一、UART/USART協議

示例1-PC上通過UART來調試MCU

 

示例2-RS-232通過電平轉換芯片與MCU通訊

 

 示例3-MCU串口通訊

 

 

原理：異步串行通信，通過TXD（發送）和RXD（接收）兩線實現全雙工通信，支持自定義波特率（如9600bps、115200bps）。實例：

• 與GPS模塊通信：STM32通過UART接收NMEA-0183格式數據。

// STM32Cube HAL庫配置示例HAL_UART_Receive_IT(&huart2, rx_buffer, 128);  // 中斷接收數據

• 調試信息輸出：通過UART連接PC串口助手，實時打印傳感器數據。

特點：成本低、易實現，但無硬件流控制，適用于短距離、低速場景。

 

二、SPI協議

原理：全雙工同步通信，通過SCK（時鐘）、MOSI（主機發）、MISO（主機收）、CS（片選）四線實現高速數據傳輸（可達數十MHz）。

示例1-SPI 數據傳輸

示例2-SPI 數據傳輸

 

 

示例3-SPI時序信號

 

示例4-MCU SPI信號模擬圖

實例：

• 驅動OLED屏幕：STM32作為主機，發送顯示數據至SSD1306 OLED模塊。

// SPI發送函數（HAL庫）HAL_SPI_Transmit(&hspi1, oled_data, sizeof(oled_data), 100);

• 外接Flash存儲：如W25Q128芯片，通過SPI實現固件存儲或數據備份。

特點：速率快、接口簡單，但需占用較多引腳資源。

三、I2C協議

原理：半雙工同步通信，通過SCL（時鐘）和SDA（數據）兩線支持多主從設備，地址尋址機制實現設備區分。

 

示例1- I2C總線以及尋址方式

示例2- I2C總線以及尋址方式

實例：

• 連接溫度傳感器：如BMP280，STM32通過I2C讀取溫濕度數據。

// I2C讀取寄存器（HAL庫）HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, BMP280_ADDR, REG_TEMP, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, data, 2, 100);

• 管理EEPROM：如AT24C02，存儲系統配置參數。

特點：節省引腳，支持多設備，但速率較低（通?！?00kHz）。

四、CAN協議

原理：差分信號抗干擾，支持多主通信，適用于復雜工業環境。

示例1-CAN協議通信原理

實例：

• 汽車電子控制：STM32作為CAN節點，與ECU（發動機控制單元）通信，傳輸油門或剎車信號。

// CAN報文發送（HAL庫）CAN_TxHeaderTypeDef tx_header;tx_header.StdId = 0x123;  // 標準IDHAL_CAN_AddTxMessage(&hcan, &tx_header, tx_data, &mailbox);

• 工業機器人控制：多個CAN節點同步執行動作指令。

特點：高可靠性，支持錯誤檢測，但協議棧復雜度較高。

五、USB協議

原理：高速雙向通信，支持設備模式（如U盤、HID設備）或主機模式（連接外設）。

 

示例1-USB2.0接線實例

實例：

• 自定義HID設備：STM32模擬USB鍵盤，發送按鍵指令至PC。

// USB描述符配置（CubeMX生成）__ALIGN_BEGIN static uint8_t HID_REPORT_DESC[] __ALIGN_END = { ... };

• 數據傳輸：通過USB CDC類實現虛擬串口，替代傳統UART。

特點：即插即用，速率高（USB2.0可達12Mbps），需復雜協議棧支持。

六、Ethernet與Modbus

原理：基于LwIP協議棧實現TCP/IP通信，結合Modbus/TCP或Modbus/RS485協議用于工業網絡。

 

示例1-Ethernet典型應用

 

示例2-tcp三次握手與四次揮手

實例：

• 遠程數據監控：STM32通過以太網上傳傳感器數據至云平臺。

// Modbus/TCP報文處理modbus_tcp_poll(&ctx);  // LwIP回調處理請求

• RS485多設備通信：使用MAX485芯片，實現STM32與多個PLC的Modbus/RTU通信。

特點：支持遠程控制，需外接PHY芯片或轉換模塊。

 

七、MQTT協議

原理：基于發布/訂閱模型的輕量級物聯網協議，運行于TCP/IP協議棧之上，支持低帶寬、高延遲網絡環境下的設備與云端雙向通信。采用心跳機制保持長連接，消息體最小僅需2字節，支持QoS（服務質量等級）保證數據傳輸可靠性。

 

示例1-mqtt典型應用

 

實例：

• 環境監測系統：STM32通過ESP8266 WiFi模塊連接阿里云IoT平臺，定時發布溫濕度數據至主題/sensor/data。

// 基于Paho MQTT嵌入式庫的核心代碼片段MQTTClient_publish(&client, "/sensor/data", "{\"temp\":25.6}", 12, QoS1, 0);

 

• 遠程設備控制：訂閱/device/ctrl主題，接收云端下發的繼電器控制指令。

特點：

• 支持百萬級設備連接，適合電池供電場景（心跳間隔可配置）

• 協議頭開銷僅2字節，帶寬利用率高達95%

• 需外接網絡模塊（如ESP32/4G模組）

 

八、RS-485協議

原理：基于差分信號傳輸的物理層標準，采用雙絞線傳輸，邏輯"1"對應A-B線間-2V~-6V電壓，邏輯"0"對應+2V~+6V。支持總線型拓撲，通過使能端控制收發方向實現半雙工通信。

 

示例1-485芯片連線圖

 

示例2-485電路圖

 

實例：

• 工業PLC組網：STM32作為Modbus從站，通過MAX485芯片接入RS-485總線，響應主站查詢指令：

// 使用USART2實現Modbus RTU協議HAL_UART_Receive_IT(&huart2, modbus_frame, 8); // 接收功能碼01查詢請求

 

• 樓宇自動化：連接1000米外的電表集群，每30秒輪詢用電量數據。

特點：

• 抗共模干擾能力達±15kV（通過雙絞線抵消電磁干擾）

• 單總線最大支持32節點（需終端匹配120Ω電阻）

• 傳輸速率與距離成反比（10Mbps@12米，100kbps@1200米）