STM32应用开发进阶--SPI总线（7脚OLED中景园ss1306+HAL库

实现目标

1、掌握SPI总线基础知识；

2、会使用软件模拟SPI总线和STM32硬件SPI总线；

3、学会STM32CubeMX软件关于SPI的配置;

4、掌握OLED显示屏驱动；

5、具体目标：（1）用STM32硬件SPI驱动OLED显示“你好哇，王小波！”；(2)用软件模拟SPI总线驱动OLED显示“你好哇，王小波！”（只提供代码）。

一、SPI概述

1.1 SPI简介

SPI是串行外设接口（Serial Peripheral Interface）的缩写，是美国摩托罗拉公司（Motorola）最先推出的一种同步串行传输规范，也是一种单片机外设芯片串行扩展接口，是一种高速、全双工、同步通信总线。它被广泛地使用在 ADC、LCD 等设备与 MCU 间，要求通讯速率较高的场合。

SPI有主、从两种模式（一主一从，一主多从），通常由一个主模块和一个或多个从模块组成（SPI不支持多主机），主模块选择一个从模块进行同步通信，从而完成数据的交换。提供时钟的为主设备（Master），接收时钟的设备为从设备（Slave），SPI接口的读写操作，都是由主设备发起，当存在多个从设备时，通过各自的片选信号进行管理。

1.2 SPI通信原理

SPI总线通信原理很简单，需要至少4根线，单向传输时3根线，它们是MISO（主设备数据输入）、MOSI（主设备数据输出）、SCLK（时钟）和CS/SS（片选）：

MOSI（Master Out Slave In）：主设备 --->从设备（主设备发送，从设备接收）
MISO（Master In Slave Out）：从设备 --->主设备（主设备接收，从设备发送）
SCLK（Serial Clock）：传输时钟信号，用于主从设备的同步
CS (chip select）：片选信号，用于选择从设备

SPI主机与从机通讯实际上时两者的移位寄存器交换数据的过程，在时钟信号SCL的推动下，主机发送一位，从机也发送一位，两者互换数据，交换8次之后，便完成了一个字节的传输。

SPI数据通信的流程可以分为以下几步：

1、主设备发起信号，将CS/SS拉低，启动通信。

2、主设备通过发送时钟信号，来告诉从设备进行写数据或者读数据操作（采集时机可能是时钟信号的上升沿（从低到高）或下降沿（从高到低），因为SPI有四种模式，后面会讲到），它将立即读取数据线上的信号，这样就得到了一位数据（1bit）。

3、主机（Master）将要发送的数据写到发送数据缓存区（Menory），缓存区经过移位寄存器（缓存长度不一定，看单片机配置），串行移位寄存器通过MOSI信号线将字节一位一位的移出去传送给从机，同时MISO接口接收到的数据经过移位寄存器一位一位的移到接收缓存区。

4、从机（Slave）也将自己的串行移位寄存器（缓存长度不一定，看单片机配置）中的内容通过MISO信号线返回给主机。同时通过MOSI信号线接收主机发送的数据，这样，两个移位寄存器中的内容就被交换。

例如，下图示例中简单模拟SPI通信流程，主机拉低NSS片选信号，启动通信，并且产生时钟信号，上升沿触发边沿信号，主机在MOSI线路一位一位发送数据0X53，在MISO线路一位一位接收数据0X46，如下图所示：

说明：SPI只有主模式和从模式之分，没有读和写的说法，外设的写操作和读操作是同步完成的。若只进行写操作，主机只需忽略接收到的字节（虚拟数据）；反之，若主机要读取从机的一个字节，就必须发送一个空字节来引发从机的传输。也就是说，你发一个数据必然会收到一个数据；你要收一个数据必须也要先发一个数据

1.3 通信特性

1.3.1、设备选择
SPI是单主设备（Single Master）通信协议，只有一支主设备能发起通信，当SPI主设备想读/写从设备时，它首先拉低从设备对应的SS线（SS是低电平有效）。接着开始发送工作脉冲到时钟线上，在相应的脉冲时间上，主设备把信号发到MOSI实现“写”，同时可对MISO采样而实现“读”。如下图所示：

1.3.2、设备时钟

SPI时钟特点主要包括：时钟速率、时钟极性和时钟相位三方面。

(1) 时钟速率
SPI总线上的主设备必须在通信开始时候配置并生成相应的时钟信号。从理论上讲，只要实际可行，时钟速率就可以是你想要的任何速率，当然这个速率受限于每个系统能提供多大的系统时钟频率，以及最大的SPI传输速率。

