SPI与I2C通信协议在STM32微控制器中的比较与选择（内附代码）

在嵌入式系统中，SPI（串行外设接口）和I2C（互连集成电路）是两种常见的通信协议，它们都用于微控制器与外围设备之间的数据传输。STM32微控制器提供了对这两种协议的支持，但它们在应用场景和性能特点上有所不同。本文将对这两种通信协议进行比较，并提供STM32微控制器中实现它们的代码示例。

1. 引言

SPI和I2C都是串行通信协议，但它们在设计、速度、多设备支持等方面存在差异。选择合适的通信协议对于确保系统性能和可靠性至关重要。

2. SPI通信协议

SPI是一种高速、全双工的通信协议，通常用于数据传输速率较高的场景。

2.1 SPI特点

• 高速数据传输：SPI通常提供较高的数据传输速率。
• 全双工通信：可以同时发送和接收数据。
• 多主设备支持：理论上可以有多个主设备，但实践中通常只有一个。
• 专用引脚：需要4根引脚（SCLK、MOSI、MISO、CS）。

2.2 SPI在STM32中的实现

以下是STM32中实现SPI通信的示例代码：

#include "stm32f10x.h"

void SPI_Init(void) {
    SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;
    SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;
    SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;
    SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High;
    SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge;
    SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;
    SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_16;
    SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;
    SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure);

    SPI_Cmd(SPI1, ENABLE);
}

uint8_t SPI_ReadWriteByte(uint8_t byte) {
    SPI_I2S_SendData(SPI1, byte);
    while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET);
    while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET);
    return SPI_I2S_ReceiveData(SPI1);
}

3. I2C通信协议

I2C是一种多主机、多从设备的通信协议，以其简单的双线接口而受到青睐。

3.1 I2C特点

• 多主机支持：可以有一个或多个主设备。
• 多从设备支持：可以连接多个从设备。
• 低速到中速数据传输：数据传输速率低于SPI。
• 仅有两根信号线：SDA（数据线）和SCL（时钟线）。

3.2 I2C在STM32中的实现

以下是STM32中实现I2C通信的示例代码：

#include "stm32f10x.h"

void I2C_Init(void) {
    I2C_InitTypeDef I2C_InitStructure;
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB | RCC_APB1Periph_I2C1, ENABLE);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_OD;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

    I2C_InitStructure.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C;
    I2C_InitStructure.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2;
    I2C_InitStructure.I2C_OwnAddress1 = 0x00;
    I2C_InitStructure.I2C_Ack = I2C_Ack_Enable;
    I2C_InitStructure.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit;
    I2C_InitStructure.I2C_ClockSpeed = 100000;
    I2C_Init(I2C1, &I2C_InitStructure);

    I2C_Cmd(I2C1, ENABLE);
}

void I2C_WriteByte(uint8_t deviceAddr, uint8_t regAddr, uint8_t data) {
    I2C_Start(I2C1);
    I2C_Send7bitAddress(I2C1, deviceAddr);
    I2C_SendData(I2C1, regAddr);
    I2C_WaitAck(I2C1);
    I2C_SendData(I2C1, data);
    I2C_WaitAck(I2C1);
    I2C_Stop(I2C1);
}

uint8_t I2C_ReadByte(uint8_t deviceAddr, uint8_t regAddr) {
    I2C_Start(I2C1);
    I2C_Send7bitAddress(I2C1, deviceAddr);
    I2C_SendData(I2C1, regAddr);
    I2C_WaitAck(I2C1);
    I2C_Start(I2C1);
    I2C_Send7bitAddress(I2C1, deviceAddr | 0x01);
    uint8_t data = I2C_ReceiveData(I2C1);
    I2C_Stop(I2C1);
    return data;
}

4. 比较与选择

在选择SPI或I2C时，需要考虑以下因素：

• 速度：如果需要高速数据传输，SPI可能是更好的选择。
• 设备数量：如果系统中有多个从设备，I2C的多设备支持可能更有优势。
• 引脚数量：如果引脚数量有限，I2C的双线接口可能更合适。
• 硬件支持：某些设备可能只支持SPI或I2C中的一种。

5. 结论

SPI和I2C各有优势和适用场景。在STM32微控制器中，根据具体的应用需求和硬件条件，合理选择通信协议对于实现高效、可靠的系统至关重要。

6. 参考文献

1. STMicroelectronics. (2011). STM32F103C8T6 datasheet.
2. Wikipedia. (2024). SPI and I²C.

✅作者简介：热爱科研的嵌入式开发者，修心和技术同步精进

❤欢迎关注我的知乎：对error视而不见

代码获取、问题探讨及文章转载可私信。

☁ 愿你的生命中有够多的云翳,来造就一个美丽的黄昏。

🍎获取更多嵌入式资料可点击链接进群领取，谢谢支持！👇

点击领取更多详细资料