传感器接口协议：I2C、SPI、UART与单总线
做嵌入式这些年，打交道最多的就是传感器接口协议。说白了，传感器就是一堆模拟或数字信号，你得用对协议才能把它读出来。我见过不少新手，拿着I2C的器件当SPI去驱动，折腾一整天读回来的全是0xFF。嗯，今天咱们就把这四种最常见的协议掰开揉碎讲清楚。
2.1 I2C协议详解与调试
I2C，全称Inter-Integrated Circuit，飞利浦（现NXP）发明的。两根线：SCL（时钟）和SDA（数据）。所有设备挂在同一条总线上，靠地址区分。
2.1.1 协议基础
- 主从架构：主机发起通信，从机响应。一个主机可以带多个从机。
- 地址：7位或10位地址。7位最常见，比如0x76、0x3C。
- 速率：标准模式100kHz，快速模式400kHz，高速模式3.4MHz。
- 起始条件：SCL高电平时，SDA从高变低。
- 停止条件：SCL高电平时，SDA从低变高。
- 应答：每发送一个字节，接收方必须拉低SDA表示ACK。
2.1.2 调试技巧
调试I2C，示波器或逻辑分析仪是必备的。我个人的经验是：先看SCL有没有时钟，再看SDA有没有数据，最后看ACK。
// 典型的I2C读操作流程（伪代码）
i2c_start(); // 发送起始条件
i2c_send_byte(addr << 1); // 发送从机地址+写位
if (!i2c_wait_ack()) { // 等待ACK
// 从机无应答，报错
return ERROR;
}
i2c_send_byte(reg_addr); // 发送寄存器地址
i2c_wait_ack();
i2c_start(); // 重复起始条件
i2c_send_byte(addr << 1 | 1); // 发送从机地址+读位
i2c_wait_ack();
data = i2c_read_byte(); // 读取数据
i2c_send_nack(); // 发送NACK表示结束
i2c_stop(); // 发送停止条件2.2 SPI协议详解与调试
SPI，Serial Peripheral Interface，摩托罗拉发明的。四根线：SCLK（时钟）、MOSI（主机输出从机输入）、MISO（主机输入从机输出）、CS（片选）。全双工，速度可以跑到几十MHz。
2.2.1 协议基础
| 参数 | 说明 |
|---|---|
| 时钟极性（CPOL） | 空闲时SCLK是高电平还是低电平 |
| 时钟相位（CPHA） | 数据在SCLK的上升沿还是下降沿采样 |
| 数据顺序 | MSB first 或 LSB first |
| 片选 | 低电平有效，选中从机 |
SPI有四种模式，由CPOL和CPHA组合决定。模式0（CPOL=0, CPHA=0）最常用。
2.2.2 调试技巧
调试SPI，我建议先看CS有没有拉低，再看时钟有没有产生，最后看数据线。很多传感器对时序要求严格，比如某些LCD驱动，时钟频率太高会花屏。
// SPI发送一个字节（模式0）
void spi_send_byte(uint8_t data) {
for (int i = 0; i < 8; i++) {
if (data & 0x80) {
MOSI_HIGH();
} else {
MOSI_LOW();
}
SCLK_HIGH();
data <<= 1;
SCLK_LOW();
}
}2.3 UART协议详解与调试
UART，Universal Asynchronous Receiver/Transmitter。两根线：TX（发送）和RX（接收）。异步通信，没有时钟线，靠波特率同步。
2.3.1 协议基础
- 波特率：常见的有9600、115200、921600。收发双方必须一致。
- 数据格式：起始位（1位）+ 数据位（5~9位）+ 校验位（可选）+ 停止位（1~2位）。
- 电平：TTL电平（0~3.3V/5V）或RS232电平（±12V）。
2.3.2 调试技巧
UART调试，串口助手是标配。我个人的习惯是：先确认TX和RX有没有接反，再确认波特率对不对，最后看数据格式。
2.4 单总线协议
单总线，One-Wire，达拉斯半导体（现Maxim）发明的。一根线，既传数据又传电源。典型代表：DS18B20温度传感器。
2.4.1 协议基础
- 总线状态：空闲时高电平，低电平表示开始通信。
- 复位脉冲：主机拉低480μs，然后释放，从机拉低60~240μs表示存在。
- 写时序：写0拉低60μs，写1拉低1~15μs后释放。
- 读时序：主机拉低1~15μs后释放，从机在15μs内拉低表示0，保持高表示1。
2.4.2 调试技巧
单总线对时序要求极高，微秒级的误差都会导致通信失败。我建议用逻辑分析仪抓波形，看复位脉冲、存在脉冲、读写时序是否合规。
// 单总线读一位
uint8_t onewire_read_bit(void) {
uint8_t bit = 0;
ONE_WIRE_LOW();
delay_us(2); // 拉低2μs
ONE_WIRE_HIGH();
delay_us(5); // 等待5μs
if (ONE_WIRE_READ()) {
bit = 1;
}
delay_us(50); // 等待剩余时间
return bit;
}2.5 协议对比与选型
| 协议 | 线数 | 速度 | 距离 | 多设备 | 典型应用 |
|---|---|---|---|---|---|
| I2C | 2 | ~3.4MHz | ~1m | 是（地址区分） | 温湿度、加速度计 |
| SPI | 4 | ~80MHz | ~1m | 是（片选区分） | LCD、SD卡、ADC |
| UART | 2 | ~1Mbps | ~10m | 否（点对点） | GPS、蓝牙模块 |
| 单总线 | 1 | ~16kbps | ~100m | 是（ROM地址） | DS18B20、iButton |
选型时，我一般这么考虑：如果传感器多、引脚紧张，选I2C；如果要求高速、大数据量，选SPI；如果只是简单通信、距离远，选UART；如果只有一根线可用，选单总线。你想想看，是不是这个道理？