单片机学习系列（9）：外部设备接口与通信协议

单片机学习系列（9）：外部设备接口与通信协议

一、外部设备接口概述

单片机在实际应用中往往需要与各种外部设备进行连接和通信，以实现更丰富的功能。这些外部设备包括传感器（如温度传感器、加速度传感器等）、执行器（如电机、继电器等）、显示设备（如 LCD 显示屏、数码管等）以及存储设备（如 EEPROM、SD 卡等）。而外部设备接口则是单片机与这些外部设备之间进行数据传输和信号交互的桥梁，不同类型的外部设备可能需要不同的接口来实现有效的连接和通信。

二、常见外部设备接口类型

1. GPIO（通用输入输出）接口

• 原理：GPIO 是单片机最基本、最常用的接口类型。它可以被配置为输入或输出模式，用于读取外部设备的状态信号（输入模式）或者向外部设备发送控制信号（输出模式）。例如，当连接一个按键作为输入设备时，将对应的 GPIO 引脚配置为输入模式，通过检测该引脚的电平变化来判断按键是否被按下；当控制一个 LED 灯时，将 GPIO 引脚配置为输出模式，通过改变引脚的电平状态（高电平或低电平）来点亮或熄灭 LED 灯。
• 应用场景：广泛应用于简单的设备控制和状态检测，如智能家居中的开关控制、工业控制中的传感器状态读取等。
• 代码示例（以 51 单片机控制 LED 灯为例）：

#include <reg52.h>

sbit LED = P1^0;  // 定义 LED 连接的 GPIO 引脚为 P1.0

void main()
{
   
   
    while(1)
    {
   
   
        LED = 0;  // 点亮 LED 灯
        // 可以添加延时函数控制点亮时间
        LED = 1;  // 熄灭 LED 灯
        // 可以添加延时函数控制熄灭时间
    }
}

2. SPI（串行外设接口）

• 原理：SPI 是一种高速、全双工、同步的串行通信接口，通常由一个主设备（如单片机）和一个或多个从设备组成。它使用四条线进行通信：串行时钟线（SCK）、主设备输出从设备输入线（MOSI）、主设备输入从设备输出线（MISO）和片选线（SS）。主设备通过 SCK 线提供时钟信号，在时钟信号的控制下，主设备通过 MOSI 线向从设备发送数据，同时从设备通过 MISO 线向主设备返回数据。片选线用于选择要通信的从设备，低电平有效。
• 应用场景：常用于连接高速的外部设备，如 SD 卡、FLASH 存储器、传感器等，适用于对数据传输速度要求较高的场合。
• 代码示例（以 STM32 单片机使用 SPI 与外部设备通信为例）：

#include "stm32f10x.h"

void SPI1_Init()
{
   
   
    SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    // 使能 SPI1 和 GPIOA 时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    // 配置 SPI1 引脚
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init