STM32--学习笔记 常用协议总结

学习笔记–STM32常用协议总结

STM32常用的协议根据外设连接的总线数量不同可以分为：

1根线: One-Wire/一线协议，比如DHT11温湿度传感器，DS18B20温度传感器；
2根线：I2C协议，比如SHT30温湿度传感器，OLED显示屏；
3根线：UART/串口协议，比如GPS，NB-IoT；
4根线：SPI协议，比如NFC，LoRa。

1. One-Wire：一根数据线

DHT11:
总线空闲时保持高电平，内置上拉电阻
传输时序：

通信过程：

DHT11上电后(DHT11 上电后要等待1S以越过不稳定状态在此期间不能发送任何指令)，测试环境温湿度数据，并记录数据，同时DHT11的DATA数据线由上拉电阻拉高一直保持高电平；此时DHT11的DATA引脚处于输入状态，时刻检测外部信号。

微处理器的I/0设置为输出同时输出低电平，且低电平保持时间不能小于18ms(最大不得超过30ms)，然后微处理器的I/0设置为输入状态，由于上拉电阻，微处理器的I/0即DHT11的DATA数据线也随之变高，等待DHT11作出回答信号。发送信号如下图所示:

DHT11的DATA引脚检测到外部信号有低电平时，等待外部信号低电平结束，延迟后DHT11的DATA引脚处于输出状态，输出81-85微秒的低电平作为应答信号，紧接着输出86-88微秒的高电平通知外设准备接收数据，微处理器的I/0此时处于输入状态，检测到I/0有低电平(DHT11回应信号)后，等待86-88微秒的高电平后的数据接收，发送信号如下图所示:

由DHT11的DATA引脚输出40位数据，微处理器根据I/0电平的变化接收40位数据，位数据“0”的格式为: 54微秒的低电平和23- 27微秒的高电平，位数据“1”的格式为: 54微秒的低电平加68-74微秒的高电平。位数据“0”，“1” 格式信号如下图所示:

结束信号:
DHT11的DATA引脚输出40位数据后，继续输出低电平54微秒后转为输入状态，由于上拉电阻随之变为高电平。但DHT11内部重测环境温湿度数据，并记录数据，等待外部信号的到来。

DS18B20:
复位和应答时序：
单总线上的所有通信都是以初始化序列开始，总线空闲状态都被上拉电阻拉为高电平；主机输出低电平，保持至少为480us，产生复位脉冲。接着主机释放总线，上拉电阻将总线拉为高电平，延时15-60us，进入接收模式。这时DS18B20拉低总线60-240us，产生低电平应答脉冲，然后释放总线。

写时序：
总线控制器通过控制单总线高低电平持续时间从而把逻辑1或0写DS18B20中，每次只传输1位数据。

单片机想要给DS18B20写入一个0时，需要将单片机引脚拉低，保持低电平时间要在60~120us之间，然后释放总线。
单片机想要给DS18B20写入一个1时，需要将单片机引脚拉低，拉低时间需要大于1us，然后在15us内拉高总线.。

在写时序起始后15us到60us期间，DS18B20处于采样单总线电平状态。如果在此期间总线为高电平，则向DS18B20写入1；如果总线为低电平，则向DSl8B20写入0。

注意：2次写周期之间至少间隔1us

主机向DS18B20写入的功能命令：
ROM指令：
采用多个DS18B20时，需要写ROM指令来控制总线上的某个DS18B20，如果是单个DS18B20，直接写跳过ROM指令0xCC即可。

RAM指令：
DS18B20在获取温度之后会存放在内部的RAM里面，需要控制端使用相应的指令才能对RAM进行操作。
读取温度 0xBE，读取高速暂存器存储的数据。
温度转换 0x44，开启温度读取转换，读取好的温度会存储在高速暂存器的第0个和第一个字节中。

读时序：
读时隙由主机拉低总线电平至少1us然后再释放总线，读取DS18B20发送过来的1或者0。DS18B20在检测到总线被拉低1微秒后，便开始送出数据，若是要送出0就把总线拉为低电平直到读周期结束。若要送出1则释放总线为高电平。

注意：所有读时隙必须至少需要60us，读写都是LSB顺序，也就是先读取高速暂存器的第0个字节(温度的低8位)，在读取高速暂存器的第1个字节(温度的高8位) ，我们正常使用DS18B20读取温度读取两个温度字节即可。

2. I2C协议：时钟线(SCL)和数据线(SDA)

通信时序：
在I2C总线上传送的每一位数据都由一个同步时钟脉冲想对应，即在SCL串行时钟的配合下，数据在SDA上从高位向低位依次串行传送每一位的数据。

起始位和结束位：
I2C总线在空闲时SDA和SCL都处于高电平状态(由上拉电阻拉高)，当主设备要开始一次I2C通信时就发送一个START信号，告诉从设备要开始通信，通信结束时，发送一个STOP信号，告诉从设备结束本次通信。

I2C读写地址：
一个I2C总线上可以有多个从设备，主设备通过物理地址确定和哪个从设备通信，从设备的物理地址由内部电路决定。
主机在发送START信号之后，第二个时序应该立刻给出要通信从设备的物理地址。此外，I2C总线是一种能够实现半双工通信的同步串行通信协议，主设备应该具有读/写能力。
因此，I2C的读写地址除了7bit的物理地址以外，还有1bit标识读/写方向。所以I2C的读写地址一般为1Byte，高7位为物理地址，最低位为读写方向位。(0为写，1为读)

