驱动之SPI,UART,I2C的介绍与应用20170118

这篇文章主要介绍基本的驱动也是用的最多的协议类驱动中的SPI,I2C和UART。首先从最简单的UART也就是串口讲起:

1.UART

UART由两根线也就是TX,RX以及波特率产生器组成，操作比较简单，配置好后，就可以发送接收数据了，注意有的MCU需要接收数据时清除某些标记。如:

2.SPI

SPI一般有三根线组成即CLK,MOSI,MISO,数据输入和输出是单独的一根线。一般的操作都是先发控制指令，再发地址，接着才是数据。例:

3.I2C

I2C一般由两根线组成，即SDA,SCL，一根时钟线，一根数据线。关于I2C相关的开始信号，响应信号，停止信号时序见后面附录图片，这些信号一般都是通用封装好的，封装函数见附件(IO口模拟I2C)。

下面重点介绍I2C的使用操作，一般通信步骤是开始信号，从机地址+读或写标记，等待回应，发送数据，等待回应（接收数据，发送回应(最后一次接收则不发回应)），停止信号，代码示例:

最后，再总结与强调一下

SPI、I2C、UART三种串行总线协议的区别：

1,字面意思上：

SPI(Serial Peripheral Interface：串行外设接口); 
I2C(INTER IC BUS) 
UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter：通用异步收发器)

2.各总线的信号线：

SPI总线由三条信号线组成：串行时钟(SCLK)、串行数据输出(SDO)、串行数据输入(SDI)。SPI总线可以实现 多个SPI设备互相连接。提供SPI串行时钟的SPI设备为SPI主机或主设备(Master)，其他设备为SPI从机或从设备(Slave)。主从设备间可以实现全双工通信，当有多个从设备时，还可以增加一条从设备选择线。

I2C总线是双向、两线(SCL、SDA)、串行、多主控（multi-master）接口标准，具有总线仲裁机制，非常适合在器件之间进行近距离、非经常性的数据通信。在它的协议体系中，传输数据时都会带上目的设备的设备地址，因此可以实现设备组网。一根数据线上传输的一条报文包括：开始信号+设备地址+命令+数据+(ACK)+停止信号

UART总线是异步串口，因此一般比前两种同步串口的结构要复杂很多，一般由波特率产生器(产生的波特率等于传输波特率的16倍)、UART接收器、UART发送器组成，硬件上由两根线，一根用于发送，一根用于接收。

从第二点明显可以看出，SPI和UART可以实现全双工，但I2C不行；

总结：I2C线更少，但是技术上也更加麻烦些，因为I2C需要有双向IO的支持，而且使用上拉电阻，抗干扰能力较弱，一般用于同一板卡上芯片之间的通信，较少用于远距离通信。SPI实现要简单一些，UART需要固定的波特率，就是说两位数据的间隔要相等，而SPI则无所谓，因为它是有时钟的协议。

个人学习笔记附录:

代码附件:

 /*****************************************************************************
 * Copyright (C) 2014-2015 China Aerospace Telecommunications Ltd.  All rights reserved.
 ------------------------------------------------------------------------------
 * File Module        :     PT810 dev_I2C.c
 * Description        :     I2C Drive operation center
 * Created            :     2016.10.13.
 * Author            :     Yu Weifeng
 * Function List         :
 * Last Modified     :
 * History            :
 ******************************************************************************/
 #include "stm32f4xx_hal.h"
 #include "CBasicTools.h"
 #include "Config.h"
 #include "dev_LightDistanceSensor.h"
 #include "core_CM4.h"
 #include "ucos_ii.h"

 static void I2C_DevConfig(void);
 static void I2C_Start();
 static void I2C_SendByte(u8 i_ucData);
 static u8 I2C_ReadByte(u8 i_ucAck);
 static u8 I2C_WaitAck();
 static void I2C_Stop();

 static T_I2C_DevManage g_tI2C_Dev ={
     .name="I2C_Dev",
     .DevConfig        =I2C_DevConfig,
     .DevI2C_Start        =I2C_Start,
     .DevI2C_SendByte    =I2C_SendByte,
     .DevI2C_ReadByte    =I2C_ReadByte,
     .DevI2C_WaitAck    =I2C_WaitAck,
     .DevI2C_Stop        =I2C_Stop,
 };
 //IO方向设置
 #define SDA_IN()     {GPIOB->MODER&=~(3<<(9*2));GPIOB->MODER|=0<<9*2;}    //PB9输入模式
 #define SDA_OUT() {GPIOB->MODER&=~(3<<(9*2));GPIOB->MODER|=1<<9*2;} //PB9输出模式

 /*****************************************************************************
 -Fuction        : I2C_DevInit
 -Description    : I2C_DevInit
 -Input            :
 -Output         :
 -Return         : True/False
 * Modify Date      Version         Author           Modification
 * -----------------------------------------------
 * 2016/10/13       V1.0.0         Yu Weifeng      Created
 ******************************************************************************/
 void I2C_DevInit()
 {
     RegisterI2C_Dev(&g_tI2C_Dev);
 }

