2. 信号类型与接口基础：模拟信号 vs 数字信号、常见接口协议（I2C、SPI、UART、ADC）简介

做嵌入式这些年，我见过不少新手在传感器选型上栽跟头。说白了，很多人连传感器输出的是模拟信号还是数字信号都没搞清楚，就急着画原理图了。结果板子打样回来，发现单片机引脚不够用，或者信号根本读不到。嗯，今天我们就来把这块地基打牢。

2.1 模拟信号 vs 数字信号：本质区别

传感器输出的信号，归根结底就两种：模拟量和数字量。

模拟信号，就是连续变化的电压或电流。比如一个电位器，你拧它，输出电压从0V到3.3V平滑变化。温度传感器LM35，温度每升高1℃，输出电压增加10mV。这就是模拟信号——连续、无限、实时。

数字信号，只有两个状态：高电平和低电平，也就是1和0。比如一个按键按下，引脚被拉低到0V；松开，被上拉电阻拉到3.3V。或者一个数字温度传感器，它内部已经把温度值算好了，通过I2C或SPI直接给你一个二进制数。这就是数字信号——离散、有限、抗干扰强。

核心区别一句话：模拟信号是连续的物理量，数字信号是离散的逻辑值。

我在项目中遇到过一个问题：用模拟输出的光照传感器，信号线走了1米长，结果单片机读到的电压值一直在跳。后来发现是线缆引入了工频干扰。换成数字输出的传感器，同样的走线，数据稳如老狗。这就是数字信号抗干扰的优势。

2.2 ADC：连接模拟世界与数字世界的桥梁

单片机是数字器件，它只能处理0和1。那模拟信号怎么读？靠ADC（模数转换器）。

ADC的核心参数有两个：分辨率和采样率。

  • 分辨率：比如10位ADC，可以把0~3.3V分成2^10=1024份。每份是3.3V/1024≈3.22mV。分辨率越高，能分辨的电压变化就越小。
  • 采样率：每秒能采样多少次。比如1000次/秒，就是1kHz。采样率不够，高频信号就测不准。

举个例子，你用一个10位ADC去读一个温度传感器，温度变化0.5℃对应电压变化5mV。而你的ADC每份是3.22mV，理论上能分辨出这个变化。但如果换成8位ADC，每份是12.9mV，那就可能读不出来了。

我的习惯：选ADC时，分辨率至少要比你需要的精度高一个数量级。比如你需要0.1℃的精度，那ADC的分辨率最好能分辨0.01℃的变化。留点余量，心里踏实。

2.3 常见数字接口协议：I2C、SPI、UART

数字传感器通常通过这三种接口与单片机通信。你想想看，它们就像三种不同的“语言”，各有各的脾气。

2.3.1 I2C：两线制，多设备共享

I2C只有两根线：SCL（时钟线）和SDA（数据线）。所有设备都挂在这两根线上，每个设备有一个唯一的地址。主机（单片机）通过地址来寻址。

  • 优点：引脚少，可以挂多个设备（理论上127个）。
  • 缺点：速度相对慢（标准模式100kHz，快速模式400kHz，高速模式3.4MHz）。
  • 典型应用：温湿度传感器（如SHT30）、加速度计（如MPU6050）、EEPROM存储器。

我曾经在一个项目里挂了5个I2C传感器，结果发现其中一个地址冲突了。查了半天手册，才发现两个传感器用了同一个地址。最后只能换了一个地址可配置的型号。所以，选I2C传感器时，一定要确认地址是否可调。

2.3.2 SPI：四线制，高速传输

SPI需要四根线：SCLK（时钟）、MOSI（主机输出从机输入）、MISO（主机输入从机输出）、CS（片选，每个从机一根）。

  • 优点：速度快（几十MHz很常见），全双工（可以同时收发）。
  • 缺点：引脚多（每多一个从机就多一根CS线）。
  • 典型应用：SD卡、显示屏、高速ADC、陀螺仪。

