传感器接口
常见传感器接口
传感器是物联网系统的"感官"，负责采集环境数据。常见的传感器接口包括：
| 接口类型 | 特点 | 典型应用 |
|---|---|---|
| I2C | 两线制、多设备 | 温湿度传感器、EEPROM |
| SPI | 高速、全双工 | Flash、显示屏、ADC |
| UART | 简单、可靠 | GPS、蓝牙模块 |
| ADC | 模拟信号采集 | 光敏电阻、温度传感器 |
| GPIO | 数字信号 | 按键、LED、红外 |
I2C 接口
I2C 协议原理
I2C 总线时序：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ SDA ──┐ ┌───┐ ┌───┐ ┌───┐ ┌───┐ ┌───┐ │
│ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │
│ └─────┘ └─────┘ └─────┘ └─────┘ └─────┘ └─│
│ │
│ SCL ────┐ ┌───┐ ┌───┐ ┌───┐ ┌───┐ ┌───┐ ┌────│
│ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │
│ └───┘ └───┘ └───┘ └───┘ └───┘ └───┘ │
│ │
│ START 8位数据 ACK 8位数据 ACK STOP │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘I2C 总线特点：
- 两线制：SDA（数据线）+ SCL（时钟线）
- 多主多从：支持多个主设备和从设备
- 地址寻址：7 位或 10 位地址
- 应答机制：每字节传输后有 ACK/NACK
I2C 编程示例
c
#include <stdint.h>
#define I2C_READ 0x01
#define I2C_WRITE 0x00
typedef struct {
void (*start)(void);
void (*stop)(void);
void (*send_byte)(uint8_t data);
uint8_t (*recv_byte)(void);
void (*send_ack)(uint8_t ack);
uint8_t (*wait_ack)(void);
} i2c_ops_t;
static i2c_ops_t i2c;
int i2c_write(uint8_t dev_addr, uint8_t reg_addr, uint8_t *data, uint16_t len)
{
uint16_t i;
i2c.start();
i2c.send_byte((dev_addr << 1) | I2C_WRITE);
if (i2c.wait_ack() != 0) {
i2c.stop();
return -1;
}
i2c.send_byte(reg_addr);
if (i2c.wait_ack() != 0) {
i2c.stop();
return -1;
}
for (i = 0; i < len; i++) {
i2c.send_byte(data[i]);
if (i2c.wait_ack() != 0) {
i2c.stop();
return -1;
}
}
i2c.stop();
return 0;
}
int i2c_read(uint8_t dev_addr, uint8_t reg_addr, uint8_t *data, uint16_t len)
{
uint16_t i;
i2c.start();
i2c.send_byte((dev_addr << 1) | I2C_WRITE);
if (i2c.wait_ack() != 0) {
i2c.stop();
return -1;
}
i2c.send_byte(reg_addr);
if (i2c.wait_ack() != 0) {
i2c.stop();
return -1;
}
i2c.start();
i2c.send_byte((dev_addr << 1) | I2C_READ);
if (i2c.wait_ack() != 0) {
i2c.stop();
return -1;
}
for (i = 0; i < len; i++) {
data[i] = i2c.recv_byte();
i2c.send_ack((i == len - 1) ? 1 : 0);
}
i2c.stop();
return 0;
}SPI 接口
SPI 协议原理
SPI 总线连接：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ ┌──────────┐ ┌──────────┐ │
│ │ │───── MOSI ────────►│ │ │
│ │ │ │ │ │
│ │ Master │◄──── MISO ─────────│ Slave │ │
│ │ │ │ │ │
│ │ │───── SCLK ────────►│ │ │
│ │ │ │ │ │
│ │ │───── CS ──────────►│ │ │
│ └──────────┘ └──────────┘ │
│ │
│ MOSI: Master Out Slave In 主机输出从机输入 │
│ MISO: Master In Slave Out 主机输入从机输出 │
│ SCLK: Serial Clock 串行时钟 │
│ CS: Chip Select 片选信号 │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘SPI 四种工作模式：
| 模式 | CPOL | CPHA | 空闲电平 | 采样边沿 |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 低 | 上升沿 |
| 1 | 0 | 1 | 低 | 下降沿 |
| 2 | 1 | 0 | 高 | 下降沿 |
| 3 | 1 | 1 | 高 | 上升沿 |
SPI 编程示例
c
#include <stdint.h>
typedef struct {
void (*init)(uint8_t mode, uint32_t speed);
void (*cs_select)(void);
void (*cs_deselect)(void);
uint8_t (*transfer)(uint8_t data);
} spi_ops_t;
static spi_ops_t spi;
int spi_write_read(uint8_t *tx_buf, uint8_t *rx_buf, uint16_t len)
{
uint16_t i;
spi.cs_select();
for (i = 0; i < len; i++) {
rx_buf[i] = spi.transfer(tx_buf[i]);
}
