第 8 章 输出电路：信号怎么出去

核心问题：一块 MCU 板子不是孤立存在的——它需要跟传感器读数据、跟电脑传固件、跟显示屏刷界面。这些”对话”都依赖通信接口。本章把嵌入式中最常用的 UART、I²C、SPI、USB 四大协议从硬件原理到实际接线一次讲透，最后再解决一个绕不开的问题：电平不匹配怎么办？

本章导读#

8.1 UART（串口）#

8.1.1 UART 是什么？#

UART 全称 Universal Asynchronous Receiver/Transmitter（通用异步收发器），是嵌入式世界里最古老、最常用的通信接口之一。

三个关键词帮你记住它：

• 异步：没有时钟线，收发双方靠”约定好的速度”（波特率）来同步
• 串行：数据一位一位地发，省线
• 全双工：可以同时发送和接收（TX 和 RX 各管一路）

新手类比：UART 就像两个人打电话。没有人在旁边打拍子（异步），但只要双方说话速度一致（波特率一致），就能听懂对方在说什么。

8.1.2 硬件接线：TX/RX 交叉连接#

UART 通信只需要 3 根线：

最核心的一条规则：TX 接 RX，RX 接 TX！

设备 A                设备 B
  TX ──────────────→ RX
  RX ←────────────── TX
  GND ───────────── GND

⚠️ 新手最常犯的错误：TX 接 TX、RX 接 RX → 两个人都在说，没人在听 → 通信失败！

💡 记忆口诀：“我说你听，你说我听” —— TX（我说）必须连到对方的 RX（你听）。

8.1.3 数据帧格式#

UART 把每个要发送的字节封装成一个”帧”，就像寄快递要打包一样：

空闲 ┃ 起始位 ┃ D0  D1  D2  D3  D4  D5  D6  D7 ┃ 校验位 ┃ 停止位 ┃ 空闲
─────╋────────╋───────────────────────────────╋────────╋────────╋─────
 高  ┃   低   ┃         数据位（8bit）          ┃ 可选   ┃   高   ┃  高
      (1bit)   ┃      低位先发，高位后发         ┃(0/1bit)┃(1~2bit)┃

8.1.4 波特率#

波特率（Baud Rate） 表示每秒传输多少个 bit，单位 bps（bits per second）。

常用波特率：9600、38400、57600、115200

最重要的一条规则：收发双方的波特率必须完全一致！ 如果发送方用 115200，接收方用 9600，就会收到一堆乱码。

波特率与传输速度的关系（以 8N1 格式为例：8 数据位 + 无校验 + 1 停止位）：

每帧 = 1(起始) + 8(数据) + 1(停止) = 10 bit

115200 bps → 115200 / 10 = 11520 字节/秒 ≈ 11.25 KB/s
9600 bps   → 9600 / 10 = 960 字节/秒

8.1.5 电平标准：TTL vs RS-232#

嵌入式开发中会遇到两种 UART 电平：

⚠️ 关键警告：3.3V MCU 的 RX 引脚不能直接接 5V 设备的 TX！5V 的高电平可能超过 MCU 引脚的耐压极限，导致永久损坏。电平匹配问题在 8.5 节详细讲。

8.1.6 实际场景#

场景 1：MCU 调试打印（最常见）#

开发中最常用的调试手段就是通过 UART 把变量值、运行状态打印到电脑屏幕上：

MCU TX ──→ USB转TTL模块 ──→ USB ──→ 电脑（串口助手软件）
MCU RX ←──         RX ←──
GND ────          GND ────

常用的 USB 转 TTL 芯片：

场景 2：连接 GPS 模块#

GPS 模块（如 NEO-6M）通过 UART 输出 NMEA 定位数据：

GPS TX ──→ MCU RX   （GPS 发，MCU 收）
GPS RX ←── MCU TX   （MCU 发配置指令给 GPS）

场景 3：连接蓝牙模块#

HC-05 / HC-06 等蓝牙模块也是 UART 接口，MCU 通过发送 AT 指令来配置蓝牙参数。

8.1.7 常见问题排查#

8.2 I²C#

8.2.1 I²C 是什么？#

I²C（读作”I-squared-C”，也常写成 IIC 或 I2C）全称 Inter-Integrated Circuit（集成电路间总线），由 Philips（现 NXP）于 1982 年发明。

