I2C）¶

嵌入式系统中，MCU 很少独立工作，几乎总是需要与传感器、模块、PC 或其他 MCU 通信。UART、SPI、I2C 是三种最常用的串行通信协议，掌握它们就能与绝大多数外设模块对话。

零、通信基础概念¶

在学习具体协议之前，先理解几个关键概念：

概念	含义	举例
串行 vs 并行	数据逐位发送 vs 多位同时发送	UART 是串行；内存总线是并行
同步 vs 异步	有/无独立时钟线	SPI/I2C 是同步（有 CLK）；UART 是异步
全双工 vs 半双工	能否同时收发	SPI 全双工；I2C 半双工
主从模式	谁发起通信	SPI/I2C 有主机从机之分

三种协议对比¶

特性	UART	SPI	I2C
信号线数量	2（TX、RX）	4+（SCLK、MOSI、MISO、CS）	2（SCL、SDA）
同步方式	异步	同步	同步
双工方式	全双工	全双工	半双工
速度	低（~几 Mbps）	高（~几十 Mbps）	中（100k/400k/3.4Mbps）
设备数量	点对点（一对一）	一主多从（每从需一根 CS）	一主多从（地址区分）
典型应用	串口调试、GPS、蓝牙模块	Flash、LCD 屏、SD 卡	传感器（MPU6050）、EEPROM

一、UART 串口通信¶

什么是 UART？¶

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器）是最简单、最常用的通信接口。STM32 中称为 USART（多了一个 S = Synchronous，支持同步模式，但通常用异步模式）。

串口调试

串口是嵌入式开发中最重要的调试工具之一。通过 USB 转 TTL 模块将 STM32 的串口连接到 PC，就可以用串口助手收发数据，打印调试信息。

数据帧格式¶

UART 的每一帧数据格式如下：

空闲（高电平）
      │  起始位  │     数据位      │校验位│ 停止位 │
      ↓         ↓                 ↓      ↓       ↓
 ─────┐    ┌─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┐   ┌─┐   ┌───┐
 高    │    │D0│D1│D2│D3│D4│D5│D6│D7│   │ P│   │ 1 │  ─── 高
      └────┘  └─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┘   └─┘   └───┘
      起始位=0    LSB ────→ MSB   可选    1或2位

字段	说明
起始位	1 位低电平，通知接收方数据来了
数据位	8 位（或 9 位），LSB 先发
校验位	可选：无校验 / 奇校验 / 偶校验
停止位	1 位或 2 位高电平，标志一帧结束

波特率¶

波特率 = 每秒传输的 bit 数（bps）。收发双方必须约定相同的波特率。

常用波特率：9600、115200、460800

异步通信的关键

UART 没有时钟线，收发双方各自产生时钟。如果波特率不匹配，数据就会乱码。实际中允许的误差通常 < 2%。

CubeMX 配置串口¶

Connectivity → USART1
- Mode: Asynchronous
- Baud Rate: 115200
- Word Length: 8 Bits
- Parity: None
- Stop Bits: 1
PA9（TX）和 PA10（RX）会自动配置
如需中断接收：在 NVIC Settings 中勾选 USART1 global interrupt
生成代码

代码示例：串口发送数据¶

CubeMX 自动生成 MX_USART1_UART_Init() 和 UART_HandleTypeDef huart1。

/* main.c */
#include <stdio.h>
#include <string.h>

/* USER CODE BEGIN 2 */
char msg[] = "Hello, STM32!\r\n";
HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)msg, strlen(msg), HAL_MAX_DELAY);
/* USER CODE END 2 */

/* USER CODE BEGIN WHILE */
while (1)
{
    char buf[] = "Running...\r\n";
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)buf, strlen(buf), HAL_MAX_DELAY);
    HAL_Delay(1000);
    /* USER CODE END WHILE */
}

printf 重定向到串口¶

在 main.c 中重定向 printf（需要在 Keil 中勾选 Use MicroLIB）：

/* USER CODE BEGIN 0 */
#include <stdio.h>

int fputc(int ch, FILE *f)
{
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&ch, 1, HAL_MAX_DELAY);
    return ch;
}
/* USER CODE END 0 */