(2)时钟极性
根据硬件制造商的命名规则不同，时钟极性通常写为CKP或CPOL。时钟极性和相位共同决定读取数据的方式，比如信号上升沿读取数据还是信号下降沿读取数据。

CKP可以配置为1或0。这意味着你可以根据需要将时钟的默认状态（IDLE）设置为高或低。极性反转可以通过简单的逻辑逆变器实现。你必须参考设备的数据手册才能正确设置CKP和CKE。

CKP = 0：时钟空闲IDLE为低电平 0；
CKP = 1：时钟空闲IDLE为高电平1。
(3)时钟相位
根据硬件制造商的不同，时钟相位通常写为CKE或CPHA。顾名思义，时钟相位/边沿，也就是采集数据时是在时钟信号的具体相位或者边沿；

CKE = 0：在时钟信号SCK的第一个跳变沿采样；
CKE = 1：在时钟信号SCK的第二个跳变沿采样。

1.3.3 SPI的四种模式

根据SPI的时钟极性和时钟相位特性可以设置4种不同的SPI通信操作模式，它们的区别是定义了在时钟脉冲的哪条边沿转换（toggles）输出信号，哪条边沿采样输入信号，还有时钟脉冲的稳定电平值（就是时钟信号无效时是高还是低），详情如下所示：

	CPOL=0	CPOL=1
CPHA=0	空闲态时，SCK处于低电平，数据采样是在第1个边沿，也就是SCK由低电平到高电平的跳变，所以数据采样是在上升沿（准备数据），（发送数据）数据发送是在下降沿。	当空闲态时，SCK处于低电平，数据发送是在第2个边沿，也就是SCK由低电平到高电平的跳变，所以数据采样是在下降沿，数据发送是在上升沿。
CPHA=1	当空闲态时，SCK处于高电平，数据采集是在第1个边沿，也就是SCK由高电平到低电平的跳变，所以数据采集是在下降沿，数据发送是在上升沿。	当空闲态时，SCK处于高电平，数据发送是在第2个边沿，也就是SCK由高电平到低电平的跳变，所以数据采集是在上升沿，数据发送是在下降沿。

(1)相位(CPHA)：表示时钟线空闲时的状态；
(2)极性(CPOL)：表示设备从数据线采样的时刻；

(3)四种模式编号：[00]:Mode0 、[01]:Mode1、[10]:Mode2 、[11]:Mode3

黑线为采样数据的时刻，蓝线为SCK时钟信号

举个例子，下图是SPI Mode0读/写时序，可以看出SCK空闲状态为低电平，主机数据在第一个跳变沿被从机采样，数据输出同理。

下图是SPI Mode3读/写时序，SCK空闲状态为高电平，主机数据在第二个跳变沿被从机采样，数据输出同理。

1.4、多从机模式

多从机模式有两种：多片选和菊花链片选

1.4.1多片选

通常，每个从机都需要一条单独的SS线。如果要和特定的从机进行通讯，可以将相应的NSS信号线拉低，并保持其他SS信号线的状态为高电平；如果同时将两个SS信号线拉低，则可能会出现乱码，因为从机可能都试图在同一条MISO线上传输数据，最终导致接收数据乱码。

1.4.2菊花链片选

菊花链的最大缺点是信号串行传输，一旦数据链路中的某设备发生故障的时候，它下面优先级较低的设备就不可能得到服务了。另一方面，距离主机越远的从机，获得服务的优先级越低，所以需要安排好从机的优先级，并且设置总线检测器，如果某个从机超时，则对该从机进行短路，防止单个从机损坏造成整个链路崩溃的情况。

1.5 SPI优缺点

1.5.1 优点

高速数据传输速率；
没有像I2C这样复杂的从设备寻址系统；
分离的MISO和MOSI信号线，全双工通信；
极其灵活的数据传输，不限于8位，它可以是任意大小的字；
非常简单的硬件结构。从站不需要唯一地址（与I2C不同）。从机使用主机时钟，不需要精密时钟振荡器/晶振（与UART不同）。不需要收发器（与CAN不同）。