三个关键词：

• 同步：有时钟线 SCL，数据跟着时钟节拍走
• 半双工：SDA 是双向的，但同一时刻只能一个方向传
• 多主多从：一条总线上可以挂很多设备，通过地址区分

新手类比：I²C 就像一个教室。老师（主设备）点名（发地址），被点到名的学生（从设备）才能发言。所有人共用同一张桌子（SDA 线），但按老师的节拍（SCL）轮流说话。

8.2.2 硬件接线：只需两根线#

            VCC              VCC
             │                │
            [Rp]             [Rp]     ← 上拉电阻（必须！）
             │                │
SDA ─────────┼────────┬───────┼──── 多个设备共享
SCL ─────────┼────┬───┼───────┼──── 多个设备共享
             │    │   │       │
           ┌──┴┐┌─┴─┐┌┴──┐ ┌─┴─┐
           │MCU││传感器││OLED│ │EEPROM│
           └───┘└───┘└───┘ └───┘
           (主)  (从)  (从)  (从)

8.2.3 为什么必须加上拉电阻？#

这是 I²C 最容易被忽略但最致命的一个点。

I²C 的所有设备都使用开漏（Open-Drain） 输出结构：

• 设备只能把线拉低（输出 0）
• 设备不能主动拉高（输出 1）
• 高电平完全靠外部上拉电阻把电压”拉上去”

VCC
 │
[Rp]   ← 上拉电阻：没人在拉低时，把线拉到高电平
 │
SDA ── 多个设备（只能下拉到 GND）
 │
GND    ← 某个设备导通时，把线拉到低电平

没有上拉电阻 = SDA/SCL 永远悬空 = 总线瘫痪！

上拉电阻选多大？#

上拉电阻的大小影响信号上升速度和功耗，需要在两者之间取平衡：

计算方法（了解即可）：

最小值（保证低电平不超过 0.4V）：
  Rp(min) = (VCC - 0.4V) / 3mA

最大值（保证上升时间满足要求）：
  Rp(max) = tr / (0.8473 × Cb)
  
  其中 tr = 上升时间要求，Cb = 总线电容

新手建议：99% 的场景直接用 4.7kΩ 就行。如果通信不稳定、波形上升沿太缓，换小一点（如 2.2kΩ）试试。

8.2.4 通信流程#

I²C 的通信严格按照时序进行：

      ┌─────┐                                 ┌─────┐
SDA   │     └──┐ 地址(7bit) R/W  ACK  数据  ACK     ┌┘ 停止
──────┘        └─────────────────────────────────┘
     ↑ Start                                    ↑ Stop
     
SCL  ──┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌──
       └─┘ └─┘ └─┘ └─┘ └─┘ └─┘ └─┘ └─┘ └─┘ └─┘

一次完整的 I²C 通信包含以下步骤：

8.2.5 地址与 ACK/NACK#

设备地址#

每个 I²C 从设备都有一个唯一的 7 位地址（也有 10 位地址的，但少见）。

例如：

• BMP280 气压传感器：0x76 或 0x77（可通过引脚选择）
• SSD1306 OLED：0x3C 或 0x3D
• AT24C02 EEPROM：0x50 ~ 0x57

⚠️ 注意：有些 datasheet 写的是 8 位地址（把读写位也算进去了），实际 7 位地址要右移 1 位。例如 datasheet 写 0xA0，实际 7 位地址是 0x50。

ACK 与 NACK#

每传完 8 位数据后，第 9 个时钟周期是应答位：

调试技巧：如果你用逻辑分析仪抓 I²C 波形，发现地址发出后一直是 NACK → 检查：①地址是否正确 ②上拉电阻是否焊接 ③设备是否供电正常 ④SDA/SCL 是否接反。

8.2.6 多设备挂载与地址冲突#

I²C 总线上可以挂多个从设备（理论上最多 128 个，实际受电容限制约 10~20 个）。

地址冲突问题：如果两个设备的 7 位地址相同（比如两个 0x76 的 BMP280），它们会同时响应，数据就会打架。

解决方法：

1. 查 datasheet 看是否能改地址（如 BMP280 的 SDO 引脚可以切换 0x76/0x77）
2. 使用 I²C 多路复用器（如 TCA9548A，8 通道切换）
3. 把其中一个换型号

