嵌入式经典通信协议

USART/UART、IIC、SPI是嵌入式开发常用的几种通信协议，下面将对这几种协议做详细的介绍。

1.USART/UART

USART/UART均为常见的串口通信协议，前者(Universal synchronous asynchronous receiver transmitter 简称)是同步和异步收发器，后者(Universal asynchronous receiver transmitter 简称)是异步收发器。所以这里需要简单介绍一下同步通信与异步通信的区别，下图是一个8位字长，1个停止位的一个帧数据，其实每个数据帧之间存在“空闲位”。何为“空闲位”呢？即连续的高电平，而同步和异步是根据高电平持续的时长进行区分，若每个数据帧之间的空闲位时长相同则为同步，反之则为异步。根据上面的介绍，主机设备与从设备的收发同步方式也有区别，异步通信通过传送字符内的起始位来进行同步，而同步通信采用共用外部时钟来进行同步。

在这里插入图片描述

根据上图可知道串口通信的数据帧，包含起始位、数据位、校验位、以及停止位，在进行串口通信驱动程序编写时，需要了解这几个参数：波特率、停止位、数据位和校验位。

波特率：在串口通信中表示每秒钟传送的二进制码元的个数，单位是波特（Baud,symbol/s），例如波特率为115200时，表示串口每秒传送115200个bit的数据量。所以传送1个bit的时间等于1/115200秒，大约8.68us

起始位：起始位一般为1位，即维持一个比特的低电平。

数据位：可以设置为5至9位，根据传输数据决定，如果传输的内容为ASCII码，无校验位时，数据位设为8位。。

校验位：有无校验、偶检验和奇校验。主要统计数位比特为1的个数，这个只能进行一定范围内的检错，不能纠错。

停止位：支持多种停止位的配置：0.5、1、1.5和2个停止位。1个停止位：停止位位数的默认值；2个停止位：可用于常规USART模式、单线模式以及调制解调器模式；0.5个停止位：在智能卡模式下接收数据时使用；1.5个停止位：在智能卡模式下发送和接收数据时使用。

/***********************************************************************************
STM32F1 USART初始化程序
8位字长、一位停止位、无奇偶校验
bound：波特率
************************************************************************************/
void uart_init(u32 bound){
  //GPIO端口设置
  	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
	 
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1|RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);	//使能USART1，GPIOA时钟
  
	//USART1_TX   GPIOA.9
  	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9; //PA.9
  	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;	//复用推挽输出
  	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);//初始化GPIOA.9
   
  	//USART1_RX	  GPIOA.10初始化
  	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;//PA10
  	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;//浮空输入
  	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);//初始化GPIOA.10  

  	//Usart1 NVIC 配置
  	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=3 ;//抢占优先级3
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3;		//子优先级3
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;			//IRQ通道使能
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);	//根据指定的参数初始化VIC寄存器
  
   //USART 初始化设置

	USART_InitStructure.USART_BaudRate = bound;//串口波特率
	USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;//字长为8位数据格式
	USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;//一个停止位
	USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;//无奇偶校验位
	USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;//无硬件数据流控制
	USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;	//收发模式

 	USART_Init(USART1, &USART_InitStructure); //初始化串口1
 	USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);//开启串口接受中断
  	USART_Cmd(USART1, ENABLE);                    //使能串口1 
}

/***********************************************************************************
STM32F1 USART1中断服务函数
************************************************************************************/
void USART1_IRQHandler(void)                	//串口1中断服务程序
{
    unsigned char USART1_Res;
	if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET)  //接收中断(接收到的数据必须是0x0d 0x0a结尾)
	{
		USART1_Res =USART_ReceiveData(USART1);	//读取接收到的数据		
}

2.IIC

IIC总线（Inter-Integrated Circuit）即集成电路总线，包含SDA(数据线)和SCL(时钟线)，是一种简单、双向、二线制、同步串行总线。IIC总线是一个多向控制总线，多个器件（从机）可以同时挂载到一个主机控制的一条总线上。每个连接在总线上的设备都是通过唯一的地址和其他器件通信，主机和从机的角色可互换，可以根据谁控制时钟线（即控制SCL的电平高低变换）谁就是主设备。主机就是负责整个系统的任务协调与分配，从机一般是通过接收主机的指令从而完成某些特定的任务，主机和从机之间通过总线连接，进行数据通讯。IIC的时序简化图如下，主要包含空闲段、启动信号（START）、数据位传输（DATA）、应答信号（ACK）、非应答信号（NACK）和停止信号（STOP），接下将进一步说明这几种信号。

在这里插入图片描述

启动信号（START）：在SCL保持高电平期间，SDA由高电平被拉低。由主机发出。

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//产生IIC起始信号
void MPU_IIC_Start(void)
{
	MPU_SDA_OUT();     	//配置SDA为输出模式
	MPU_IIC_SDA=1;	  	  
	MPU_IIC_SCL=1;
	MPU_IIC_Delay();
 	MPU_IIC_SDA=0;		//SDA拉低
	MPU_IIC_Delay();
	MPU_IIC_SCL=0;		//钳住I2C总线，准备发送或接收数据 
}