1.5.2 缺点

使用四根信号线（I2C和UART使用两根信号线）；
无法确认是否已成功接收数据（I2C拥有此功能）；
没有任何形式的错误检查，如UART中的奇偶校验位；
只允许一个主设备；
没有硬件从机应答信号（主机可能在不知情的情况下无处发送）；
没有定义硬件级别的错误检查协议；
与RS-232和CAN总线相比，只能支持非常短的距离；

二、STM32的SPI总线

2.1 STM32 的SPI

1.STM32内部集成了硬件SPI收发电路，可以由硬件自动执行时钟生成、数据收发等功能，减轻CPU的负担
2.可配置8位/16位数据帧、高位先行/低位先行
3.时钟频率： fPCLK / (2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256)
4.支持多主机模型、主或从操作
5.可精简为半双工/单工通信
6.支持DMA
7.兼容I2S协议

2.2 STM32 SPI框图

2.3 SPI外设对应的引脚

不同型号的芯片基本都有3个SPI外设，其中SPI2,SPI3支持I2S通信因为I2S与SPI协议类似，所以他们共用一套逻辑就是上面的SPI框图。

三、OLED概述

3.1OLED简介

OLED，即有机发光二极管（Organic Light-Emitting Diode），又称为有机电激光显示（Organic Electroluminesence Display， OELD）。OLED由于同时具备自发光，不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广、构造及制程较简单等优异之特性，被认为是下一代的平面显示器新兴应用技术。
OLED显示技术具有自发光的特性，采用非常薄的有机材料涂层和玻璃基板，当有电流通过时，这些有机材料就会发光，而且OLED显示屏幕可视角度大，并且能够节省电能，从2003年开始这种显示设备在MP3播放器上得到了应用。
LCD都需要背光，而OLED不需要，因为它是自发光的。这样同样的显示，OLED效果要来得好一些。以目前的技术，OLED的尺寸还难以大型化，但是分辨率确可以做到很高。

7针OLED引脚
1.GND -- 电源地，接在板子上任意GND的引脚

2.VCC -- 电源正（3.3V~5V)接在板子上任意VCC引脚

3.D0 -- 对应的是时钟线（SCK或者SCLK）

4.D1 -- 对应的是数据线，也就是 MISO (主入从出) 或者 MOSI（主出从入）

5.RES -- 复位线，最开始是低电平，先拉低再拉高，可选择任意空IO口

6.DC -- 数据/命令控制线，高电平为1是数据线，低电平为0是命令线，可选择任意空IO口

7.CS -- 片选信号线，低电平有效，不用可以接地，用来选择从机的

四、原理图设计

五、STM32CubeMX 配置

5.1.SPI 配置（D0、D1）

（1）Mode：模式
Full-Duplex Master 主机全双工模式
Full-Duplex Slave 从机全双工模式
Half-Duplex Master 主机半双工模式
Half-Duplex Slave 从机半双工模式
Receive Only Master 只接收主机模式
Receive Only Slave 只接收从机模式
Transmit Only Master 只发送从机模式

（2）硬件NSS信号

不使能
NSS输入信号
NSS输出信号

如果片选引脚没有连接硬件NSS信号，则需要选择软件片选

（3）基本参数

Frame Format帧格式：Motorola摩托罗拉或 TI
Data size数据大小：8位或 16位
First Bit：MSB/LSB先行
（4）时钟参数

波特率分配因子：

CPOL时钟极性：low or high
CPHA时钟相位：1 edge or 2 edge
（5）高级参数

CRC循环校验：使能/失能
NSS信号类型：软件

5.2 其他管脚配置（RES、CS、DC）

PA1、PA4、PA6，配置为普通IO口，gpio_output

六、取模软件的应用（PCtoLCD2002完美版）

1. 打开软件，模式为（字符模式）

2. 点击菜单栏【选项】，打开字模选项

3.勾选【阴码点阵】、逐行式取模、逆向、C51格式。

4.输入“你好哇，王小波！”，进行取模。

软件下载地址：https://wwe.lanzoui.com/iIBEzs77lcf

七、程序设计

7.1修改驱动函数

中景园官方驱动代码（标准库）：https://download.csdn.net/download/luojuan198780/89319982

将中景园原版的 OLED_WR_Byte函数内容修改为含SPI发送函数：HAL_SPI_Transmit，两个函数如下：

//中景园原版
void OLED_WR_Byte(uint8_t dat,uint8_t cmd)
{	u8 i;			  if(cmd)OLED_DC_Set();else OLED_DC_Clr();		  OLED_CS_Clr();for(i=0;i<8;i++){			  OLED_SCL_Clr();if(dat&0x80)OLED_SDA_Set();else OLED_SDA_Clr();OLED_SCL_Set();dat<<=1;   }				 		  OLED_CS_Set();OLED_DC_Set(); }//修改后带HAL_SPI_Transmit的函数
void OLED_WR_Byte(uint8_t dat,uint8_t cmd)
{	uint8_t *data = &dat;		  if(cmd)OLED_DC_Set();elseOLED_DC_Clr();OLED_CS_Clr();HAL_SPI_Transmit(&hspi1, (uint8_t *)data, 1, 200); OLED_CS_Set();OLED_DC_Set();	
}