8.2.7 实际场景#

I²C 总线扫描：调试时常用一段”扫描代码”，遍历 0x00~0x7F 所有地址，看哪些地址有 ACK 响应，从而确认设备的实际地址。

8.3 SPI#

8.3.1 SPI 是什么？#

SPI 全称 Serial Peripheral Interface（串行外设接口），由 Motorola 公司发明。

三个关键词：

• 同步：有专门的时钟线 SCLK
• 全双工：MOSI 和 MISO 可以同时收发
• 一主多从：主设备通过片选线（CS）选择跟哪个从设备通信

新手类比：SPI 就像老师（主设备）跟学生一对一对话。老师点名（CS 片选），然后老师说话的同时学生也在说话（全双工），速度由老师控制（SCLK）。

8.3.2 硬件接线：四线制#

          MCU（主设备）                 Flash（从设备）
         ┌───────────┐               ┌───────────┐
         │           │               │           │
    SCLK │───────────┼───────────────┼─── SCLK   │
    MOSI │───────────┼───────────────┼─── MOSI   │
    MISO │←──────────┼───────────────┼─── MISO   │
    CS0  │───────────┼───────────────┼─── CS     │
         │           │               │           │
         │    CS1 ───┼───────────┐   │           │
         │           │           │   │           │
         └───────────┘           │   └───────────┘
                                 │
                           ┌─────┴─────┐
                           │  OLED     │
                           │ （从设备2） │
                           └───────────┘

8.3.3 片选（CS）的重要性#

CS 是 SPI 中最关键的控制信号。规则很简单：

• CS = 低电平 → 这个从设备被选中，开始通信
• CS = 高电平 → 这个从设备”沉默”，MISO 变成高阻态

⚠️ 如果同时拉低两个 CS → 两个从设备的 MISO 同时驱动数据线 → 数据冲突，通信失败！

多从设备的正确接法：每个从设备需要独立的 CS 线。

MCU CS0 ──→ 从设备 A 的 CS
MCU CS1 ──→ 从设备 B 的 CS
MCU CS2 ──→ 从设备 C 的 CS
SCLK、MOSI、MISO 三线共享

8.3.4 SPI 的四种工作模式（CPOL / CPHA）#

这是 SPI 中最容易让人困惑的部分。SPI 用两个参数来定义时钟行为：

CPOL（Clock Polarity，时钟极性）：

• CPOL = 0：时钟空闲时为低电平
• CPOL = 1：时钟空闲时为高电平

CPHA（Clock Phase，时钟相位）：

• CPHA = 0：在时钟的第一个边沿采样数据
• CPHA = 1：在时钟的第二个边沿采样数据

四种组合：

新手建议：Mode 0 和 Mode 3 最常用。拿到一个新设备，先查 datasheet 的 SPI 时序章节，找到 CPOL 和 CPHA 的配置要求。如果 datasheet 没写，试 Mode 0 先。

8.3.5 SPI vs I²C：什么时候用哪个？#

一句话总结：速度要求高用 SPI，省线且设备多用 I²C。

8.3.6 实际场景#

8.4 USB#

8.4.1 USB 是什么？#

USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）是目前最普及的外部接口标准，用于连接电脑和各种外设。

在嵌入式开发中，USB 主要用于：

1. MCU 通过 USB 转串口芯片与电脑通信（调试、下载固件）
2. MCU 自带 USB 接口（如 STM32 的 USB Device，模拟 HID/CDC 设备）
3. 供电（USB 5V 作为板子的电源输入）

8.4.2 USB 2.0 的引脚定义#

USB 2.0 使用 4 根线：

USB Type-A 母座（正面看）
┌──────────────────┐
│  ① ② ③ ④       │
│ VBUS D- D+ GND   │
└──────────────────┘

8.4.3 D+/D- 差分信号#

USB 的数据传输靠 D+ 和 D- 这对差分信号线：

• 差分信号的原理：不靠单根线的绝对电压判断 0/1，而是看 D+ 和 D- 之间的电压差
• D+ 比 D- 高 → 逻辑 1（J 状态）
• D- 比 D+ 高 → 逻辑 0（K 状态）

