从Arduino到树莓派：手把手教你玩转UART、IIC、SPI通信（附Python/C++代码示例）

从Arduino到树莓派：三大通信协议实战指南

在开源硬件领域，UART、IIC和SPI如同三位性格迥异的老朋友——UART随性自由、IIC严谨有序、SPI雷厉风行。当Arduino Uno遇上树莓派Pico，这三种通信协议便成为硬件对话的通用语言。本文将带您跨越理论迷雾，直接进入实战环节，用OLED屏幕显示数据、用温湿度传感器采集环境信息、用GPS模块获取位置数据，在真实项目中感受每种协议的特性。

1. UART：异步串行的自由派

1.1 硬件连接与基础配置

UART通信只需两根线（TX/RX）即可建立连接，但需要注意电平匹配问题。Arduino Uno使用5V逻辑电平，而树莓派Pico采用3.3V系统，直接连接可能损坏树莓派GPIO。推荐以下两种解决方案：

• 电平转换模块：使用TXB0104等双向电平转换芯片
• 电阻分压电路：对Arduino的TX信号进行分压（1.8kΩ+3.3kΩ组合）

典型接线示例（Arduino Uno与树莓派Pico）：

Arduino Uno TX -> 电平转换 -> 树莓派Pico RX (GPIO1) Arduino Uno RX <- 电平转换 <- 树莓派Pico TX (GPIO0)

1.2 双平台代码实现

Arduino端发送数据（C++）：

void setup() { Serial.begin(115200); // 设置波特率 } void loop() { Serial.println("Hello Raspberry Pi!"); delay(1000); }

树莓派端接收数据（Python）：

import serial ser = serial.Serial('/dev/ttyACM0', 115200, timeout=1) while True: if ser.in_waiting > 0: line = ser.readline().decode('utf-8').rstrip() print(f"Received: {line}")

注意：实际设备路径可能是/dev/ttyUSB0或其他，可通过ls /dev/tty*命令查看

1.3 项目实战：GPS数据采集系统

使用NEO-6M GPS模块通过UART传输数据时，典型数据格式如下：

$GPGGA,123519,4807.038,N,01131.000,E,1,08,0.9,545.4,M,46.9,M,,*47

解析关键字段的Python代码片段：

def parse_gpgga(sentence): if not sentence.startswith('$GPGGA'): return None parts = sentence.split(',') return { 'time': parts[1][:2] + ":" + parts[1][2:4] + ":" + parts[1][4:6], 'latitude': float(parts[2][:2]) + float(parts[2][2:])/60, 'longitude': float(parts[4][:3]) + float(parts[4][3:])/60, 'altitude': float(parts[9]) }

2. IIC：优雅的双线制协议

2.1 协议特性与物理连接

IIC协议的精妙之处在于用两根线（SDA/SCL）实现多设备通信。以下是典型IIC设备地址表：

连接多个IIC设备时，SCL和SDA线需要并联，每个设备通过唯一地址识别。树莓派上启用IIC接口的命令：

sudo raspi-config # 选择 Interface Options -> I2C -> Yes

2.2 OLED屏幕驱动实战

Arduino驱动SSD1306（使用Adafruit库）：

#include <Wire.h> #include <Adafruit_SSD1306.h> Adafruit_SSD1306 display(128, 64, &Wire, -1); void setup() { Wire.begin(); display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C); display.display(); delay(2000); display.clearDisplay(); } void loop() { display.setTextSize(1); display.setCursor(0,0); display.print("Temp: 25.6C"); display.display(); }

树莓派Python版本：

from board import SCL, SDA import busio from PIL import Image, ImageDraw, ImageFont import adafruit_ssd1306 i2c = busio.I2C(SCL, SDA) display = adafruit_ssd1306.SSD1306_I2C(128, 64, i2c, addr=0x3C) image = Image.new("1", (128, 64)) draw = ImageDraw.Draw(image) draw.text((0, 0), "Hello I2C World!", fill=255) display.image(image) display.show()

