STM32标准库学习笔记（十）SPI

前言

学习永无止境！本篇是嵌入式开发之片上外设SPI，了解基本硬件原理以及通信协议。
注：本文章为学习笔记，部分图片与文字来源于网络/江协科技课程/手册，如侵权请联系！谢谢！

一、SPI通信概述

1.1 SPI基本概念

        SPI（Serial Peripheral Interface）是由摩托罗拉公司提出的通信协议，是一种高速全双工、同步串行通信总线，主要应用在Flash、ADC、编码器等要求速率较高的场合。

1.2 SPI物理层

①信号线：

  • SCLK（Serial Clock）：时钟线，用于数据同步，由主机产生，决定了通信速率，不同设备的之间的通信速率受限与低速设备；
  • MOSI（Master Output，Slave Input）:主出从进，主设备发送数据，从设备接收数据线，数据方向由主机向从机；
  • MISO（Master Input，Slave Output）:主进从出，主设备接收数据，从设备发送数据线，数据方向由从机到主机；
  • CS（Chip Select）:片选线，也叫SS（Slave Select）,用来寻址，指定要通信设备，一般有几个从设备，就要有几根CS。

②电平：

        TTL电平，时钟极性（CPOL）与时钟相位（CPHA）的的选择，决定数据是在时钟上升沿采样还是下降沿采样，共四种模式，下面具体介绍。

1.3 SPI协议层

①基本时序：

  • 起始信号：CS信号由高变低，表示选中从机，相应从机检测到起始信号，知道被主机选中；
  • 数据发送与接收：数据高位先行（MSB），双方数据在时钟上升沿或下降沿发送（接收）；
  • 停止信号：CS信号由低变高，表示通信结束。

②SPI模式决定因素：

  • CPOL：时钟极性，SCLK时钟线在空闲状态是高电平还是低电平由此决定，当CPOL=0时，SCLK空闲低电平。当CPOL=1时，SCLK空闲状态高电平；
  • CPHA：时钟相位，数据的采样时刻，当CPHA=0时，MOSI或MISO数据线上的信号将会在时钟线的奇数边沿被采样。当CPHA=1时，MOSI或MISO数据线上的信号将会在时钟线的偶数边沿被采样。

③SPI四种通信模式：

  • CPHA=0，CPOL=0：数据在时钟奇数边沿采样，时钟默认空闲低电平；
  • CPHA=0，CPOL=1：数据在时钟奇数边沿采样，时钟默认空闲高电平；

  • CPHA=1，CPOL=0：数据在时钟偶数边沿采样，时钟默认空闲低电平；
  • CPHA=1，CPOL=1：数据在时钟偶数边沿采样，时钟默认空闲高电平；

二、STM32的SPI外设

2.1 基本简介

  • 主从机选择：可作为SPI通讯主机，也可作为从机；
  • 时钟频率：最大SCLK的频率为fpclk/2（f103的fpclk1为36MHZ，fpclk2为76MHZ）；
  • 数据格式：可选MSB先行，也可选LSB先行；
  • 模式：除了支持正常双线全双工的四种模式，还有双向单线（同时向一个方向传输，速度提高一倍）以及单线模式（减少硬件接线）；

2.2 硬件基本结构框图

  • ①外部引脚：四个通信口与GPIO口的对应关系，需要查表；
  • ②时钟控制：根据控制寄存器CR1BR[0:2]，对fpclk进行分频；
  • ③数据控制：数据移位寄存器以发送缓冲区作为数据源，把数据一位一位发送，当从外部接收数据时，数据移位寄存器把数据线数据采样一位位存储到接收缓冲区。数据帧长度设定GFF位可为8或16位，配置LSBFIRST，可选择MSB先行或LSB先行；
  • ④主控：通过改变CR1/2的参数，可以配置SPI模式、波特率、LSB/MSB、主从模式、单双向模式，状态寄存器SR实时反馈SPI工作状态，除此之外还有中断、DMA请求等控制。

2.3 主机发送与接收

  • ①CS片选：当要进行通信，首先选择从机地址，CS由高电平置为低电平；
  • ②SCLK：CS片选同时时钟进行工作；
  • ③数据发送：MOSI把发送缓冲区数据一位位传输出去，当发送完一帧数据，SR置TXE标志1（表示发送缓冲区已清空），若要再次发送数据，在TXE为1时，写入DR数据即可；
  • ④数据接收：MISO移位寄存器把数据线数据采样一位位存储到接收缓冲区，当接收完一帧数据，SR置RXNE标志1（表示接收缓冲区非空），即可读取DR数据，每次等待RXNE标志位1，即可读取接收数据。

三、应用

3.1 软件模拟SPI

①本次示例说明：使用软件模拟CS、SCLK、MOSI、MISO，利用I/O高低电平翻转实现SPI时序。

配置CS\SCLK\MOSI为推挽输出（PA4\5\7）,MISO为上拉输入（PA6），选用模式1（SCLK初始为低电平，数据在奇数边沿采样）。

②配置步骤：

  • 开启RCC时钟：开启GPIOA外设时钟；
  • 配置GPIO：CS(GPIOA_Pin4)、SCLK（GPIOA_Pin5）、MOSI（GPIOA_Pin7）推挽输出，MISO（GPIOA_Pin6）上拉输出；
  • 起始信号；
  • 停止信号；
  • 发送字bit；
  • 接收bit；
  • 发送与接收字节：通过循环移位进行写入与读取，将数据从高位依次取出放在发送地址，每取一位，置SCLK位1，并读取MISO电平信号，读取完毕，置SCLK为0。