差分信号的优势：

• 外部干扰同时影响 D+ 和 D-（共模干扰），做差后干扰被抵消
• 抗干扰能力远强于单端信号
• 这就是为什么 USB 线缆可以比 UART 长得多

USB 2.0 的速度等级：

8.4.4 上拉电阻与设备识别#

USB 主机怎么知道插入的是低速设备还是全速设备？靠 D+ / D- 上的上拉电阻！

全速设备（如 USB 转串口）：

       3.3V
        │
      [1.5kΩ]
        │
D+ ─────┤──── 主机检测到 D+ 为高 → 识别为全速设备
D- ─────┘

这个上拉电阻通常集成在 USB 芯片内部（如 CH340、STM32 USB 外设），不需要外部额外加。

8.4.5 ESD 保护（TVS 阵列）#

USB 接口直接对外，插拔时极易产生静电放电（ESD），电压可高达数千伏，瞬间就能击穿芯片。

必须在 USB 接口处加 TVS（瞬态电压抑制）保护管：

USB 接口                 MCU / USB 芯片
  D+ ──┬──→ D+
       │
     [TVS]  ← 静电来了，TVS 瞬间导通，把高压泄放到 GND
       │
  D- ──┼──→ D-
       │
     [TVS]
       │
  GND ─┴── GND

常用的 USB ESD 保护芯片：

布局要求：TVS 管必须紧挨着 USB 连接器放置，在 ESD 能量进入电路板之前就把它拦截住。

8.4.6 USB 在实际设计中的应用#

大多数嵌入式项目不会直接做 USB 协议栈开发（太复杂），而是使用专用的 USB 转串口芯片：

MCU ──UART──→ USB转串口芯片 ──USB──→ 电脑
               (CH340/CP2102)

8.4.7 USB Type-C 简介#

USB Type-C 是目前最新、最主流的 USB 接口形态：

• 24 引脚，上下对称 → 正反都能插
• 支持 USB PD 快充（最高 240W）
• 支持 USB 3.1 / USB4 高速传输（最高 40 Gbps）

嵌入式中只用到 USB 2.0 功能时的 Type-C 引脚：

CC 引脚的作用：Type-C 通过 CC1/CC2 引脚上的电压来检测设备的插入/拔出、判断主机/从机角色、协商供电电流。如果你的设备只做 USB 从设备（Device），需要在 CC1 和 CC2 各接一个 5.1kΩ 下拉电阻到 GND。

8.5 电平转换#

8.5.1 为什么需要电平转换？#

现代嵌入式系统中经常存在多个电压域：

3.3V MCU ←──→ 5V 传感器
1.8V SoC ←──→ 3.3V Flash
3.3V MCU ←──→ 5V GPS 模块

如果不做电平转换直接连接：

• 5V → 3.3V：5V 的高电平超过 3.3V MCU 引脚耐压 → 可能烧毁 MCU！
• 3.3V → 5V：3.3V 的高电平可能达不到 5V 设备的识别阈值 → 通信失败（乱码或无响应）

8.5.2 方案一：电阻分压（单向、低速、最简单）#

适用场景：5V → 3.3V 的单向信号，低速（UART ≤ 115200）

5V TX ──[R1=2kΩ]──┬──→ 3.3V RX
                   │
                 [R2=3.3kΩ]
                   │
                  GND

Vout = 5V × R2/(R1+R2) = 5V × 3.3/(2+3.3) ≈ 3.1V ✓

优点：便宜，2 个电阻搞定 缺点：

• 只能单向（5V→3.3V）
• 速度受限（RC 时间常数导致上升沿变缓）
• 有静态功耗

⚠️ 不能用于 3.3V → 5V 方向（电阻分压只能降压，不能升压）。

8.5.3 方案二：MOS 管电平转换（双向，I²C 经典方案）#

这是 I²C 总线跨电压域最经典的方案，使用 N-MOS 管 BSS138：

      VCC_L (3.3V)          VCC_H (5V)
        │                     │
       [Rp]                  [Rp]       ← 两侧各加上拉电阻
        │                     │
SDA_L ──┤──┬── Gate           ├── SDA_H
        │  │    │             │
        │  │  ┌─┴─┐          │
        │  └──┤G   │          │
        │     │BSS │          │
        │     │138 │          │
        │     │    │          │
        └─────┤S  D├──────────┘
              └───┘

