LPC1100 系列_5.外设接口详解

5. 外设接口详解

5.1 GPIO（通用输入输出端口）

5.1.1 GPIO 基本原理

通用输入输出端口（GPIO）是单片机中最基本的外设接口之一，用于控制外部设备的输入和输出。GPIO 可以配置为输入或输出模式，具有多种功能，如中断检测、上拉/下拉电阻配置等。LPC1100 系列单片机的 GPIO 端口通常由多个寄存器控制，包括数据寄存器、方向寄存器、中断寄存器等。

5.1.2 GPIO 寄存器

LPC1100 系列单片机的 GPIO 寄存器主要包括以下几类：

• 数据寄存器（FIOxSET 和 FIOxCLR）：用于设置或清除端口的输出值。
• 方向寄存器（FIODIR）：用于配置端口的方向，即输入或输出。
• 中断寄存器（FIOINTENSET/FIOINTENCLR、FIOINTSTATR/FIOINTSTATF、FIOINTSTATR）：用于配置和检测 GPIO 中断。
• 状态寄存器（FIOPIN）：用于读取端口的输入值。

5.1.3 GPIO 配置

GPIO 的配置通常包括以下几个步骤：

1. 配置端口方向：使用 FIODIR 寄存器设置端口为输入或输出。
2. 设置初始输出值：使用 FIOxSET 和 FIOxCLR 寄存器设置端口的初始输出值。
3. 配置中断：使用 FIOINTENSET 和 FIOINTENCLR 寄存器启用或禁用中断，使用 FIOINTSTATR 和 FIOINTSTATF 寄存器检测中断状态。

5.1.4 GPIO 示例

5.1.4.1 配置 GPIO 为输出

以下示例代码展示了如何配置 GPIO 为输出并控制 LED 的亮灭：

#include "LPC11xx.h"

#define LED_PORT (1)          // LED 连接在 PORT1
#define LED_PIN  (21)         // LED 连接在 PIN21

void GPIO_Init(void) {
    // 配置 GPIO 方向
    LPC_GPIO1->DIR |= (1 << LED_PIN);  // 设置 GPIO1 的 PIN21 为输出
}

void LED_Toggle(void) {
    // 切换 LED 状态
    LPC_GPIO1->DATA ^= (1 << LED_PIN);  // 切换 GPIO1 的 PIN21 输出值
}

int main(void) {
    // 初始化 GPIO
    GPIO_Init();

    while (1) {
        LED_Toggle();  // 切换 LED 状态
        for (int i = 0; i < 1000000; i++) {  // 延时
            __NOP();
        }
    }
}

5.1.4.2 配置 GPIO 为输入并检测按键

以下示例代码展示了如何配置 GPIO 为输入并检测按键的状态：

#include "LPC11xx.h"

#define BUTTON_PORT (0)       // 按键连接在 PORT0
#define BUTTON_PIN  (7)       // 按键连接在 PIN7

void GPIO_Init(void) {
    // 配置 GPIO 方向
    LPC_GPIO0->DIR &= ~(1 << BUTTON_PIN);  // 设置 GPIO0 的 PIN7 为输入
    LPC_GPIO0->DIR |= (1 << LED_PIN);     // 设置 GPIO1 的 PIN21 为输出
}

void GPIO_ISR(void) __attribute__((naked));
void GPIO_ISR(void) {
    // 中断处理函数
    if (LPC_GPIO0->INTSTATR & (1 << BUTTON_PIN)) {
        // 按键被按下
        LPC_GPIO1->DATA ^= (1 << LED_PIN);  // 切换 LED 状态
        LPC_GPIO0->INTCLR = (1 << BUTTON_PIN);  // 清除中断标志
    }
}

int main(void) {
    // 初始化 GPIO
    GPIO_Init();

    // 启用按键中断
    LPC_GPIO0->INTENSET = (1 << BUTTON_PIN);  // 启用 GPIO0 的 PIN7 中断
    NVIC_EnableIRQ(GPIO0_IRQn);  // 启用 GPIO0 中断

    while (1) {
        // 主循环
    }
}

5.1.5 GPIO 中断配置

GPIO 中断配置包括以下几个步骤：

1. 配置中断源：使用 FIOINTENSET 寄存器启用特定的中断源。
2. 配置中断触发条件：使用 FIOINTMODE 寄存器设置中断触发条件，如上升沿、下降沿或电平触发。
3. 配置中断优先级：使用 NVIC（嵌套向量中断控制器）配置中断优先级。
4. 编写中断处理函数：编写中断处理函数，处理中断事件。

5.1.6 GPIO 性能优化

• 时序优化：合理设置延时，确保 GPIO 的切换频率符合系统要求。
• 功耗优化：在不需要使用 GPIO 时，将其配置为高阻态以降低功耗。
• 中断处理优化：减少中断处理函数的执行时间，提高系统的响应速度。