I2C应答信号：
主机在发送I2C通信请求之后，对应物理地址的从设备会回应一个ACK应答信号。

此外，主/从设备在之后的通信过程中，数据接收方收到传输的一个字节数据后，需要给出ACK回应，此时处在第九个时钟周期，发送端释放SDA总线，将SDA电平拉高，由接收方控制。

继续通信：回应ACK信号，即SDA为低电平；
结束通信：回应NACK信号，即SDA为高电平。

数据位收发：
主设备在收到从设备应答信号之后，开始给从设备发送数据。SDA数据线上的每个字节必须是8bit，每次传输的总字节数没有限制，每个字节发送完成后，必须跟着一个应答信号。

I2C总线通信时数据传输采用MSB方式发送，高电平表示1，低电平表示0。当传输的数据位需要改变时，比如现在发送的为1，下一个发送为0，必须要在SCL为低电平期间改变，此外，在传输过程中，SDA上的数据位在SCL高电平期间必须保持稳定不变，因为防止误发开始/停止信号，引起数据错乱。

SHT30:
采用I2C协议的温湿度传感器，通信时序：

3. UART串口：DB9接口为标准接口，其中(GND,RXD/TXD)必不可少

注意UART和USART的区别在于前者只支持异步通信，而后者支持异步/同步通信，目前使用主要是异步通信模式。
各个引脚的作用如下：

现在大多数使用的是USB转串口的设备，缩小了串口的体积。

串口通信基本原理：
串口通信最少使用GND和一根信号线可以完成单工通信，比如GPS；大部分串口通信都是3根线(GND,RXD,TXD)实现全双工通信。

串口通信时序：
串口通信时，收发是按周期进行的，每个周期传输N个二进制位。这一个周期就叫做一个通信单元。一个通信单元由起始位+数据位+奇偶校验位+停止位构成。

波特率：
在电子通信领域，波特率为调制速率，指的是有效数据讯号调制载波的速率，即单位时间内载波调制状态变化的次数。

串口通信是一种异步通信方式，收发双方并没有同步时钟来约定一个bit的数据收发维持电平多长时间，这样只能靠收发双方的速率来同步收发数据，这个速率就是波特率，单位为bps(bit period second)。

常用的速率为115200(3G/4G/调试串口)、9600(NB-IoT/GPS)、4800等，收发双方保持一致即可。

起始位：
表示发送方要开始发送一个通信单元。总线空闲时维持高电平，一旦产生一个下降沿变为低电平表示起始信号。

数据位：
表示一个通信单元中有效信息位，一次发送多少位有效数据是可以设定的(6,7,8,9，一般选择8位)。

奇偶校验位：
用来校验数据位，分为奇校验和偶校验：
奇校验保证传输过程中1的个数为奇数，偶校验保证传输过程中1的个数为偶数。

停止位：
收发双方本单元通信结束的标志，由通信线上的电平变化来反映。常见的有1位/1.5位/2位停止位等，一般用1位停止位。

TTL与RS232电平：
电平信号是信号线电平减去GND电平的差值，这个电压差决定了传输的是1还是0；

TTL电平(MCU或者芯片电平)标准规定：高电平为5V（51单片机）或者3.3V（ARM）表示1，0V表示0；
RS232电平标准规定：-15V至-3V表示1，+3V至+15V表示0；

显然TTL是芯片的串口直接出的电平，适合距离近干扰小的情况；设备与设备之间的远距离通信因为压降和干扰等因素需要使用RS232电平，但它的通信距离一般也小于15M；

4. SPI协议：MISO、MOSI、SCK、CS

SPI是一种同步串行全双工的接口技术，速度快，效率高。通常为一个主设备(Master)和一个或者多个从设备(Slave)构成，主设备通过片选端选择一个从设备进行通信。由四根线构成：MISO(Master input Slave output)，MOSI，CLK(时钟)，CS(片选)。但其在传输数据时没有像I2C协议有应答机制，在数据的可靠性传输上有一定缺陷。

SPI 传输模式:
SPI共有四种传输模式，由CPOL(时钟极性，表示空闲时为低电平还是高电平)和CPHA(时钟相位，表示从结束空闲状态开始第几个跳变沿开始采样数据)决定。

模式0：CPOL=0,CPHA=0。SCK串行时钟线空闲是低电平。在SCK的上升沿采样数据，在SCK下降沿切换。
模式1：CPOL=0,CPHA=1。SCK串行时钟线空闲是低电平。在SCK的下降沿采样数据，在SCK上升沿切换。
模式2：CPOL=1,CPHA=0。SCK串行时钟线空闲是高电平。在SCK的下降沿采样数据，在SCK上升沿切换。
模式3：CPOL=1,CPHA=1。SCK串行时钟线空闲是高电平。在SCK的上升沿采样数据，在SCK下降沿切换。
常用的是模式0和3；

注意在数据传输过程中，One-Wire的DHT11是MSB，DS18B20是LSB，I2C是高位先行(MSB)，UART是低位先行(LSB)，SPI协议可选择使用MSB还是LSB。

SPI数据交换:
主设备通过拉低相应的NSS(片选)引脚选择相应的从设备进行通信，通信完成后再拉高相应的片选引脚，双方通过交换各自移位寄存器里的数据完成数据交换。主设备的读和写都是这样一种数据交换的模式。