工作原理（以 SDA 为例）：

BSS138 的关键参数：

• Vgs(th) ≈ 1.3V（阈值电压低，3.3V 就能驱动）
• SOT-23 封装，便宜（< 0.1 元/颗）

适用场景：I²C 总线的 3.3V ↔ 5V 双向电平转换。

8.5.4 方案三：专用电平转换芯片#

当通道数多、速率高、或者不想自己搭电路时，直接用专用芯片：

TXB0108 的特点：

• A 端口接 VCCA（如 3.3V），B 端口接 VCCB（如 5V）
• 自动检测数据方向，不需要 DIR 控制线
• 8 通道，适合 SPI 总线（SCLK + MOSI + MISO + CS 才 4 根，还有余量）
• 支持 1.2V ~ 5.5V 之间任意两种电压的转换

注意：TXB0108 不适合 I²C（因为 I²C 的开漏结构与 TXB0108 的内部推挽驱动冲突）。I²C 用 TXS0102 或 BSS138。

8.5.5 方案选择速查#

8.6 各协议对比表#

8.6.1 核心参数对比#

8.6.2 选型决策树#

要传什么数据？
│
├── 调试打印 / 简单文本通信
│   └── → UART（最简单，不需要时钟线）
│
├── 读传感器 / EEPROM / RTC / OLED（低速外设）
│   ├── 设备多、IO 口紧张？
│   │   └── → I²C（2 根线挂很多设备）
│   └── 速度要求较高？
│       └── → SPI（速度快 10~100 倍）
│
├── Flash 存储 / 显示屏 / SD 卡（高速外设）
│   └── → SPI（高速全双工）
│
├── 跟电脑通信 / USB 设备
│   └── → USB（通用性强，PC 端免驱）
│
└── 长距离 / 工业环境
    ├── → RS-485（UART 的差分长距离版本，可达 1200m）
    └── → CAN（汽车/工业专用，抗干扰极强）

8.6.3 实际设计中的组合#

在实际的嵌入式系统中，通常多种协议并存：

                    ┌─────────────────────┐
                    │                     │
                    │      MCU (主控)      │
                    │                     │
    USB ←──────USB──┤                     ├──UART──→ 蓝牙模块
                    │                     ├──UART──→ GPS 模块
   电脑 ←──USB转TTL─┤                     │
                    │                     ├──I²C───→ 温湿度传感器
                    │                     │          + OLED 显示屏
                    │                     │          + EEPROM
                    │                     │
                    │                     ├──SPI───→ Flash 存储器
                    │                     │          + TFT 显示屏
                    │                     │
                    └─────────────────────┘

一个典型的 STM32 项目可能同时使用：UART 做调试输出，I²C 读传感器，SPI 驱动 Flash 和屏幕，USB 做固件下载。

本章小结#

关键数字速记#

思考题#

1. 如果你的 STM32（3.3V）要连接一个 5V 的 GPS 模块（UART），TX 和 RX 各应该怎么处理电平？
2. 一条 I²C 总线上挂了 3 个设备，总电容约 20pF，使用 4.7kΩ 上拉电阻是否合适？如果换成 400kHz 快速模式呢？
3. SPI Flash 要求 CPOL=0, CPHA=0，你的 MCU 应该配置为 Mode 几？
4. USB Type-C 接口如果只做 USB 2.0 从设备，最少需要接哪几根线？CC 引脚怎么处理？

参考资料#

1. NXP, I²C-bus specification and user manual, Rev. 7 (UM10204)
2. USB-IF, USB 2.0 Specification
3. Texas Instruments, TXB0108 / TXS0102 Datasheet
4. WCH (南京沁恒), CH340 Datasheet
5. Silicon Labs, CP2102N Datasheet

相关图片资源参考#

以下是本章内容涉及的关键图片资源，建议在制作教材配图时参考或获取：

💡 图片获取建议：以上图片建议使用 KiCad / Fritzing / draw.io 等工具自行绘制，以获得无版权问题的原创配图。也可以在各芯片厂商的 Datasheet 和 Application Note 中找到官方参考电路图。