三种协议概览

UART I2C SPI
线数 2 (TX/RX) 2 (SCL/SDA) 4 (SCK/MOSI/MISO/CS)
通信方式 异步，全双工 同步，半双工 同步，全双工
速度 最高 ~10Mbps 标准 100K/400K/1M 最高 ~50Mbps
拓扑 一对一 多设备总线（7位地址128节点） 一主多从（CS 片选）
硬件复杂度 低 中（需上拉电阻） 高（多路 CS）
STM32 外设 USART/UART I2C1/I2C2 SPI1/SPI2

一、UART

原理

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起始位 + 数据位(5-9) + 校验位(可选) + 停止位(0.5/1/1.5/2)

空闲： ──────────────────────────────
       │  S │ D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 │ P │ STP │
       └┐   └──────────────────────────┘   └┐    └── 空闲
        └─ 0 ─┘               └─ 1 ─┘         └─ 1 ─┘

S=起始位(0), D=数据(LSB先), P=校验(可选), STP=停止位(1)

例：发送 0x41 (01000001b)，8N1 格式
   0 10000010 1
   ↑ ↑       ↑
   起 LSB→MSB 停

异步机制

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UART 没有时钟线。接收方如何知道什么时候采样？

① 双方约定同样的波特率（如 115200bps）
② 起始位的下降沿触发接收时钟
③ 接收方在每位中点采样（16 倍过采样）

发送方 TX  ─── 115200bps ───→  RX 接收方

       ┌──1 bit @115200 = 8.68μs──┐
       │                          │
TX:    │ 0  │ 1 │ 0 │ 0 │ 0 │ 0 │ 0 │ 1 │ 0 │ 1 │
       └────┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┘

RX 在   ↑     ↑   ↑   ↑   ↑   ↑   ↑   ↑   ↑   ↑
每个位中点采样（由内部 16× 时钟定位）

STM32 HAL 配置

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UART_HandleTypeDef huart1;

void MX_USART1_UART_Init(void) {
    huart1.Instance = USART1;
    huart1.Init.BaudRate = 115200;
    huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
    huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
    huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
    huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
    huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
    huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
    HAL_UART_Init(&huart1);
}

三种收发方式

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/* 1. 阻塞（简单，浪费时间） */
uint8_t rx;
HAL_UART_Transmit(&huart1, "hello\r\n", 7, 1000);  // 发，超时1s
HAL_UART_Receive(&huart1, &rx, 1, 1000);           // 收，阻塞等待

/* 2. 中断（推荐，不占 CPU） */
HAL_UART_Transmit_IT(&huart1, tx_buf, len);         // 发送中断
HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &rx_byte, 1);          // 每收1字节进中断
// 回调：void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)

/* 3. DMA（大批量数据，CPU 完全不参与） */
HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, tx_buf, 1024);
HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, rx_buf, 1024);
// 回调：void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)

常用场景

场景 配置 说明
串口调试 115200-8N1 printf 重定向
GPS 模块 9600-8N1 标准 NMEA 协议
HC-05 蓝牙 9600-8N1 AT 命令 + 透传
RS485 +485 芯片 + 方向控制 差分信号，抗干扰
Modbus 9600-8E1 工业协议，偶校验

二、I2C

原理

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       SCL  ┌─┬─┐ ┌─┬─┐ ┌─┬─┐ ┌─┬─┐
            ┘ └─┘ └─┘ └─┘ └─┘ └─┘ └─

       SDA  ────┐     ┌─┐     ┌─┐
                └─────┘ └─────┘ └──
              START    D7..D0  ACK  STOP

帧格式:
  START │ 地址(7b)+R/W │ ACK │ 数据(8b) │ ACK │ ... │ STOP

所有从设备共挂 SCL/SDA，主机通过地址选择通信对象。
SCL 始终由主机产生，SDA 双向开漏（需外部上拉电阻 4.7KΩ）。

起始/停止条件

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SCL 高电平时 SDA 的变化定义起始和停止：

    SDA ──┐          ┌──
           └─ START   │   ┌─ STOP
    SCL ──────┐  ┌────┼───┼────
              │  │    │   │
              ①  ②    ③   ④

① SDA 下降 + SCL 高 → START
② SDA 数据变化只能在 SCL 低时
③ SDA 上升 + SCL 高 → STOP
④ 总线释放（SDA 被上拉电阻拉高）

STM32 HAL 配置

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I2C_HandleTypeDef hi2c1;

void MX_I2C1_Init(void) {
    hi2c1.Instance = I2C1;
    hi2c1.Init.ClockSpeed = 400000;              // 400KHz 快速模式
    hi2c1.Init.DutyCycle = I2C_DUTYCYCLE_2;
    hi2c1.Init.OwnAddress1 = 0;                  // 主机模式地址忽略
    hi2c1.Init.AddressingMode = I2C_ADDRESSINGMODE_7BIT;
    hi2c1.Init.DualAddressMode = I2C_DUALADDRESS_DISABLE;
    hi2c1.Init.GeneralCallMode = I2C_GENERALCALL_DISABLE;
    hi2c1.Init.NoStretchMode = I2C_NOSTRETCH_DISABLE;
    HAL_I2C_Init(&hi2c1);
}

读写操作

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/* 写寄存器：设备地址(7位<<1) + 寄存器地址 + 数据 */
HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, 0x68 << 1, reg_addr,
                  I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &data, 1, 100);

/* 读寄存器：同上，方向改为读 */
HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, 0x68 << 1, reg_addr,
                 I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, buf, len, 200);

/* 简单读写（无寄存器地址的设备） */
HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, dev_addr << 1, tx_buf, len, 100);
HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, dev_addr << 1, rx_buf, len, 200);

