data; // 发送数据
        // 数据发送完毕
    }
}

#### 2.3.2 轮询方式通信

轮询方式通信是指在主程序中不断轮询串口状态寄存器，检查是否有数据接收或发送完毕。

while (1) {
    if (USART1->SR & USART_SR_RXNE) { // 接收中断
        uint8_t data = USART1->DR; // 读取接收到的数据
        // 处理数据
    }

    if (USART1->SR & USART_SR_TXE) { // 发送中断
        USART1->DR = data; // 发送数据
        // 数据发送完毕
    }
}

# 3. I2C接口

### 3.1 I2C协议和通信原理

#### 3.1.1 I2C总线拓扑和寻址方式

I2C（Inter-Integrated Circuit）总线是一种串行通信协议，用于在集成电路（IC）之间进行数据传输。它采用多主从模式，允许多个主设备和多个从设备连接到同一总线上。

I2C总线采用两线制拓扑结构，包括一条数据线（SDA）和一条时钟线（SCL）。所有连接到总线上的设备共享这两条线。

每个从设备都有一个唯一的7位或10位地址，用于在总线上寻址。主设备通过发送一个包含从设备地址的起始位来启动通信。从设备收到其地址后，将发送一个应答位，表示它已准备好接收数据。

#### 3.1.2 数据传输和时序控制

I2C数据传输以字节为单位进行。主设备发送一个字节，然后从设备发送一个应答位。如果从设备没有收到正确的应答位，则主设备将重新发送该字节。

I2C总线上的时序由SCL线上的时钟信号控制。主设备生成时钟信号，从设备根据时钟信号接收和发送数据。

### 3.2 STM32 I2C硬件配置

#### 3.2.1 GPIO引脚复用和时钟配置

在STM32单片机上，I2C接口通常使用PB6和PB7引脚作为SDA和SCL线。需要对这些引脚进行复用配置，将其设置为I2C功能。

// GPIO引脚复用配置
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPBEN; // 使能GPIOB时钟
GPIOB->CRH &= ~(GPIO_CRH_MODE6 | GPIO_CRH_MODE7); // 清除PB6和PB7模式位
GPIOB->CRH |= (GPIO_CRH_MODE6_1 | GPIO_CRH_MODE7_1); // 设置PB6和PB7为复用推挽输出

还需要为I2C接口配置时钟。STM32单片机通常使用APB1时钟作为I2C时钟源。

// 时钟配置
RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_I2C1EN; // 使能I2C1时钟

#### 3.2.2 I2C寄存器配置

STM32单片机上的I2C接口通过I2C寄存器进行配置。主要寄存器包括：

- I2C_CR1：控制寄存器，用于配置I2C模式、时钟频率和中断使能。
- I2C_CR2：配置寄存器，用于配置从机地址和中断优先级。
- I2C_OAR1：从机地址寄存器，用于存储从机地址。
- I2C_DR：数据寄存器，用于发送和接收数据。
- I2C_SR1：状态寄存器，用于指示I2C总线状态和中断标志。
- I2C_SR2：状态寄存器，用于指示I2C总线状态和中断标志。

### 3.3 I2C通信编程

#### 3.3.1 主机模式通信

在主机模式下，STM32单片机作为I2C总线的主设备，负责启动通信并控制数据传输。

// 主机模式发送数据
void I2C_SendData(uint8_t slaveAddr, uint8_t* data, uint8_t len) {
    // 发送起始位
    I2C1->CR1 |= I2C_CR1_START;

    // 等待起始位发送完成
    while ((I2C1->SR1 & I2C_SR1_SB) == 0);

    // 发送从机地址和写标志
    I2C1->DR = (slaveAddr << 1) | 0;

    // 等待从机地址发送完成
    while ((I2C1->SR1 & I2C_SR1_ADDR) == 0);

    // 发送数据
    for (uint8_t i = 0; i < len; i++) {
        I2C1->DR = data[i];

        // 等待数据发送完成
        while ((I2C1->SR1 & I2C_SR1_TXE) == 0);
    }

    // 发送停止位
    I2C1->CR1 |= I2C_CR1_STOP;
}

#### 3.3.2 从机模式通信

在从机模式下，STM32单片机作为I2C总线上的从设备，负责接收数据并响应主设备的请求。

// 从机模式接收数据
void I2C_ReceiveData(uint8_t* data, uint8_t len) {
    // 等待主设备发送地址
    while ((I2C1->SR1 & I2C_SR1_ADDR) == 0);

