Learning Objectives
- 說明 UART、I2C、SPI 各需要幾條線、怎麼接，以及適合哪些模組
- 讀懂 UART 的訊框：起始位元、8 個資料位元（最低位元先）、停止位元
- 說明 I2C 的位址、讀寫位元與 ACK，用 i2c.scan() 找裝置、讀暫存器
- 說明 SPI 的片選與全雙工，依需求選擇協定
開發板和模組怎麼說話
LED、按鈕只要一支腳位就能表達「開或關」。溫溼度感測器、OLED 螢幕、GPS 模組要傳的是一串數字， 如果每個位元都用一支腳位，8 個位元就要 8 條線，腳位很快就不夠用。
所以模組大多用序列通訊（serial communication）：在同一條線上，一個位元接著一個位元地傳。 雙方只要事先約好規則（通訊協定），就知道每個高低電位代表什麼。
最常見的三種協定：
| UART | I2C | SPI | |
|---|---|---|---|
| 訊號線 | TX、RX（加 GND） | SDA 資料、SCL 時脈（加 GND） | SCLK、MOSI、MISO、每個裝置一條 CS |
| 時脈 | 沒有，雙方事先約好速度 | 控制器提供 | 控制器提供 |
| 一次連幾個裝置 | 一對一 | 一條匯流排掛很多個，用位址區分 | 很多個，用 CS 選 |
| 速度（常見） | 9600～115200 bps | 100 kHz、400 kHz | 數 MHz 以上 |
| 常見的模組 | GPS、藍牙序列模組、USB 轉序列 | OLED、溫溼度與加速度感測器 | SD 卡、彩色顯示器 |
同步與非同步的差別在有沒有時脈線：I2C、SPI 由控制器送時脈，告訴對方「現在讀這一位」； UART 沒有時脈，雙方靠事先約好的速度各自計時。
接線前確認電壓：ESP32、Pico 是 3.3V，有些模組是 5V。5V 的訊號直接接到 3.3V 的腳位可能損壞開發板，需要電位轉換（level shifter）。
UART：約好速度，各自計時
UART 的接線是交叉的：我的 TX（傳送）接對方的 RX（接收），我的 RX 接對方的 TX，再把兩邊的 GND 接在一起。
雙方要先約好鮑率（baud rate，每秒幾個位元），常見 9600 或 115200。最常用的格式叫 8N1：
閒置(1) │起始(0)│D0│D1│D2│D3│D4│D5│D6│D7│停止(1)│ 閒置(1)
└ 拉低代表開始 └ 資料從最低位元開始送 ┘
- 閒置時線路是高電位；起始位元把線拉低，接收端從這一刻開始計時
- 接著 8 個資料位元，最低位元（D0）先送
- 最後一個停止位元回到高電位
一個位元組共 10 個位元。9600 bps 時每個位元約 104 微秒，一個位元組約 1.04 ms。 雙方鮑率不一樣，接收端會在錯的時間點讀，收到一堆亂碼。
你在電腦上看到 print() 的輸出，很多開發板也是經過一顆 USB 轉 UART 的晶片送過來的。
逐步看：用 UART 向感測模組要資料
ESP32 的 UART2 接到一個序列輸出的感測模組（示意）：送出 READ 之後，模組回覆兩行文字。
注意 uart.readline() 讀到的是 bytes，要 decode() 才是字串。
I2C：一條匯流排，用位址點名
I2C 只要兩條線：SDA（資料）與 SCL（時脈），所有裝置並聯在同一組線上，形成一條匯流排（bus）。 每個裝置有一個 7 位元的位址，例如 OLED 常見 0x3C、TMP102 溫度感測器是 0x48。
兩條線都要接上拉電阻（很多模組已內建），閒置時是高電位；裝置只會把線拉低或放開，不會主動推高， 所以多個裝置接在一起也不會互相短路。
一次讀取的過程：
- 起始條件：SCL 是高電位時，控制器把 SDA 拉低
- 送 7 位元位址（最高位元先）＋ 1 個讀寫位元（0 寫、1 讀）
- 第 9 個時脈：有這個位址的裝置把 SDA 拉低，回應 ACK；沒有人回應就是 NACK
- 傳資料，每 8 個位元之後都有一個 ACK／NACK