spi.cs_deselect();
return 0;
}
uint8_t spi_read_reg(uint8_t reg_addr)
{
uint8_t tx_buf[2] = {reg_addr, 0xFF};
uint8_t rx_buf[2];
spi_write_read(tx_buf, rx_buf, 2);
return rx_buf[1];
}
void spi_write_reg(uint8_t reg_addr, uint8_t data)
{
uint8_t tx_buf[2] = {reg_addr, data};
uint8_t rx_buf[2];
spi_write_read(tx_buf, rx_buf, 2);
}ADC 接口
ADC 基本原理
ADC 转换过程：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ 模拟信号 采样保持 量化编码 数字值│
│ │
│ ────┐ ┌────┐ ┌────┐ ┌───┐│
│ │ │ │ │ │ │ ││
│ │ ────► │ S/H│ ────► │ ADC│ ────► │n位││
│ │ │ │ │ │ │ ││
│ ────┘ └────┘ └────┘ └───┘│
│ │
│ 连续电压 离散采样 数字转换 二进制数 │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘ADC 关键参数：
| 参数 | 说明 |
|---|---|
| 分辨率 | 位数，如 12 位 ADC 可分辨 4096 个等级 |
| 采样率 | 每秒采样次数，单位 SPS |
| 精度 | 实际值与测量值的偏差 |
| 参考电压 | ADC 转换的基准电压 |
ADC 编程示例
c
#include <stdint.h>
typedef struct {
void (*init)(uint8_t channel, uint8_t resolution);
void (*start)(void);
uint8_t (*is_busy)(void);
uint16_t (*read)(void);
} adc_ops_t;
static adc_ops_t adc;
uint16_t adc_read_channel(uint8_t channel)
{
adc.init(channel, 12);
adc.start();
while (adc.is_busy()) {
;
}
return adc.read();
}
float adc_to_voltage(uint16_t adc_value, float vref)
{
return (float)adc_value * vref / 4095.0f;
}
float read_temperature(void)
{
uint16_t adc_val;
float voltage;
float temperature;
adc_val = adc_read_channel(0);
voltage = adc_to_voltage(adc_val, 3.3f);
temperature = (voltage - 0.5f) / 0.01f;
return temperature;
}传感器驱动示例
DHT11 温湿度传感器
c
#include <stdint.h>
#include <delay.h>
#define DHT11_PIN 5
typedef struct {
uint8_t humidity_int;
uint8_t humidity_dec;
uint8_t temp_int;
uint8_t temp_dec;
uint8_t checksum;
} dht11_data_t;
static void dht11_start(void)
{
gpio_set_mode(DHT11_PIN, GPIO_OUTPUT);
gpio_write(DHT11_PIN, 0);
delay_ms(18);
gpio_write(DHT11_PIN, 1);
delay_us(30);
gpio_set_mode(DHT11_PIN, GPIO_INPUT);
}
static uint8_t dht11_check_response(void)
{
uint8_t timeout = 100;
while (gpio_read(DHT11_PIN) && timeout--);
if (timeout == 0) return 0;
timeout = 100;
while (!gpio_read(DHT11_PIN) && timeout--);
if (timeout == 0) return 0;
timeout = 100;
while (gpio_read(DHT11_PIN) && timeout--);
if (timeout == 0) return 0;
return 1;
}
static uint8_t dht11_read_byte(void)
{
uint8_t i, data = 0;
for (i = 0; i < 8; i++) {
while (!gpio_read(DHT11_PIN));
delay_us(40);
data <<= 1;
if (gpio_read(DHT11_PIN)) {
data |= 1;
while (gpio_read(DHT11_PIN));
}
}
return data;
}
int dht11_read(dht11_data_t *data)
{
uint8_t i;
uint8_t buf[5];
dht11_start();
if (!dht11_check_response()) {
return -1;
}
for (i = 0; i < 5; i++) {
buf[i] = dht11_read_byte();
}
if (buf[4] != ((buf[0] + buf[1] + buf[2] + buf[3]) & 0xFF)) {
return -2;
}
data->humidity_int = buf[0];
data->humidity_dec = buf[1];
data->temp_int = buf[2];
data->temp_dec = buf[3];
data->checksum = buf[4];
return 0;
}接口对比
| 特性 | I2C | SPI | UART |
|---|---|---|---|
| 线数 | 2 | 4 | 2 |
| 速度 | 中 | 高 | 低-中 |
| 全双工 | 否 | 是 | 是 |
| 多设备 | 是 | 是 | 否 |
| 距离 | 短 | 短 | 长 |
参考资料
[1] I2C-bus specification. NXP Semiconductors
[2] SPI Block Guide. Motorola
[3] DHT11 Datasheet. Aosong Electronics