在 Velxio 上精通 Arduino 的串口、I2C 和 SPI

引言

通信协议是嵌入式系统的核心。无论你是读取传感器、与 SD 卡通信，还是打印调试信息，你都在使用三大主要协议之一：串口 (UART)、I2C (TWI) 或 SPI。在本教程中，我们将使用 Velxio 浏览器内模拟器，在 Arduino Uno 上同时运行这三种协议。你将看到如何扫描 I2C 总线、读写 EEPROM、执行 SPI 传输，并通过串口记录所有信息。

Velxio 模拟器画布上的多协议电路图

电路讲解

本示例仅使用 Arduino Uno 板本身——无需任何外部元件。Arduino 的内置外设提供了我们所需的一切：

串口 (UART)：使用引脚 0 (RX) 和 1 (TX) 与串口监视器通信。
I2C (TWI)：使用引脚 A4 (SDA) 和 A5 (SCL)。Wire 库会启用内部上拉电阻。
SPI：使用引脚 10 (SS)、11 (MOSI)、12 (MISO) 和 13 (SCK)。引脚 10 被配置为从机选择输出。

由于所有连接都在 Arduino 内部，因此无需接线。Velxio 画布会显示带有引脚标签的 Uno，你可以通过打开元件选择器来检查虚拟元件。

Velxio 元件选择器模态框，按类别浏览元件

代码讲解

让我们逐步分析这段代码。

库和定义

#include <Wire.h>
#include <SPI.h>

#define DS1307_ADDR 0x68
#define EEPROM_ADDR 0x50
#define SS_PIN 10

我们包含了用于 I2C 的 Wire 库和用于 SPI 的 SPI 库。定义了两个 I2C 地址：0x68 用于 DS1307 RTC（虽然物理上不存在，但我们会扫描它），0x50 用于 24Cxx EEPROM。SPI 从机选择引脚设置为数字引脚 10。

辅助函数

byte bcdToDec(byte val) {
  return ((val >> 4) * 10) + (val & 0x0F);
}

void readRTC(byte &hr, byte &min, byte &sec) {
  Wire.beginTransmission(DS1307_ADDR);
  Wire.write(0x00);
  Wire.endTransmission();
  Wire.requestFrom(DS1307_ADDR, 3);
  sec = bcdToDec(Wire.read() & 0x7F);
  min = bcdToDec(Wire.read());
  hr  = bcdToDec(Wire.read() & 0x3F);
}

bcdToDec 函数将二进制编码的十进制 (BCD) 转换为十进制。readRTC 从 DS1307 RTC 读取秒、分和时。& 0x7F 和 & 0x3F 掩码用于清除未使用的位。

void writeEEPROM(byte reg, byte value) {
  Wire.beginTransmission(EEPROM_ADDR);
  Wire.write(reg);
  Wire.write(value);
  Wire.endTransmission();
  delay(5);
}

byte readEEPROM(byte reg) {
  Wire.beginTransmission(EEPROM_ADDR);
  Wire.write(reg);
  Wire.endTransmission();
  Wire.requestFrom(EEPROM_ADDR, 1);
  return Wire.available() ? Wire.read() : 0xFF;
}

这些函数用于向地址为 0x50 的 I2C EEPROM 写入和读取单个字节。delay(5) 确保 EEPROM 有足够时间完成写入周期。

byte spiTransfer(byte data) {
  digitalWrite(SS_PIN, LOW);
  byte result = SPI.transfer(data);
  digitalWrite(SS_PIN, HIGH);
  return result;
}

该函数执行全双工 SPI 传输：拉低 SS，发送一个字节，接收响应，然后拉高 SS。

初始化

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  Wire.begin();
  pinMode(SS_PIN, OUTPUT);
  digitalWrite(SS_PIN, HIGH);
  SPI.begin();

  Serial.println("===================================");
  Serial.println(" 多协议演示");
  Serial.println(" 串口 (USART) + I2C (TWI) + SPI");
  Serial.println("===================================");
  Serial.println();

  // ── I2C: 扫描总线 ──
  Serial.println("[I2C] 正在扫描总线...");
  int found = 0;
  for (byte addr = 1; addr < 127; addr++) {
    Wire.beginTransmission(addr);
    if (Wire.endTransmission() == 0) {
      Serial.print("  在地址 0x");
      if (addr < 16) Serial.print("0");
      Serial.println(addr, HEX);
      found++;
    }
  }
  Serial.print("  ");
  Serial.print(found);
  Serial.println(" 个设备在 I2C 总线上。");
  Serial.println();