5.2 UART（通用异步收发传输器）

5.2.1 UART 基本原理

通用异步收发传输器（UART）用于实现串行通信，可以发送和接收数据。LPC1100 系列单片机的 UART 模块通常包括发送器、接收器和波特率生成器等组件。

5.2.2 UART 寄存器

LPC1100 系列单片机的 UART 寄存器主要包括以下几类：

• 数据寄存器（USARTx_THR/USARTx_RBR）：用于发送和接收数据。
• 状态寄存器（USARTx_IIR/USARTx_ISR、USARTx_LSR）：用于检测 UART 的状态，如接收缓冲区是否为空、发送缓冲区是否满等。
• 控制寄存器（USARTx_LCR、USARTx_FCR、USARTx_MCR）：用于配置 UART 的工作模式，如波特率、数据位、停止位等。
• 波特率寄存器（USARTx_DLL/USARTx_DLM）：用于设置 UART 的波特率。

5.2.3 UART 配置

UART 的配置通常包括以下几个步骤：

1. 配置波特率：根据通信需求设置波特率。
2. 配置数据格式：设置数据位、停止位和校验位。
3. 使能 UART 模块：使能 UART 模块并配置中断。
4. 初始化 UART：初始化 UART 的寄存器。

5.2.4 UART 示例

5.2.4.1 初始化 UART

以下示例代码展示了如何初始化 UART0，配置其波特率为 9600，并发送字符串 “Hello, World!”：

#include "LPC11xx.h"

void UART_Init(void) {
    // 使能 UART0 时钟
    LPC_SYSCON->SYSAHBCLKCTRL |= (1 << 12);  // 使能 UART0 时钟

    // 配置波特率
    LPC_USART0->LCR = 0x83;  // 8 位数据，无校验，1 位停止位，使能除法器
    LPC_USART0->DLL = 12;    // 设置 DLL 寄存器
    LPC_USART0->DLM = 0;     // 设置 DLM 寄存器
    LPC_USART0->LCR = 0x03;  // 8 位数据，无校验，1 位停止位

    // 使能 FIFO
    LPC_USART0->FCR = 0x07;  // 使能 FIFO，并清空接收和发送 FIFO

    // 配置中断
    LPC_USART0->IER = 0x01;  // 使能接收中断
    NVIC_EnableIRQ(USART0_IRQn);  // 使能 USART0 中断
}

void UART_SendChar(char ch) {
    while (!(LPC_USART0->LSR & 0x20));  // 等待发送缓冲区为空
    LPC_USART0->THR = ch;  // 发送字符
}

void UART_SendString(char *str) {
    while (*str) {
        UART_SendChar(*str++);  // 发送字符串中的每个字符
    }
}

void USART0_IRQHandler(void) {
    // UART0 中断处理函数
    if (LPC_USART0->IIR & 0x01) {
        char ch = LPC_USART0->RBR;  // 读取接收缓冲区中的字符
        UART_SendChar(ch);  // 发送接收到的字符
    }
}

int main(void) {
    // 初始化 UART
    UART_Init();

    // 发送字符串
    UART_SendString("Hello, World!");

    while (1) {
        // 主循环
    }
}

5.2.5 UART 通信协议

UART 通信协议包括以下几个要素：

• 波特率：通信速率，通常以 bps（位每秒）为单位。
• 数据位：数据帧中的数据位数，通常为 5 到 8 位。
• 停止位：数据帧结束时的位数，通常为 1 或 2 位。
• 校验位：用于数据校验，可以是奇校验、偶校验或无校验。

5.2.6 UART 性能优化

• 波特率优化：根据通信需求选择合适的波特率，提高通信效率。
• 中断处理优化：减少中断处理函数的执行时间，提高系统的响应速度。
• 数据缓冲优化：使用缓冲区管理数据流，减少数据溢出的风险。

5.3 SPI（串行外设接口）

5.3.1 SPI 基本原理

串行外设接口（SPI）是一种同步串行通信接口，用于主设备和从设备之间的高速通信。SPI 通常包括四条信号线：MOSI（主设备输出，从设备输入）、MISO（主设备输入，从设备输出）、SCLK（时钟信号）和 SS（从设备选择信号）。

5.3.2 SPI 寄存器

LPC1100 系列单片机的 SPI 寄存器主要包括以下几类：

• 控制寄存器（SPIxCR、SPIxCFG）：用于配置 SPI 的工作模式，如主模式或从模式、数据长度等。
• 状态寄存器（SPIxSTAT）：用于检测 SPI 的状态，如数据是否准备好、错误状态等。
• 数据寄存器（SPIxTXDAT、SPIxRXDAT）：用于发送和接收数据。
• 中断寄存器（SPIxINTEN、SPIxINTSTAT）：用于配置和检测 SPI 中断。