 /*****************************************************************************
 -Fuction        : DelayUs
 -Description    : DelayUs
 -Input            :
 -Output         :
 -Return         : True/False
 * Modify Date      Version         Author           Modification
 * -----------------------------------------------
 * 2016/10/13       V1.0.0         Yu Weifeng      Created
 ******************************************************************************/
 static void DelayUs(u8 i_ucTime)
  {
     u16 wTime = *i_ucTime;
     while(wTime--);
 }
 //延时nus
 //nus:要延时的us数.
 //nus:0~190887435(最大值即2^32/fac_us@fac_us=22.5)
 void delay_us(u32 nus)
 {
     u32 ticks;
     u32 told,tnow,tcnt=;
     u32 reload=SysTick->LOAD;                //LOAD的值
     ticks=nus*;                         //系统时钟晶振为84M晶振
     OSSchedLock();                    //阻止OS调度，防止打断us延时
     told=SysTick->VAL;                        //刚进入时的计数器值
     while()
     {
         tnow=SysTick->VAL;
         if(tnow!=told)
         {
             if(tnow<told)tcnt+=told-tnow;    //这里注意一下SYSTICK是一个递减的计数器就可以了.
             else tcnt+=reload-tnow+told;
             told=tnow;
             if(tcnt>=ticks)break;            //时间超过/等于要延迟的时间,则退出.
         }
     };
     OSSchedUnlock();                    //恢复OS调度
 }

 /*****************************************************************************
 -Fuction        : I2C_SDA_SET
 -Description    : I2C_SDA_SET
 -Input            :
 -Output         :
 -Return         : True/False
 * Modify Date      Version         Author           Modification
 * -----------------------------------------------
 * 2016/10/13       V1.0.0         Yu Weifeng      Created
 ******************************************************************************/
 static u8 I2C_SDA_SET(u8 i_ucSetValue)
 {
     u8 ret=FALSE;
     if(GPIO_PIN_SET==i_ucSetValue)
     {
         HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_9,GPIO_PIN_SET);    //对应引脚PB
         ret=TRUE;
     }
     else if(GPIO_PIN_RESET==i_ucSetValue)
     {
         HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_9,GPIO_PIN_RESET);    //对应引脚PB
         ret=TRUE;
     }
     else
     {
         ret=FALSE;
         DebugPrintf(ERR"I2C_SDA_SET format err\r\n");
     }
     return ret;
 }
 /*****************************************************************************
 -Fuction        : I2C_SDA_READ
 -Description    : I2C_SDA_READ
 -Input            :
 -Output         :
 -Return         :
 * Modify Date      Version         Author           Modification
 * -----------------------------------------------
 * 2016/10/13       V1.0.0         Yu Weifeng      Created
 ******************************************************************************/
 static u8 I2C_SDA_READ()
 {
     u8 ret=;
     ret=HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB,GPIO_PIN_9);
     return ret;
 }
 /*****************************************************************************
 -Fuction        : I2C_SCL_SET
 -Description    : I2C_SCL_SET
 -Input            :
 -Output         :
 -Return         : True/False
 * Modify Date      Version         Author           Modification
 * -----------------------------------------------
 * 2016/10/13       V1.0.0         Yu Weifeng      Created
 ******************************************************************************/
 static u8 I2C_SCL_SET(u8 i_ucSetValue)
 {
     u8 ret=FALSE;
     if(GPIO_PIN_SET==i_ucSetValue)
     {
         HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_8,GPIO_PIN_SET);    //对应引脚PB
         ret=TRUE;
     }
     else if(GPIO_PIN_RESET==i_ucSetValue)
     {
         HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_8,GPIO_PIN_RESET);    //对应引脚PB
         ret=TRUE;
     }
     else
     {
         ret=FALSE;
         DebugPrintf(ERR"I2C_SCL_SET format err\r\n");
     }
     return ret;
 }

 /*****************************************************************************
 -Fuction        : I2C_DevConfig
 -Description    : I2C_DevConfig
 -Input            :
 -Output         :
 -Return         :
 * Modify Date      Version         Author           Modification
 * -----------------------------------------------
 * 2016/10/13       V1.0.0         Yu Weifeng      Created
 ******************************************************************************/
 static void I2C_DevConfig(void)
 {
     GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure;

     __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();    //使能GPIOH时钟

     //PB8,9初始化设置
     GPIO_Initure.Pin=GPIO_PIN_8|GPIO_PIN_9;
     GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_OUTPUT_PP;    //推挽输出
     GPIO_Initure.Pull=GPIO_PULLUP;            //上拉
     GPIO_Initure.Speed=GPIO_SPEED_FAST;     //快速
     HAL_GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_Initure);