数据位传输（DATA）：在SCL保持高电平期间，SDA上的电平保持稳定，低电平为数据0、高电平为数据1。数据信号可由主机或从机发出。

在这里插入图片描述

//IIC发送一个字节		  
void MPU_IIC_Send_Byte(u8 txd)
{                        
    u8 t;   
	MPU_SDA_OUT(); 	    
	MPU_IIC_SCL=0;//拉低时钟开始数据传输
    for(t=0;t<8;t++)
    {              
		MPU_IIC_SDA=(txd&0x80)>>7;//SDA根据txd发送拉高/拉低
        txd<<=1; 	  
		MPU_IIC_SCL=1;						//SCL拉高
		MPU_IIC_Delay(); 					//保持2us
		MPU_IIC_SCL=0;						//SCL拉低
		MPU_IIC_Delay();
    }	 
}

应答信号（ACK）：在SCL保持高电平期间，SDA保持低电平。IIC总线上所有数据都是以8位字节传送的，发送器每发送一个字节，就在第9个时钟脉冲期间释放SDA（高电平），由接收机机反馈一个应答信号（ACK）。

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//产生ACK应答	
void MPU_IIC_Ack(void)
{
	MPU_IIC_SCL=0;
	MPU_SDA_OUT();
	MPU_IIC_SDA=0;
	MPU_IIC_Delay();
	MPU_IIC_SCL=1;
	MPU_IIC_Delay();
	MPU_IIC_SCL=0;
}

非应答信号（NACK）：在SCL保持高电平期间，SDA保持高电平。如果接收器是主机，则它在收到最后一个字节后，发送一个NACK，通知被控器结束数据发送，并释放SDA（高电平），以便主控器发送一个STOP。

在这里插入图片描述

//产生NACK非应答		    
void MPU_IIC_NAck(void)
{
	MPU_IIC_SCL=0;
	MPU_SDA_OUT();
	MPU_IIC_SDA=1;
	MPU_IIC_Delay();
	MPU_IIC_SCL=1;
	MPU_IIC_Delay();
	MPU_IIC_SCL=0;
}

停止信号（STOP）：在SCL保持高电平时间，SDA由低电平被释放（拉高）。由主机发出。

在这里插入图片描述

//产生IIC停止信号
void MPU_IIC_Stop(void)
{
	MPU_SDA_OUT();//sda线输出
	MPU_IIC_SCL=0;
	MPU_IIC_SDA=0;//STOP:when CLK is high DATA change form low to high
 	MPU_IIC_Delay();
	MPU_IIC_SCL=1;  
	MPU_IIC_SDA=1;//发送I2C总线结束信号
	MPU_IIC_Delay();							   	
}

IIC是半双工的通信，在介绍完时序之后，接下就是向从机读数据和写数据的步骤了。

主机向从机写数据步骤

主机发起一个启动信号（START）。
主机发送7bit从机地址+1bit读写选择位，1表示读、0表示写。
从机产生应答信号（ACK）。
主机发送8bit从机寄存器地址。
从机产生应答信号（ACK）。
主机发送一个字节数据。
从机产生应答信号（ACK）。
主机发送一个停止信号（STOP）。

主机从从机读数据步骤

主机发送一个启动信号（START）。
主机发送7bit从机地址+1bit读写选择位，1表示读、0表示写。
从机产生一个应答信号（ACK）。
主机发送8bit从机寄存器地址。
从机产生一个应答信号。
主机再次发送一个启动信号（START）。
主机再次发送7bit从机地址+1bit读写选择位，1表示读、0表示写。
从机产生一个应答信号（START）。
主机读取一个字节数据。
主机产生一个非应答信号（NACK）。
主机产生一个停止信号（STOP）。

3.SPI

SPI是一种高速的，全双工，同步的通信总线，占用芯片的四个管脚：

SCK：时钟信号线，由主机产生发送给从机。
CS：片选信号线，由主机发送，用于选择与哪个从机通信。
MISO：主机输入，从机输出信号线。
MOSI：主机输出，从机输入信号线。

与IIC总线协议比较，SPI总线没有应答机制确认是否接收到数据，可靠性存在一定的缺陷，通信过程相较简单，如下图所示，首先主机将片选信号线拉低，在模式3工作条件下，如果主机需要向从机发送数据，主机会从SCK第一下降沿开始在每个下降沿将数据在MOSI信号线上一位一位的发送给从机；如果主机需要从从机接收数据，主机会生成预定数量的时钟信号，从SCK第一个上升沿开始在每一个上升沿将数据从MISO信号线上一位一位的读取。

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