  // ── I2C: 写入/读取 EEPROM ──
  Serial.println("[I2C] EEPROM 写入/读取测试：");
  writeEEPROM(0, 42);
  writeEEPROM(1, 99);
  byte v0 = readEEPROM(0);
  byte v1 = readEEPROM(1);
  Serial.print("  写入 42，读取 ");
  Serial.print(v0);
  Serial.println(v0 == 42 ? " [成功]" : " [失败]");
  Serial.print("  写入 99，读取 ");
  Serial.print(v1);
  Serial.println(v1 == 99 ? " [成功]" : " [失败]");
  Serial.println();

  // ── SPI: 传输测试 ──
  Serial.println("[SPI] 传输测试：");
  byte spiData[] = {0xAA, 0x55, 0x42};
  for (int i = 0; i < 3; i++) {
    byte rx = spiTransfer(spiData[i]);
    Serial.print("  发送=0x");
    if (spiData[i] < 16) Serial.print("0");
    Serial.print(spiData[i], HEX);
    Serial.print(" 接收=0x");
    if (rx < 16) Serial.print("0");
    Serial.println(rx, HEX);
  }
  Serial.println();

  Serial.println("初始化完成。正在读取 RTC...");
  Serial.println();
}

在 setup() 中，我们初始化了所有三种协议。然后我们：

扫描 I2C 总线，查找地址从 1 到 126 的设备。
测试 EEPROM，将值 42 和 99 写入地址 0 和 1，然后读回并验证。
测试 SPI，发送三个字节（0xAA、0x55、0x42）并打印接收到的字节。

主循环

void loop() {
  // ── 串口：每 2 秒打印 RTC 时间 ──
  byte hr, min, sec;
  readRTC(hr, min, sec);

  Serial.print("[RTC] ");
  if (hr < 10) Serial.print("0");
  Serial.print(hr);
  Serial.print(":");
  if (min < 10) Serial.print("0");
  Serial.print(min);
  Serial.print(":");
  if (sec < 10) Serial.print("0");
  Serial.print(sec);

  Serial.print("  |  运行时间：");
  Serial.print(millis() / 1000);
  Serial.println("s");

  delay(2000);
}

每两秒，主循环读取 RTC 时间并连同系统运行时间一起打印。这演示了在 I2C 和 SPI 空闲时持续进行串口输出。

关键概念

串口 (UART)：异步、点对点。用于调试输出以及与 PC 或 GPS 等模块通信。
I2C：同步、多主控，使用两根线 (SDA, SCL)。每个设备有唯一地址。非常适合传感器和 EEPROM。
SPI：同步、全双工，使用四根线 (MOSI, MISO, SCK, SS)。比 I2C 更快，但需要更多引脚。
总线扫描：遍历 I2C 地址以发现连接的设备。
EEPROM 读写：非易失性存储器，断电后仍保留数据。
SPI 传输：同时发送和接收数据。

常见陷阱与调试技巧

I2C 上拉电阻：Wire 库会启用内部上拉，但对于较长的总线，建议使用外部电阻 (4.7kΩ)。
SPI SS 引脚：始终将 SS 设置为输出，并在不使用时保持高电平，以避免意外进入从机模式。
EEPROM 写入时序：写入后，等待至少 5 毫秒再进行下一次操作。
串口监视器波特率：确保串口监视器设置为 9600 波特。
无外部设备：在此模拟中，I2C 扫描不会发现任何设备（可能除了 Arduino 的内部 TWI）。EEPROM 测试使用模拟器内置的虚拟 EEPROM。

建议扩展

添加真实传感器：将 DS1307 RTC 和 24Cxx EEPROM 连接到 I2C 总线，并通过 SPI 连接 SD 卡模块。
将数据记录到 EEPROM：存储传感器读数并在复位后检索。
使用中断：通过按钮触发 SPI 传输。
实现命令接口：解析串口命令以控制 I2C 和 SPI 操作。

亲自尝试

准备好看到这三种协议的实际运行了吗？在 Velxio 中打开实时示例，编译并运行。观察串口监视器输出，Arduino 将扫描 I2C 总线、测试 EEPROM、执行 SPI 传输，然后持续打印 RTC 时间。

在 Velxio 上启动多协议演示

Velxio 编辑器工具栏，包含编译和运行控件 Velxio 画布工具栏，位于模拟视口上方

祝你编程愉快！

在 Velxio 上精通 Arduino 的串口、I2C 和 SPI

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辅助函数

初始化

主循环

关键概念

常见陷阱与调试技巧

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