5.3.3 SPI 配置

SPI 的配置通常包括以下几个步骤：

1. 配置 SPI 模式：选择主模式或从模式。
2. 配置数据长度：设置数据帧的长度。
3. 配置时钟极性和相位：设置 SCLK 的极性和相位。
4. 使能 SPI 模块：使能 SPI 模块并配置中断。

5.3.4 SPI 示例

5.3.4.1 初始化 SPI

以下示例代码展示了如何初始化 SPI0，配置其为主模式，并发送和接收数据：

#include "LPC11xx.h"

#define SPI0_PORT (0)
#define SPI0_MOSI_PIN (25)
#define SPI0_MISO_PIN (26)
#define SPI0_SCLK_PIN (27)
#define SPI0_SSEL_PIN (28)

void SPI_Init(void) {
    // 使能 SPI0 时钟
    LPC_SYSCON->SYSAHBCLKCTRL |= (1 << 13);  // 使能 SPI0 时钟

    // 配置引脚
    LPC_IOCON->P0_25 = (LPC_IOCON->P0_25 & ~0x0F) | 0x02;  // 配置 P0.25 为 SPI0 MOSI
    LPC_IOCON->P0_26 = (LPC_IOCON->P0_26 & ~0x0F) | 0x02;  // 配置 P0.26 为 SPI0 MISO
    LPC_IOCON->P0_27 = (LPC_IOCON->P0_27 & ~0x0F) | 0x02;  // 配置 P0.27 为 SPI0 SCLK
    LPC_IOCON->P0_28 = (LPC_IOCON->P0_28 & ~0x0F) | 0x02;  // 配置 P0.28 为 SPI0 SSEL

    // 配置 SPI0
    LPC_SPI0->CR = 0x02;  // 使能 SPI0，主模式
    LPC_SPI0->CFG = 0x08;  // 8 位数据长度
    LPC_SPI0->BR = 0x00;  // 设置波特率
}

void SPI_SendChar(char ch) {
    while (!(LPC_SPI0->STAT & 0x02));  // 等待发送缓冲区为空
    LPC_SPI0->TXDAT = ch;  // 发送字符
}

char SPI_ReceiveChar(void) {
    while (!(LPC_SPI0->STAT & 0x01));  // 等待接收缓冲区有数据
    return LPC_SPI0->RXDAT;  // 读取接收缓冲区中的数据
}

int main(void) {
    // 初始化 SPI
    SPI_Init();

    // 发送数据
    SPI_SendChar('H');
    SPI_SendChar('e');
    SPI_SendChar('l');
    SPI_SendChar('l');
    SPI_SendChar('o');

    // 接收数据
    char received_data = SPI_ReceiveChar();
    while (1) {
        // 主循环
    }
}

5.3.5 SPI 通信协议

SPI 通信协议包括以下几个要素：

• 主从模式：主设备控制通信，从设备被动响应。
• 数据长度：数据帧中的数据位数，通常为 8 位。
• 时钟极性和相位：SCLK 的极性和相位，用于同步数据传输。
• 从设备选择：通过 SSEL 信号选择从设备。

5.3.6 SPI 性能优化

• 时钟频率优化：根据通信需求选择合适的时钟频率，提高通信速度。
• 数据缓冲优化：使用缓冲区管理数据流，减少数据溢出的风险。
• 中断处理优化：减少中断处理函数的执行时间，提高系统的响应速度。

5.4 I2C（内部集成电路总线）

5.4.1 I2C 基本原理

内部集成电路总线（I2C）是一种同步串行通信接口，用于主设备和从设备之间的通信。I2C 总线包括两条信号线：SDA（数据线）和 SCL（时钟线）。I2C 支持多主设备和多从设备，具有简单、可靠的通信特点。

5.4.2 I2C 寄存器

LPC1100 系列单片机的 I2C 寄存器主要包括以下几类：

• 控制寄存器（I2C0CONSET、I2C0CONCLR）：用于配置 I2C 的工作模式，如主模式或从模式、启动和停止条件等。
• 状态寄存器（I2C0STAT）：用于检测 I2C 的状态，如数据是否准备好、错误状态等。
• 数据寄存器（I2C0DAT）：用于发送和接收数据。
• 配置寄存器（I2C0ADR、I2C0SCLH、I2C0SCLL）：用于配置 I2C 的地址和时钟频率。

5.4.3 I2C 配置

I2C 的配置通常包括以下几个步骤：

1. 配置 I2C 模式：选择主模式或从模式。
2. 配置时钟频率：设置 I2C 的时钟频率。
3. 配置设备地址：设置主设备或从设备的地址。
4. 使能 I2C 模块：使能 I2C 模块并配置中断。

5.4.4 I2C 示例

5.4.4.1 初始化 I2C

以下示例代码展示了如何初始化 I2C0，配置其为主模式，并发送和接收数据：

#include "LPC11xx.h"