SPI的时序比I2C简单，但要注意时钟极性和相位。搞错了，数据就读不对。我建议你写驱动前，先拿逻辑分析仪抓一下波形，确认时序对不对。

2.3.3 UART：异步串行，点对点

UART只需要两根线：TX（发送）和RX（接收）。它没有时钟线，靠双方约定好的波特率来同步。

  • 优点：简单，只需要两根线，很多单片机都有硬件UART。
  • 缺点：只能点对点通信（一个发一个收），速度一般（通常115200bps）。
  • 典型应用：GPS模块、蓝牙模块、串口屏。

注意：UART的TX和RX要交叉连接。单片机的TX接模块的RX，单片机的RX接模块的TX。这个我见过有人接反了，折腾了半天没反应。

2.4 如何选择：模拟还是数字？

这个问题没有标准答案，但我可以给你一些参考。

场景 推荐方案 理由
信号传输距离远（>1米） 数字接口（I2C/SPI/UART） 模拟信号长距离易受干扰
需要高精度、高分辨率 数字传感器（内部集成ADC） 数字传感器内部ADC通常比单片机的好
成本敏感、引脚紧张 模拟传感器 + 单片机ADC 模拟传感器通常更便宜，引脚少
需要快速响应（如电机控制） 模拟信号（直接反馈） 数字通信有延迟，模拟信号实时性更好
多传感器共享总线 I2C或SPI 一根总线可以挂多个设备

我个人习惯是：能用数字就用数字。调试方便，抗干扰强，代码也容易写。但有些场合，比如需要极低功耗的电池供电设备，模拟传感器加一个外部ADC可能更省电。具体问题具体分析。

2.5 代码示例：读取一个I2C数字温度传感器

这里以SHT30温湿度传感器为例，展示如何通过I2C读取数据。代码基于STM32 HAL库。

#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "sht30.h"

// SHT30 I2C地址（0x44，ADDR引脚接GND）
#define SHT30_ADDR 0x44 << 1

// 发送测量命令
HAL_StatusTypeDef SHT30_StartMeasurement(I2C_HandleTypeDef *hi2c) {
    uint8_t cmd[2] = {0x2C, 0x06}; // 高精度测量模式
    return HAL_I2C_Master_Transmit(hi2c, SHT30_ADDR, cmd, 2, 100);
}

// 读取温湿度数据
HAL_StatusTypeDef SHT30_ReadData(I2C_HandleTypeDef *hi2c, float *temp, float *humi) {
    uint8_t buf[6];
    if (HAL_I2C_Master_Receive(hi2c, SHT30_ADDR, buf, 6, 100) != HAL_OK) {
        return HAL_ERROR;
    }

    // 计算温度
    uint16_t raw_temp = (buf[0] << 8) | buf[1];
    *temp = -45.0f + 175.0f * raw_temp / 65535.0f;

    // 计算湿度
    uint16_t raw_humi = (buf[3] << 8) | buf[4];
    *humi = 100.0f * raw_humi / 65535.0f;

    return HAL_OK;
}

这段代码很简单：先发命令让传感器开始测量，等一会（通常几毫秒），再读回6个字节的数据。前两个字节是温度，中间两个是湿度，最后两个是CRC校验（这里省略了）。

避坑指南：我曾经在读取SHT30时，发现温度值一直跳。后来用示波器一看，I2C时钟线上有毛刺。加了个10kΩ上拉电阻，问题解决了。I2C总线一定要加上拉电阻，一般4.7kΩ到10kΩ。

2.6 小结

这一章我们聊了模拟信号和数字信号的区别，ADC的作用，以及I2C、SPI、UART三种接口的特点。你想想看，选传感器其实就是选接口。接口选对了，后面画原理图、写驱动都顺风顺水。选错了，那就是给自己挖坑。

下一章，我们会深入讲传感器数据手册怎么看。那些密密麻麻的参数，哪些是忽悠人的，哪些是真正关键的。到时候我会拿几份真实的数据手册，带你一条一条过。

公众号:蓝海资料掘金营，微信deep3321

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