2.3 多设备通信技巧

当总线上挂载多个IIC设备时，可能会遇到地址冲突问题。解决方案包括：

• 使用地址可配置的模块（如某些传感器有ADDR引脚）
• 添加IIC多路复用器（如TCA9548A）
• 软件实现虚拟IIC总线

扫描IIC总线上所有设备的Python代码：

import board import busio i2c = busio.I2C(board.SCL, board.SDA) while not i2c.try_lock(): pass devices = i2c.scan() print("I2C devices found:", [hex(x) for x in devices]) i2c.unlock()

3. SPI：高速同步通信专家

3.1 硬件连接与时钟配置

SPI协议采用主从架构，需要四线制连接：

树莓派SPI接口启用命令：

sudo raspi-config # 选择 Interface Options -> SPI -> Yes

3.2 双平台SPI通信对比

Arduino作为主设备（使用SPI库）：

#include <SPI.h> void setup() { SPI.begin(); pinMode(SS, OUTPUT); } void sendData(byte data) { digitalWrite(SS, LOW); SPI.transfer(data); digitalWrite(SS, HIGH); }

树莓派Python实现（使用spidev）：

import spidev spi = spidev.SpiDev() spi.open(0, 0) # 打开SPI总线0，设备0 spi.max_speed_hz = 1000000 # 设置时钟频率1MHz def send_data(data): resp = spi.xfer2([data]) # 发送并接收数据 return resp[0]

3.3 高速数据采集项目

以ADS1115模数转换器为例，演示SPI高速数据采集：

接线示意图：

树莓派 ADS1115 GPIO11 (SCLK) -> SCLK GPIO10 (MOSI) -> MOSI GPIO9 (MISO) <- MISO GPIO8 (CE0) -> CS

配置ADS1115的Python代码：

import time import spidev class ADS1115: def __init__(self, bus=0, device=0): self.spi = spidev.SpiDev() self.spi.open(bus, device) self.spi.max_speed_hz = 4000000 def read_channel(self, channel): config = 0x8583 | (channel << 12) # 单端输入，±4.096V，128SPS msg = [(config >> 8) & 0xFF, config & 0xFF] resp = self.spi.xfer2(msg) return ((resp[0] << 8) | resp[1]) * 4.096 / 32767

4. 协议对比与选型指南

4.1 关键参数对比表

4.2 项目选型建议

• 选择UART当：

  • 需要简单的点对点通信
  • 设备间距较远（配合RS485可达千米级）
  • 对实时性要求不高

• 选择IIC当：

  • 需要连接多个同类设备
  • PCB空间受限（只需两根线）
  • 通信速率要求适中

• 选择SPI当：

  • 需要高速数据传输（如显示屏、ADC）
  • 不介意增加布线复杂度
  • 需要全双工通信

4.3 混合使用案例

智能环境监测站设计示例：

[BME280传感器] --IIC--> [树莓派] | [GPS模块] ----UART------+ | [OLED显示屏] --SPI------+

系统整合Python代码框架：

class EnvironmentMonitor: def __init__(self): self.i2c = busio.I2C(SCL, SDA) self.spi = busio.SPI(SCLK, MOSI, MISO) self.uart = serial.Serial('/dev/ttyAMA0', 9600) self.bme = adafruit_bme280.Adafruit_BME280_I2C(self.i2c) self.oled = SSD1306_SPI(128, 64, self.spi, dc=7, rst=24, cs=8) def update_display(self): # 综合显示所有传感器数据 image = Image.new("1", (128, 64)) draw = ImageDraw.Draw(image) draw.text((0, 0), f"Temp: {self.bme.temperature:.1f}C", fill=255) draw.text((0, 16), f"GPS: {self.read_gps()}", fill=255) self.oled.image(image) self.oled.show()