#define I2C0_SDA_PIN (23)
#define I2C0_SCL_PIN (24)
#define I2C0_DEVICE_ADDR (0x50)  // 设备地址

void I2C_Init(void) {
    // 使能 I2C0 时钟
    LPC_SYSCON->SYSAHBCLKCTRL |= (1 << 16);  // 使能 I2C0 时钟

    // 配置引脚
    LPC_IOCON->P0_23 = (LPC_IOCON->P0_23 & ~0x0F) | 0x02;  // 配置 P0.23 为 I2C0 SDA
    LPC_IOCON->P0_24 = (LPC_IOCON->P0_24 & ~0x0F) | 0x02;  // 配置 P0.24 为 I2C0 SCL

    // 配置 I2C0
    LPC_I2C0->CONSET = 0x02;  // 使能 I2C0，主模式
    LPC_I2C0->ADR = I2C0_DEVICE_ADDR;  // 设置设备地址
    LPC_I2C0->SCLH = 0x04;  // 设置 SCL 高电平时间
    LPC_I2C0->SCLL = 0x0A;  // 设置 SCL 低电平时间
    LPC_I2C0->CONSET |= (1 << 6);  // 使能 I2C0
}

void I2C_Start(void) {
    // 发送启动条件
    LPC_I2C0->CONSET |= (1 << 2);  // 设置启动位
    while (LPC_I2C0->STAT != 0x08);  // 等待启动条件被识别
}

void I2C_Stop(void) {
    // 发送停止条件
    LPC_I2C0->CONCLR = (1 << 4);  // 清除启动位
    LPC_I2C0->CONSET |= (1 << 4);  // 设置停止位
    while (LPC_I2C0->STAT != 0x18);  // 等待停止条件被识别
}

void I2C_SendByte(char data) {
    // 发送一个字节
    LPC_I2C0->DAT = data;  // 设置数据寄存器
    while (!(LPC_I2C0->CONSET & (1 << 5)));  // 等待数据传输完成
    LPC_I2C0->CONCLR = (1 << 5);  // 清除数据传输完成标志
}

char I2C_ReceiveByte(void) {
    // 接收一个字节
    LPC_I2C0->CONSET |= (1 << 5);  // 使能接收
    while (LPC_I2C0->STAT != 0x50);  // 等待数据准备好
    char data = LPC_I2C0->DAT;  // 读取数据寄存器
    LPC_I2C0->CONCLR = (1 << 5);  // 清除接收完成标志
    return data;
}

void I2C_Write(char addr, char reg, char data) {
    I2C_Start();
    I2C_SendByte(addr << 1);  // 发送目标设备地址，写模式
    I2C_SendByte(reg);  // 发送寄存器地址
    I2C_SendByte(data);  // 发送数据
    I2C_Stop();
}

char I2C_Read(char addr, char reg) {
    I2C_Start();
    I2C_SendByte((addr << 1) | 1);  // 发送目标设备地址，读模式
    char data = I2C_ReceiveByte();
    I2C_Stop();
    return data;
}

int main(void) {
    // 初始化 I2C
    I2C_Init();

    // 发送数据
    I2C_Write(I2C0_DEVICE_ADDR, 0x01, 0x55);  // 向地址 0x50 的设备的寄存器 0x01 写入 0x55

    // 接收数据
    char received_data = I2C_Read(I2C0_DEVICE_ADDR, 0x01);  // 从地址 0x50 的设备的寄存器 0x01 读取数据

    while (1) {
        // 主循环
    }
}

5.4.5 I2C 通信协议

I2C 通信协议包括以下几个要素：

• 主从模式：主设备控制通信，从设备被动响应。
• 设备地址：每个从设备在 I2C 总线上都有唯一的 7 位或 10 位地址。
• 数据长度：每次传输的数据长度通常为 1 到 32 位。
• 时钟频率：标准模式下 I2C 的时钟频率为 100 kHz，快速模式下为 400 kHz，高速模式下为 3.4 MHz。
• 启动和停止条件：主设备通过发送启动和停止条件来控制通信的开始和结束。

5.4.6 I2C 性能优化

• 时钟频率优化：根据通信需求选择合适的时钟频率，提高通信速度。
• 数据缓冲优化：使用缓冲区管理数据流，减少数据溢出的风险。
• 中断处理优化：减少中断处理函数的执行时间，提高系统的响应速度。
• 总线负载优化：合理安排总线上的设备，避免总线负载过重导致通信失败。

通过以上配置和示例代码，可以更好地理解和使用 LPC1100 系列单片机的 GPIO、UART 和 SPI 外设接口。这些接口在嵌入式系统中非常常见，掌握它们的配置和使用方法对于开发高效的嵌入式应用至关重要。希望这些内容对您的开发工作有所帮助。