STM32单片机常用通信协议详解

STM32单片机常用通信协议详解

STM32单片机作为目前最流行的嵌入式开发平台之一，支持多种通信协议以满足不同应用场景的需求。本文将详细介绍8种常用的通信协议，包括UART/USART、SPI、I2C、CAN、USB、Ethernet与Modbus、MQTT以及RS-485，帮助开发者更好地理解和应用这些协议。

一、UART/USART协议

示例1-PC上通过UART来调试MCU

示例2-RS-232通过电平转换芯片与MCU通讯

示例3-MCU串口通讯

原理：异步串行通信，通过TXD（发送）和RXD（接收）两线实现全双工通信，支持自定义波特率（如9600bps、115200bps）。

实例：

• 与GPS模块通信：STM32通过UART接收NMEA-0183格式数据。

// STM32Cube HAL库配置示例  
HAL_UART_Receive_IT(&huart2, rx_buffer, 128);  // 中断接收数据  

• 调试信息输出：通过UART连接PC串口助手，实时打印传感器数据。

特点：成本低、易实现，但无硬件流控制，适用于短距离、低速场景。

二、SPI协议

原理：全双工同步通信，通过SCK（时钟）、MOSI（主机发）、MISO（主机收）、CS（片选）四线实现高速数据传输（可达数十MHz）。

示例1-SPI 数据传输

示例2-SPI 数据传输

示例3-SPI时序信号

示例4-MCU SPI信号模拟图

实例：

• 驱动OLED屏幕：STM32作为主机，发送显示数据至SSD1306OLED模块。

// SPI发送函数（HAL库）  
HAL_SPI_Transmit(&hspi1, oled_data, sizeof(oled_data), 100);  

• 外接Flash存储：如W25Q128芯片，通过SPI实现固件存储或数据备份。

特点：速率快、接口简单，但需占用较多引脚资源。

三、I2C协议

原理：半双工同步通信，通过SCL（时钟）和SDA（数据）两线支持多主从设备，地址寻址机制实现设备区分。

示例1- I2C总线以及寻址方式

示例2- I2C总线以及寻址方式

实例：

• 连接温度传感器：如BMP280，STM32通过I2C读取温湿度数据。

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

• 管理EEPROM：如AT24C02，存储系统配置参数。

特点：节省引脚，支持多设备，但速率较低（通常≤400kHz）。

四、CAN协议

原理：差分信号抗干扰，支持多主通信，适用于复杂工业环境。

示例1-CAN协议通信原理

实例：

• 汽车电子控制：STM32作为CAN节点，与ECU（发动机控制单元）通信，传输油门或刹车信号。

// CAN报文发送（HAL库）  
CAN_TxHeaderTypeDef tx_header;  
tx_header.StdId = 0x123;  // 标准ID  
HAL_CAN_AddTxMessage(&hcan, &tx_header, tx_data, &mailbox);  

• 工业机器人控制：多个CAN节点同步执行动作指令。

特点：高可靠性，支持错误检测，但协议栈复杂度较高。

五、USB协议

原理：高速双向通信，支持设备模式（如U盘、HID设备）或主机模式（连接外设）。

示例1-USB2.0接线实例

实例：

• 自定义HID设备：STM32模拟USB键盘，发送按键指令至PC。

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

• 数据传输：通过USB CDC类实现虚拟串口，替代传统UART。

特点：即插即用，速率高（USB2.0可达12Mbps），需复杂协议栈支持。

六、Ethernet与Modbus

原理：基于LwIP协议栈实现TCP/IP通信，结合Modbus/TCP或Modbus/RS485协议用于工业网络。

示例1-Ethernet典型应用

示例2-tcp三次握手与四次挥手

实例：

• 远程数据监控：STM32通过以太网上传传感器数据至云平台。

// Modbus/TCP报文处理  
modbus_tcp_poll(&ctx);  // LwIP回调处理请求  

• RS485多设备通信：使用MAX485芯片，实现STM32与多个PLC的Modbus/RTU通信。

特点：支持远程控制，需外接PHY芯片或转换模块。

七、MQTT协议

原理：基于发布/订阅模型的轻量级物联网协议，运行于TCP/IP协议栈之上，支持低带宽、高延迟网络环境下的设备与云端双向通信。采用心跳机制保持长连接，消息体最小仅需2字节，支持QoS（服务质量等级）保证数据传输可靠性。

示例1-mqtt典型应用

实例：

• 环境监测系统：STM32通过ESP8266 WiFi模块连接阿里云IoT平台，定时发布温湿度数据至主题/sensor/data。

// 基于Paho MQTT嵌入式库的核心代码片段  
MQTTClient_publish(&client, "/sensor/data", "{\"temp\":25.6}", 12, QoS1, 0);  

• 远程设备控制：订阅/device/ctrl主题，接收云端下发的继电器控制指令。

特点：

• 支持百万级设备连接，适合电池供电场景（心跳间隔可配置）
• 协议头开销仅2字节，带宽利用率高达95%
• 需外接网络模块（如ESP32/4G模组）

八、RS-485协议

原理：基于差分信号传输的物理层标准，采用双绞线传输，逻辑"1"对应A-B线间-2V-6V电压，逻辑"0"对应+2V+6V。支持总线型拓扑，通过使能端控制收发方向实现半双工通信。

示例1-485芯片连线图

示例2-485电路图

实例：

• 工业PLC组网：STM32作为Modbus从站，通过MAX485芯片接入RS-485总线，响应主站查询指令：

// 使用USART2实现Modbus RTU协议  
HAL_UART_Receive_IT(&huart2, modbus_frame, 8); // 接收功能码01查询请求  

• 楼宇自动化：连接1000米外的电表集群，每30秒轮询用电量数据。

特点：

• 抗共模干扰能力达±15kV（通过双绞线抵消电磁干扰）
• 单总线最大支持32节点（需终端匹配120Ω电阻）
• 传输速率与距离成反比（10Mbps@12米，100kbps@1200米）