    // 检查从机地址是否匹配
    if ((I2C1->SR1 & I2C_SR1_ADDR) == I2C_SR1_ADDR_MATCH) {
        // 接收数据
        for (uint8_t i = 0; i < len; i++) {
            data[i] = I2C1->DR;

            // 等待数据接收完成
            while ((I2C1->SR1 & I2C_SR1_RXNE) == 0);
        }

        // 发送应答位
        I2C1->CR1 |= I2C_CR1_ACK;
    }
}

# 4. SPI接口

### 4.1 SPI协议和通信原理

#### 4.1.1 SPI通信模式和时钟极性

SPI（串行外设接口）是一种同步串行通信协议，它使用四根信号线：时钟（SCK）、主设备输出数据（MOSI）、从设备输入数据（MISO）和片选（CS）。SPI通信有两种模式：主从模式和多主模式。在主从模式中，一个主设备控制总线并与一个或多个从设备通信。在多主模式中，多个主设备可以共享总线，但一次只能有一个主设备处于活动状态。

SPI时钟极性定义了时钟信号的空闲状态。有两种时钟极性：CPOL=0和CPOL=1。当CPOL=0时，时钟信号在空闲状态为低电平；当CPOL=1时，时钟信号在空闲状态为高电平。

#### 4.1.2 数据传输和帧格式

SPI数据传输以帧为单位进行。一个帧由一个或多个字节组成，每个字节由8位数据位组成。数据位按最高有效位（MSB）优先的顺序传输。

SPI帧格式由以下字段组成：

- **起始位：**一个低电平信号，表示帧的开始。
- **数据位：**8位数据位，从MSB到LSB传输。
- **结束位：**一个高电平信号，表示帧的结束。

### 4.2 STM32 SPI硬件配置

#### 4.2.1 GPIO引脚复用和时钟配置

STM32单片机上的SPI外设与GPIO引脚复用。需要将相应的GPIO引脚配置为SPI功能。此外，还需要为SPI外设配置时钟。

以下代码展示了如何配置GPIO引脚和时钟：

// GPIO引脚复用
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN; // 使能GPIOA时钟
GPIOA->CRH &= ~(GPIO_CRH_MODE12 | GPIO_CRH_CNF12); // 复用PA6为SPI1_MOSI
GPIOA->CRH |= GPIO_CRH_MODE12_0 | GPIO_CRH_CNF12_1; // 配置PA6为推挽输出，50MHz

// 时钟配置
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_SPI1EN; // 使能SPI1时钟
SPI1->CR1 &= ~SPI_CR1_BR; // 设置波特率为fAPB2/2
SPI1->CR1 |= SPI_CR1_BR_1 | SPI_CR1_BR_0; // fAPB2/4

#### 4.2.2 SPI寄存器配置

SPI外设的配置通过SPI寄存器进行。以下代码展示了如何配置SPI寄存器：

// SPI寄存器配置
SPI1->CR1 &= ~SPI_CR1_CPHA; // 时钟极性为CPOL=0
SPI1->CR1 &= ~SPI_CR1_CPOL; // 时钟相位为CPHA=0
SPI1->CR1 |= SPI_CR1_MSTR; // 主机模式
SPI1->CR1 |= SPI_CR1_SSM; // 软件从机模式使能
SPI1->CR2 |= SPI_CR2_SSOE; // 从机输出使能

### 4.3 SPI通信编程

#### 4.3.1 主机模式通信

在主机模式下，STM32单片机作为SPI总线的主人，负责控制总线并与从设备通信。以下代码展示了如何进行主机模式通信：

// 主机模式通信
uint8_t data = 0x55; // 要发送的数据
SPI1->DR = data; // 将数据写入数据寄存器
while (!(SPI1->SR & SPI_SR_TXE)); // 等待发送缓冲区为空
while (!(SPI1->SR & SPI_SR_RXNE)); // 等待接收缓冲区非空
uint8_t received_data = SPI1->DR; // 读取接收到的数据

#### 4.3.2 从机模式通信

在从机模式下，STM32单片机作为SPI总线的从设备，负责响应主设备的请求并进行数据传输。以下代码展示了如何进行从机模式通信：

// 从机模式通信
while (1) {
    if (SPI1->SR & SPI_SR_RXNE) { // 接收缓冲区非空
        uint8_t received_data = SPI1->DR; // 读取接收到的数据
        // 处理接收到的数据
    }
    if (SPI1->SR & SPI_SR_TXE) { // 发送缓冲区为空
        SPI1->DR = 0x55; // 发送数据
    }
}