- 停止條件：SCL 是高電位時，SDA 由低變高
感測器裡的資料放在一格一格的暫存器（register）裡，i2c.readfrom_mem(位址, 暫存器, 位元組數) 就是「向某個裝置的某個暫存器讀幾個位元組」。
同一條匯流排上的位址不能重複；兩個相同位址的模組，要用模組上的跳線改位址，或接到另一組 I2C。
逐步看：掃描 I2C、讀溫度暫存器
匯流排上接了一個 OLED（0x3C）和一個 TMP102 類的溫度感測器（0x48）。 溫度暫存器有 2 個位元組：前 8 位元加上第二個位元組的前 4 位元，組成 12 位元的數值，每一單位是 0.0625°C。
SPI：多幾條線，換來速度
SPI 用四種訊號：
- SCLK：控制器送出的時脈
- MOSI：控制器送給裝置的資料（Master Out Slave In）
- MISO：裝置送回控制器的資料（Master In Slave Out）
- CS（片選）：每個裝置一條，拉低代表選中，沒被選中的裝置不理會時脈，也不驅動 MISO
每一個時脈，MOSI 與 MISO 同時各傳一個位元，送 8 個時脈就同時「送出一個位元組、收到一個位元組」，這叫全雙工。 SPI 沒有位址與 ACK，時脈可以到數 MHz 以上，適合 SD 卡、彩色顯示器這類要傳大量資料的裝置；代價是線比較多，每多一個裝置就多一條 CS。
時脈閒置是高或低（CPOL）、在哪個邊緣取樣（CPHA）組合成模式 0～3，要和裝置的規格一致；最常見的是模式 0。
from machine import Pin, SPI
spi = SPI(1, baudrate=1000000, polarity=0, phase=0,
sck=Pin(18), mosi=Pin(23), miso=Pin(19))
cs = Pin(5, Pin.OUT, value=1) # 平常是高電位：沒選中
cs.value(0) # 選中裝置
rx = bytearray(1)
spi.write_readinto(b'\x9f', rx) # 送出一個位元組，同時收一個位元組
cs.value(1) # 結束
（Uedu 的模擬器目前沒有模擬 SPI，這段程式只看不執行；下面的邏輯分析儀可以看到 SPI 的波形。）
小測驗：UART
ESP32 用 UART 接一個 GPS 模組，下列哪一種接法正確？
下面的程式列出字母 A 從 D0 到 D7 的位元（UART 傳送的順序），會印出什麼？
v = ord("A")
bits = [(v >> k) & 1 for k in range(8)]
print(v, bits)
9600 bps、8N1 的 UART 傳一個位元組需要多久？
baud = 9600
print(round(10 / baud * 1000, 2), "ms")
小測驗：I2C 與 SPI
兩個 OLED 模組的位址都是 0x3C，接在同一組 I2C 上會怎樣？
溫度感測器回傳兩個位元組 0x19、0x40，下面的程式會印出什麼？
data = bytes([0x19, 0x40])
raw = (data[0] << 4) | (data[1] >> 4)
print(raw, raw * 0.0625)
要接一張 SD 卡存大量感測資料，通常用哪一種介面？為什麼？
重點整理
- 序列通訊在同一條線上一個位元接一個位元傳；有時脈線的是同步（I2C、SPI），沒有的是非同步（UART）。
- UART：TX、RX 交叉接，雙方鮑率相同；8N1 訊框是起始位元、8 個資料位元（最低位元先）、停止位元。
- I2C：SDA、SCL 兩條線加上拉電阻，用 7 位元位址點名，第 9 個時脈回應 ACK；
scan()找裝置、readfrom_mem()讀暫存器。 - SPI：SCLK、MOSI、MISO 加每個裝置一條 CS（低電位選中），全雙工、速度快、線比較多。
- 接線前確認電壓準位，5V 模組接 3.3V 開發板要電位轉換。
下一課看感測器怎麼把溫度、光線變成電壓與數字，以及讀值為什麼會跳動、怎麼校正。