串口中断接收¶

/* main.c */

uint8_t rx_data;  // 单字节接收缓冲区

/* USER CODE BEGIN 2 */
HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &rx_data, 1);  // 启动中断接收（1字节）
/* USER CODE END 2 */

/* USER CODE BEGIN 4 */
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    if (huart->Instance == USART1)
    {
        // 回显：收到什么就发回什么
        HAL_UART_Transmit(&huart1, &rx_data, 1, HAL_MAX_DELAY);

        // 重新启动接收（HAL 中断接收是单次的）
        HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &rx_data, 1);
    }
}
/* USER CODE END 4 */

HAL 中断接收是单次触发

HAL_UART_Receive_IT() 完成指定字节数的接收后就停止了。必须在回调函数中重新调用才能继续接收。如果忘记重新调用，就只能收到一次数据。

二、SPI 通信¶

什么是 SPI？¶

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是一种高速、全双工、同步的通信协议。

信号线¶

信号线	全称	方向	功能
SCLK	Serial Clock	主→从	时钟信号，由主机产生
MOSI	Master Out Slave In	主→从	主机发送数据
MISO	Master In Slave Out	从→主	从机返回数据
CS/NSS	Chip Select	主→从	片选，低电平有效，选中从机

主机 (STM32)              从机 (Flash/传感器)
┌────────────┐           ┌────────────┐
│    SCLK  ──┼──────────→┼── SCLK     │
│    MOSI  ──┼──────────→┼── MOSI     │
│    MISO  ←─┼───────────┼── MISO     │
│    CS    ──┼──────────→┼── CS       │
└────────────┘           └────────────┘

SPI 四种工作模式（CPOL & CPHA）¶

SPI 有两个可配置参数：

CPOL（Clock Polarity）：空闲时时钟电平。0 = 低电平，1 = 高电平
CPHA（Clock Phase）：数据采样时机。0 = 第一个边沿，1 = 第二个边沿

模式	CPOL	CPHA	空闲时 CLK	采样边沿
Mode 0	0	0	低	上升沿采样
Mode 1	0	1	低	下降沿采样
Mode 2	1	0	高	下降沿采样
Mode 3	1	1	高	上升沿采样

最常用的模式

Mode 0 和 Mode 3 最常用。大多数 SPI 器件（如 W25Q Flash、OLED 屏）默认使用 Mode 0 或 Mode 3。查阅从机数据手册即可确定。

SPI 数据传输过程¶

SPI 使用移位寄存器实现数据交换——主机和从机各有一个 8 位移位寄存器，在每个时钟周期交换 1 位数据：

主机移位寄存器          从机移位寄存器
[D7|D6|D5|D4|D3|D2|D1|D0] ←→ [D7|D6|D5|D4|D3|D2|D1|D0]
         ↓ MOSI →                  
         ← MISO ↓

8 个时钟周期后，主机和从机各自收到了对方的 1 字节数据。SPI 的发送和接收是同时进行的。

CubeMX 配置 SPI¶

Connectivity → SPI1
- Mode: Full-Duplex Master
- Prescaler: 8（72MHz / 8 = 9MHz）
- CPOL: Low
- CPHA: 1 Edge（即 Mode 0）
- Data Size: 8 Bits
- First Bit: MSB
- NSS Signal: Disable（CS 用软件 GPIO 控制）
PA5（SCK）、PA6（MISO）、PA7（MOSI）自动配置
PA4 手动设置为 GPIO_Output（用作 CS 片选）
生成代码

SPI 代码示例¶

/* main.c */

// CS 控制宏
#define CS_LOW()   HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_RESET)
#define CS_HIGH()  HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_SET)

// SPI 收发一个字节（全双工，发送和接收同时进行）
uint8_t SPI_TransferByte(uint8_t txData)
{
    uint8_t rxData;
    HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi1, &txData, &rxData, 1, HAL_MAX_DELAY);
    return rxData;
}