③代码实战：

MSPI.c:

#include "stm32f10x.h"                  // Device header/*设置CS电平*/
void MySPI_W_CS(uint8_t BitValue)
{GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_4, (BitAction)BitValue);		
}/*写SCLK*/
void MySPI_W_SCK(uint8_t BitValue)
{GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_5, (BitAction)BitValue);		
}/*发送MOSI电平*/
void MySPI_W_MOSI(uint8_t BitValue)
{GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_7, (BitAction)BitValue);		
}/*接收MISO电平*/
uint8_t MySPI_R_MISO(void)
{return GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_6);			
}/*初始化引脚配置*/
void MySPI_Init(void)
{/*开启GPIOA外设时钟*/RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);	/*GPIO初始化*/GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;//将PA4、PA5和PA7引脚初始化为推挽输出GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4 | GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_7;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);					GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;//将PA6引脚初始化为上拉输入GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);					/*设置默认电平*/MySPI_W_CS(1);	//CS默认高电平										MySPI_W_SCK(0);	//SCLK默认低电平										
}/*协议层*//*起始信号*/
void MySPI_Start(void)
{MySPI_W_CS(0);				
}/*结束信号*/
void MySPI_Stop(void)
{MySPI_W_CS(1);				
}/*发送接收数据字节*/
uint8_t MySPI_SwapByte(uint8_t ByteSend)
{uint8_t i, ByteReceive = 0x00;					//定义接收的数据，并赋初值0x00，此处必须赋初值0x00，后面会用到for (i = 0; i < 8; i ++)						//循环8次，依次交换每一位数据{MySPI_W_MOSI(ByteSend & (0x80 >> i));		//使用掩码的方式取出ByteSend的指定一位数据并写入到MOSI线MySPI_W_SCK(1);								//拉高SCK，上升沿移出数据if (MySPI_R_MISO() == 1){ByteReceive |= (0x80 >> i);}	//读取MISO数据，并存储到Byte变量//当MISO为1时，置变量指定位为1，当MISO为0时，不做处理，指定位为默认的初值0MySPI_W_SCK(0);								//拉低SCLK，下降沿移入数据}return ByteReceive;								//返回接收到的一个字节数据
}

3.2 硬件SPI

①本次示例说明：使用STM32硬件SPI配置，选用SPI1外设，配置时钟极性为低电平，相位为上升沿采样。

②配置步骤：

  • 开启RCC时钟：开启GPIOA、SPI1外设时钟；
  • 配置GPIO：CS(GPIOA_Pin4)为推挽输出，SCLK（GPIOA_Pin5）、MOSI（GPIOA_Pin7）复用推挽输出，MISO（GPIOA_Pin6）上拉输出；
  • 起始信号；
  • 停止信号；
  • 发送与接收字节：等待TXE为空，写入字节，等待RXNE非空，读取字节。

③代码实战：

MSPI.c:

#include "stm32f10x.h"                  // Device header/*设置CS*/
void MySPI_W_CS(uint8_t BitValue)
{GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_4, (BitAction)BitValue);		
}/*初始化SPI*/
void MySPI_Init(void)
{/*开启GPIOA\SPI1的外设时钟*/RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE);	/*GPIO初始化*/GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;//将PA4引脚初始化为推挽输出GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);					GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_7;//将PA5和PA7引脚初始化为复用推挽输出GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);					GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;//将PA6引脚初始化为上拉输入GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);					/*SPI初始化*/SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;						//定义结构体变量SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;			//模式，选择为SPI主模式SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;	//方向，选择2线全双工SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;		//数据宽度，选择为8位SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;		//先行位，选择高位先行SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_128;	//波特率分频，选择128分频SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low;				//SPI极性，选择低极性SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge;			//SPI相位，选择第一个时钟边沿采样，极性和相位决定选择SPI模式0SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;				//NSS，选择由软件控制SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;				//CRC多项式，暂时用不到，给默认值7SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure);						//将结构体变量交给SPI_Init，配置SPI1/*SPI使能*/SPI_Cmd(SPI1, ENABLE);									/*设置默认电平*/MySPI_W_CS(1);											
}/*起始信号*/
void MySPI_Start(void)
{MySPI_W_CS(0);				
}/*结束信号*/
void MySPI_Stop(void)
{MySPI_W_CS(1);				
}/*** 函    数：SPI交换传输一个字节，使用SPI模式0* 参    数：ByteSend 要发送的一个字节* 返 回 值：接收的一个字节*/
uint8_t MySPI_SwapByte(uint8_t ByteSend)
{while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_TXE) != SET);	//等待发送数据寄存器空SPI_I2S_SendData(SPI1, ByteSend);								//写入数据到发送数据寄存器，开始产生时序while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_RXNE) != SET);	//等待接收数据寄存器非空return SPI_I2S_ReceiveData(SPI1);								//读取接收到的数据并返回
}

待续...

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