     I2C_SDA_SET();
     I2C_SCL_SET();
 }
 /*****************************************************************************
 -Fuction        : I2C_Start
 -Description    : I2C_Start//产生IIC起始信号
 -Input            :
 -Output         :
 -Return         :
 * Modify Date      Version         Author           Modification
 * -----------------------------------------------
 * 2016/09/23       V1.0.0         Yu Weifeng      Created
 ******************************************************************************/
 static void I2C_Start()
 {
     SDA_OUT();       //sda线输出
     I2C_SDA_SET();
     I2C_SCL_SET();
     DelayUs();
     I2C_SDA_SET();//START:when CLK is high,DATA change form high to low
     DelayUs();
     I2C_SCL_SET();//钳住I2C总线，准备发送或接收数据
 }
 /*****************************************************************************
 -Fuction        : I2C_Stop
 -Description    : I2C_Stop//产生IIC起始信号
 -Input            :
 -Output         :
 -Return         :
 * Modify Date      Version         Author           Modification
 * -----------------------------------------------
 * 2016/09/23       V1.0.0         Yu Weifeng      Created
 ******************************************************************************/
 static void I2C_Stop()
 {
     SDA_OUT();//sda线输出
     I2C_SCL_SET();
     I2C_SDA_SET();//STOP:when CLK is high DATA change form low to high
     DelayUs();
     I2C_SCL_SET();
     I2C_SDA_SET();//发送I2C总线结束信号
     DelayUs();
 }
 /*****************************************************************************
 -Fuction        : I2C_AckGenerate
 -Description    : I2C_AckGenerate////产生ACK应答
 -Input            :
 -Output         :
 -Return         :
 * Modify Date      Version         Author           Modification
 * -----------------------------------------------
 * 2016/10/13       V1.0.0         Yu Weifeng      Created
 ******************************************************************************/
 static void I2C_AckGenerate()
 {
     I2C_SCL_SET();
     SDA_OUT();
     I2C_SDA_SET();
     DelayUs();
     I2C_SCL_SET();
     DelayUs();
     I2C_SCL_SET();
 }
 /*****************************************************************************
 -Fuction        : I2C_AckGenerate
 -Description    : I2C_AckGenerate//////不产生ACK应答
 -Input            :
 -Output         :
 -Return         :
 * Modify Date      Version         Author           Modification
 * -----------------------------------------------
 * 2016/10/13       V1.0.0         Yu Weifeng      Created
 ******************************************************************************/
 static void I2C_AckNoGenerate()
 {
     I2C_SCL_SET();
     SDA_OUT();
     I2C_SDA_SET();
     DelayUs();
     I2C_SCL_SET();
     DelayUs();
     I2C_SCL_SET();
 }
 /*****************************************************************************
 -Fuction        : I2C_SendByte
 -Description    : I2C_SendByte////
 //IIC发送一个字节
 //返回从机有无应答
 //1，有应答
 //0，无应答
 -Input            :
 -Output         :
 -Return         :
 * Modify Date      Version         Author           Modification
 * -----------------------------------------------
 * 2016/10/13       V1.0.0         Yu Weifeng      Created
 ******************************************************************************/
 static void I2C_SendByte(u8 i_ucData)
 {
     u8 c;
     SDA_OUT();
     I2C_SCL_SET();//拉低时钟开始数据传输
     for(c=;c<;c++)
     {
         I2C_SDA_SET((i_ucData&0x80)>>);
         i_ucData<<=;
         DelayUs();   //对TEA5767这三个延时都是必须的
         I2C_SCL_SET();
         DelayUs();
         I2C_SCL_SET();
         DelayUs();
     }
 }
 /*****************************************************************************
 -Fuction        : I2C_OnDev
 -Description    : I2C_OnDev
 //等待应答信号到来
 //返回值：0，接收应答失败
 //        1，接收应答成功

 -Input            :
 -Output         :
 -Return         :
 * Modify Date      Version         Author           Modification
 * -----------------------------------------------
 * 2016/09/23       V1.0.0         Yu Weifeng      Created
 ******************************************************************************/
 static u8 I2C_WaitAck()
 {
     u8 ucErrTime=;
     u8 ret=FALSE;
     SDA_IN();       //SDA设置为输入
     I2C_SDA_SET();
     DelayUs();
     I2C_SCL_SET();
     DelayUs();
     while(I2C_SDA_READ())
     {
         ucErrTime++;
         if(ucErrTime>)
         {
             I2C_Stop();
             ret=FALSE;
             return ret;
         }
     }
     I2C_SCL_SET();//时钟输出0
     ret=TRUE;
     return ret;
 }

 /*****************************************************************************
 -Fuction        : I2C_ReadByte
 -Description    : I2C_ReadByte////
 //读1个字节，ack=1时，发送ACK，ack=0，发送nACK
 -Input            :
 -Output         :
 -Return         :
 * Modify Date      Version         Author           Modification
 * -----------------------------------------------
 * 2016/10/13       V1.0.0         Yu Weifeng      Created
 ******************************************************************************/
 static u8 I2C_ReadByte(u8 i_ucAck)
 {
     u8 c;
     u8 ucReceive=;
     SDA_IN();//SDA设置为输入
     for(c=;c<;c++ )
     {
         I2C_SCL_SET();
         DelayUs();
         I2C_SCL_SET();
         ucReceive<<=;
         if(I2C_SDA_READ())
         ucReceive++;
         DelayUs();
     }
     if (!i_ucAck)
         I2C_AckNoGenerate();//发送nACK
     else
         I2C_AckGenerate(); //发送ACK
     return ucReceive;
 }