// 使用示例：读取 Flash（W25Qxx）的 JEDEC ID
void Flash_ReadID(void)
{
    CS_LOW();                              // 选中从机

    SPI_TransferByte(0x9F);                // 发送读 ID 命令
    uint8_t mfr = SPI_TransferByte(0xFF);  // 读制造商 ID
    uint8_t id1 = SPI_TransferByte(0xFF);  // 读设备 ID 高字节
    uint8_t id2 = SPI_TransferByte(0xFF);  // 读设备 ID 低字节

    CS_HIGH();                             // 释放从机
}

HAL SPI 的几种传输函数

函数	用途
`HAL_SPI_Transmit()`	只发送
`HAL_SPI_Receive()`	只接收
`HAL_SPI_TransmitReceive()`	全双工收发
`HAL_SPI_Transmit_IT()`	中断方式发送
`HAL_SPI_Transmit_DMA()`	DMA 方式发送

三、I2C 通信¶

什么是 I2C？¶

I2C（Inter-Integrated Circuit，集成电路互联）是一种只需 2 根线 就能连接多个设备的同步半双工通信协议。

信号线	功能
SCL	时钟线，主机产生
SDA	数据线，双向传输

为什么只需 2 根线？

I2C 使用开漏输出 + 外部上拉电阻，所有设备共享 SDA 和 SCL 总线。通过地址区分不同从机（每个从机有唯一的 7 位地址）。

I2C 通信时序¶

一次完整的 I2C 通信包含以下步骤：

         起始位            地址 + 读写位     应答   数据字节     应答    停止位
SCL: ────┐  ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐       ┌────
         └──┘ └─┘ └─┘ └─┘ └─┘ └─┘ └─┘ └─┘ └─┘ └─┘ └─┘ └─┘ └─┘ └─┘       │
SDA: ──┐     A6  A5  A4  A3  A2  A1  A0  R/W ACK D7  D6 ... D0  ACK    ┌──┘
       └─────────────────────────────────────────────────────────────────┘

时序	条件	含义
起始位（S）	SCL 高电平时，SDA 下降沿	通信开始
停止位（P）	SCL 高电平时，SDA 上升沿	通信结束
应答（ACK）	接收方拉低 SDA	收到数据，继续
非应答（NACK）	接收方保持 SDA 高	通信结束或出错

I2C 地址¶

每个 I2C 从机有一个 7 位地址（也有 10 位地址模式，较少用）。

发送地址时的第 8 位（最低位）表示读写方向：

地址 + 0 = 写操作（主机向从机发数据）
地址 + 1 = 读操作（主机从从机读数据）

MPU6050 的地址

MPU6050 的 7 位地址是 0x68（AD0 接地时）或 0x69（AD0 接高）。

写操作发送：0x68 << 1 | 0 = 0xD0
读操作发送：0x68 << 1 | 1 = 0xD1

CubeMX 配置 I2C¶

Connectivity → I2C1
- I2C Speed Mode: Standard Mode（100kHz）或 Fast Mode（400kHz）
PB6（SCL）和 PB7（SDA）自动配置
生成代码

HAL 硬件 I2C vs 软件 I2C

STM32F1 的硬件 I2C 曾经有一些已知 bug（官方勘误表中列出），但 HAL 库已经做了很多兼容处理。对于大多数应用，直接使用 HAL 硬件 I2C 即可，简单且稳定。如果遇到极端情况也可以用软件模拟。

HAL I2C 代码示例：读写 MPU6050¶

/* main.c */

#define MPU6050_ADDR  (0x68 << 1)  // HAL 需要 8 位地址（左移 1 位）

// 向 MPU6050 寄存器写一个字节
HAL_StatusTypeDef MPU6050_WriteReg(uint8_t reg, uint8_t data)
{
    return HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, MPU6050_ADDR, reg,
                             I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &data, 1, HAL_MAX_DELAY);
}