# 5. ADC接口**

**5.1 ADC原理和采样技术**

**5.1.1 模数转换原理**

模数转换器（ADC）是一种将模拟信号（连续电压或电流）转换为数字信号（离散电压或电流）的电子器件。ADC的工作原理基于比较器和二分搜索算法。

**5.1.2 采样率和分辨率**

* **采样率：**ADC每秒钟转换模拟信号的次数，单位为赫兹（Hz）。采样率越高，ADC捕获模拟信号变化的精度就越高。
* **分辨率：**ADC转换后的数字信号的位数，单位为位（bit）。分辨率越高，ADC区分不同模拟信号的能力就越强。

**5.2 STM32 ADC硬件配置**

**5.2.1 GPIO引脚复用和时钟配置**

STM32单片机上的ADC外设需要与特定的GPIO引脚复用，以连接模拟信号源。同时，还需要配置ADC时钟。

**5.2.2 ADC寄存器配置**

ADC寄存器用于配置ADC的工作模式、采样率、分辨率等参数。主要寄存器包括：

* **ADC_CR1：**控制ADC的使能、触发源、转换模式等。
* **ADC_SQR1：**配置ADC的采样序列。
* **ADC_SMPR：**配置ADC的采样时间。
* **ADC_DR：**存储转换后的数字信号。

**5.3 ADC采样编程**

**5.3.1 单次采样**

单次采样模式下，ADC在收到触发信号后进行一次转换。

// 单次采样
void ADC_SingleSample(void) {
  // 1. 配置ADC寄存器
  ADC_CR1 |= ADC_CR1_EOCIE;  // 使能转换完成中断
  ADC_CR2 |= ADC_CR2_SWSTART;  // 软件触发转换

  // 2. 等待转换完成中断
  while (!(ADC_ISR & ADC_ISR_EOC)) {}

  // 3. 读取转换结果
  uint16_t adc_value = ADC_DR;
}

**5.3.2 连续采样**

连续采样模式下，ADC在收到触发信号后连续进行转换。

// 连续采样
void ADC_ContinuousSample(void) {
  // 1. 配置ADC寄存器
  ADC_CR2 |= ADC_CR2_CONT;  // 使能连续采样
  ADC_CR2 |= ADC_CR2_SWSTART;  // 软件触发转换

  // 2. 循环读取转换结果
  while (1) {
    while (!(ADC_ISR & ADC_ISR_EOC)) {}
    uint16_t adc_value = ADC_DR;
  }
}

# 6. 实战应用

### 6.1 串口调试和数据传输

**串口调试**

* 使用串口调试STM32单片机非常方便，可以输出日志信息、诊断数据和调试信息。
* 在开发环境中，通常会使用串口调试工具，如串口终端或IDE中的调试窗口。
* 串口调试需要配置串口引脚、波特率和数据帧格式。

**数据传输**

* 串口还可以用于数据传输，例如与PC或其他设备进行通信。
* 可以通过中断或轮询方式接收和发送数据。
* 数据传输时，需要考虑数据帧格式、校验方式和数据流控制。

### 6.2 I2C连接传感器和显示器

**连接传感器**

* I2C总线可以连接各种传感器，如温度传感器、加速度计和湿度传感器。
* I2C协议提供了寻址机制，可以同时连接多个传感器。
* 需要配置I2C引脚、时钟和地址。

**连接显示器**

* I2C总线还可以连接OLED显示器或LCD显示器。
* 可以通过I2C总线发送命令和数据，控制显示器的显示内容。
* 需要配置I2C引脚、时钟和显示器地址。

### 6.3 SPI控制外围设备和存储器

**控制外围设备**

* SPI总线可以控制各种外围设备，如LED、按键和电机。
* SPI协议提供了全双工通信，可以同时发送和接收数据。
* 需要配置SPI引脚、时钟和通信模式。

**控制存储器**

* SPI总线还可以连接存储器芯片，如EEPROM和闪存。
* 可以通过SPI总线读写存储器数据。
* 需要配置SPI引脚、时钟和存储器地址。

### 6.4 ADC测量温度和电压

**测量温度**

* STM32单片机内置ADC模块，可以测量模拟信号，如温度。
* 需要配置ADC引脚、时钟和采样率。
* 可以使用内部温度传感器或外部温度传感器。

**测量电压**

* ADC模块也可以测量电压。
* 需要配置ADC引脚、时钟和采样率。
* 可以使用外部电压源或单片机内部基准电压。