常见设备地址

设备 7位地址 8位地址（<<1） 说明
MPU6050 0x68 0xD0 AD0=GND
SSD1306 OLED 0x3C 0x78 I2C 显示
AT24C02 EEPROM 0x50 0xA0 存储芯片
DS3231 RTC 0x68 0xD0 实时时钟
BME280 0x76 0xEC 温湿压传感器

常见问题

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1. SCL/SDA 一直被拉低
   → 某个从设备把总线锁住了。断电重开，或给 SCL 发 9 个时钟脉冲释放总线。

2. HAL_I2C_Mem_Read 返回 HAL_ERROR
   → 设备地址不对（注意是 7 位还是 8 位）
   → 上拉电阻太大（>10KΩ），换 4.7KΩ 或 2.2KΩ

3. 偶尔通信失败
   → 上拉电阻接触不良
   → 线太长（>30cm），降低频率到 100KHz

三、SPI

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        SCK ─────┐  ┌───┐  ┌───
                 └──┘   └──┘   └──  (主机产生)
        MOSI ────┬───┬───┬───┬───  (Master Out Slave In)
        MISO ────┬───┬───┬───┬───  (Master In Slave Out)
         CS ─────┘               └─ (片选，低有效)

全双工：MOSI 和 MISO 同时传输，每个时钟沿交换一位。

         ┌── CPOL=0 ──┐     ┌── CPOL=1 ──┐
SCK:  ───┐         ┌───  ───┐         ┌───
         └─────────┘         └─────────┘

CPHA=0: 第1个边沿采样    CPHA=1: 第2个边沿采样

共 4 种模式 (CPOL/CPHA)，主从双方必须一致。
模式 0 (CPOL=0,CPHA=0) 最常用。

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SPI_HandleTypeDef hspi1;

void MX_SPI1_Init(void) {
    hspi1.Instance = SPI1;
    hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;           // 主机模式
    hspi1.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES; // 双线全双工
    hspi1.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;
    hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW;   // CPOL=0
    hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE;       // CPHA=0
    hspi1.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;               // 软件控制 CS
    hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_16; // 72M/16=4.5M
    hspi1.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;      // 高位在前
    hspi1.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE;
    hspi1.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;
    HAL_SPI_Init(&hspi1);
}

读写操作

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/* 收发同时（全双工） */
uint8_t tx[2] = {0x80, 0x00};  // 寄存器地址 + 空字节
uint8_t rx[2];
HAL_GPIO_WritePin(CS_GPIO_Port, CS_Pin, GPIO_PIN_RESET);  // CS 拉低
HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi1, tx, rx, 2, 100);
HAL_GPIO_WritePin(CS_GPIO_Port, CS_Pin, GPIO_PIN_SET);    // CS 拉高

/* 仅发送 */
HAL_SPI_Transmit(&hspi1, tx_buf, len, 100);

/* DMA 高速传输 */
HAL_SPI_TransmitReceive_DMA(&hspi1, tx, rx, 1024);

四、三种协议怎么选

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│                   选型流程                         │
├──────────────────────────────────────────────────┤
│ 需要多个设备通信？                                 │
│   ├─ 是 → 设备 > 2？                              │
│   │       ├─ 是 → 每个设备需要独立 CS → 选 SPI    │
│   │       └─ 否 → 选 I2C（两根线可挂 128 设备）    │
│   └─ 否 → 选 UART（最简单）                        │
│                                                    │
│ 速度要求？                                         │
│   ├─ > 1Mbps → 选 SPI                             │
│   ├─ 100K~1M → I2C 快速模式 / UART 高波特率        │
│   └─ < 100K → 都可以                               │
│                                                    │
│ 线数限制？                                         │
│   ├─ 2 线 → UART / I2C                            │
│   └─ 不限 → SPI                                    │
│                                                    │
│ 距离 > 1m？                                        │
│   ├─ 是 → RS232/RS485（UART 电平转换）              │
│   └─ 否 → 都可以                                   │
└──────────────────────────────────────────────────┘

五、实战对比（读取一个传感器）

步骤 UART（GPS 模块） I2C（MPU6050） SPI（BME280）
初始化 HAL_UART_Init() HAL_I2C_Init() HAL_SPI_Init()
读取 HAL_UART_Receive_IT() 逐字节解析 HAL_I2C_Mem_Read() 读寄存器 HAL_SPI_TransmitReceive() 全双工
解析 查 NMEA 协议，找 $GPRMC 高/低字节拼 `(H<<8) L`
调试 逻辑分析仪 + 串口助手 逻辑分析仪看 SCL/SDA 逻辑分析仪 4 线

六、CubeMX 配置速查

外设 CubeMX 要点
USART1 Mode: Asynchronous, PA9=TX, PA10=RX
USART2 PA2=TX, PA3=RX（常用蓝牙接这里）
I2C1 PB6=SCL, PB7=SDA, Speed: Fast Mode
I2C2 PB10=SCL, PB11=SDA
SPI1 PA5=SCK, PA7=MOSI, PA6=MISO
SPI2 PB13=SCK, PB15=MOSI, PB14=MISO

七、调试技巧

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1. 逻辑分析仪是最重要的调试工具
   → Saleae Logic 8 (淘宝 ~30 元克隆版)
   → 直接看波形，比代码调试快 10 倍

2. UART 调试：先用 USB-TTL 接电脑验证 TX/RX
   → 确保波特率、数据位、停止位一致
   → 短接 TX/RX 自发自收验证硬件

3. I2C 调试：
   → 用逻辑分析仪看 START/STOP/ACK
   → i2c_scanner 代码扫描所有地址，确认设备在线

4. SPI 调试：
   → CS 线最容易忘记拉低/拉高
   → 检查 CPOL/CPHA 是否与数据手册一致