// 从 MPU6050 寄存器读一个字节
uint8_t MPU6050_ReadReg(uint8_t reg)
{
    uint8_t data;
    HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, MPU6050_ADDR, reg,
                     I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &data, 1, HAL_MAX_DELAY);
    return data;
}

// 连续读取多个字节（如读取 6 字节加速度数据）
void MPU6050_ReadAccel(int16_t *ax, int16_t *ay, int16_t *az)
{
    uint8_t buf[6];
    HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, MPU6050_ADDR, 0x3B,
                     I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, buf, 6, HAL_MAX_DELAY);

    *ax = (int16_t)(buf[0] << 8 | buf[1]);
    *ay = (int16_t)(buf[2] << 8 | buf[3]);
    *az = (int16_t)(buf[4] << 8 | buf[5]);
}

// 初始化 MPU6050
void MPU6050_Init(void)
{
    MPU6050_WriteReg(0x6B, 0x00);  // 解除休眠
    MPU6050_WriteReg(0x1C, 0x00);  // 加速度量程 ±2g
    MPU6050_WriteReg(0x1B, 0x00);  // 陀螺仪量程 ±250°/s
}

HAL I2C 函数说明

函数	说明
`HAL_I2C_Mem_Write()`	向从机指定寄存器写数据（最常用）
`HAL_I2C_Mem_Read()`	从从机指定寄存器读数据（最常用）
`HAL_I2C_Master_Transmit()`	向从机发送数据（不指定寄存器）
`HAL_I2C_Master_Receive()`	从从机接收数据（不指定寄存器）
`HAL_I2C_IsDeviceReady()`	检测从机是否在线

I2C 设备扫描¶

调试时可以用这段代码扫描总线上所有设备：

/* USER CODE BEGIN 2 */
printf("Scanning I2C bus...\r\n");
for (uint8_t addr = 1; addr < 128; addr++)
{
    if (HAL_I2C_IsDeviceReady(&hi2c1, addr << 1, 3, 10) == HAL_OK)
    {
        printf("Found device at 0x%02X\r\n", addr);
    }
}
printf("Scan done.\r\n");
/* USER CODE END 2 */

四、三种协议选型指南¶

场景	推荐协议	原因
PC 调试打印	UART	简单直接，串口助手即可查看
高速读写 Flash/SD 卡	SPI	速度快，全双工
连接多个传感器（IMU、温湿度）	I2C	只需 2 根线，节省引脚
显示屏（OLED、TFT）	SPI（首选）或 I2C	SPI 刷屏速度快
两个 MCU 之间通信	UART 或 SPI	根据速度需求选择
引脚极度紧张	I2C	占用引脚最少

五、常见问题¶

UART 接收到乱码？

检查波特率：双方必须完全一致
检查时钟配置：CubeMX 时钟树配置不对会导致实际波特率偏差
检查接线：TX 接 RX，RX 接 TX（交叉连接）
检查电平：STM32 是 3.3V TTL 电平，不能直接接 RS232（±12V）

SPI 读到的全是 0xFF 或 0x00？

检查接线：MOSI/MISO 是否接反
检查 CS 引脚：是否正确拉低（HAL 不自动管理软件 CS）
检查 SPI 模式：CPOL 和 CPHA 是否和从机匹配
检查速度：Prescaler 是否让速率超过从机支持的最大频率

I2C 设备扫描不到？

检查上拉电阻：I2C 总线必须有上拉电阻（通常 4.7kΩ）
检查地址：HAL 使用 8 位地址（7 位地址左移 1 位），确认是否正确
检查接线：SDA 和 SCL 是否接反
检查供电：从机是否正常上电

HAL_UART_Transmit 和 HAL_UART_Transmit_IT 的区别？

HAL_UART_Transmit()：阻塞发送，函数返回时数据已发送完毕
HAL_UART_Transmit_IT()：非阻塞发送，数据在后台通过中断发送，完成后触发 HAL_UART_TxCpltCallback()
HAL_UART_Transmit_DMA()：DMA 方式发送，CPU 几乎不参与