7.2修改 SPI的其它管脚

打开oled.h文件将CS DC RES 标准库置高置低函数修改为HAL库函数

#define OLED_CS_Clr() HAL_GPIO_WritePin(CS_GPIO_Port,CS_Pin,GPIO_PIN_RESET)//RES
#define OLED_CS_Set() HAL_GPIO_WritePin(CS_GPIO_Port,CS_Pin,GPIO_PIN_SET)#define OLED_DC_Clr() HAL_GPIO_WritePin(DC_GPIO_Port,DC_Pin,GPIO_PIN_RESET)//DC
#define OLED_DC_Set() HAL_GPIO_WritePin(DC_GPIO_Port,DC_Pin,GPIO_PIN_SET)#define OLED_RES_Clr() HAL_GPIO_WritePin(RES_GPIO_Port,RES_Pin,GPIO_PIN_RESET)//RES
#define OLED_RES_Set() HAL_GPIO_WritePin(RES_GPIO_Port,RES_Pin,GPIO_PIN_SET)

7.3 增加 u8/u16/u32 ,并包含各个头文件

标准库是u8/u16/u32，HAL库是uint8_t/uint16_t/uint32_t .可以用下面方法实现转化，也可以直接ctr+h 替换。

typedef uint32_t  u32;
typedef uint16_t u16;
typedef uint8_t  u8;

7.4 添加中文字库

在oledfont.h文件的 Hzk1[][32]={} 数组中添加下列“你好哇，王小波！”字模

{0x00,0x80,0x60,0xF8,0x07,0x40,0x20,0x18,0x0F,0x08,0xC8,0x08,0x08,0x28,0x18,0x00,0x01,0x00,0x00,0xFF,0x00,0x10,0x0C,0x03,0x40,0x80,0x7F,0x00,0x01,0x06,0x18,0x00},/*"你",11*/
{0x10,0x10,0xF0,0x1F,0x10,0xF0,0x00,0x80,0x82,0x82,0xE2,0x92,0x8A,0x86,0x80,0x00,0x40,0x22,0x15,0x08,0x16,0x61,0x00,0x00,0x40,0x80,0x7F,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00},/*"好",12*/
{0x00,0xFC,0x04,0x04,0xFC,0x00,0x40,0x44,0x44,0x44,0x7F,0x44,0x44,0x44,0x40,0x00,0x00,0x0F,0x04,0x04,0x0F,0x00,0x40,0x44,0x44,0x44,0x7F,0x44,0x44,0x44,0x40,0x00},/*"哇",13*/
{0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x58,0x38,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00},/*"，",14*/
{0x00,0x02,0x82,0x82,0x82,0x82,0x82,0xFE,0x82,0x82,0x82,0x82,0x82,0x02,0x00,0x00,0x40,0x40,0x40,0x40,0x40,0x40,0x40,0x7F,0x40,0x40,0x40,0x40,0x40,0x40,0x40,0x00},/*"王",15*/
{0x00,0x00,0x00,0xE0,0x00,0x00,0x00,0xFF,0x00,0x00,0x00,0x20,0x40,0x80,0x00,0x00,0x08,0x04,0x03,0x00,0x00,0x40,0x80,0x7F,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x01,0x0E,0x00},/*"小",16*/
{0x10,0x60,0x02,0x0C,0xC0,0x00,0xF8,0x88,0x88,0x88,0xFF,0x88,0x88,0xA8,0x18,0x00,0x04,0x04,0x7C,0x03,0x80,0x60,0x1F,0x80,0x43,0x2C,0x10,0x28,0x46,0x81,0x80,0x00},/*"波",17*/
{0x00,0x00,0x00,0xFE,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x33,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00},/*"！",18*/

7.5 延时函数替换

将驱动函数中的delay_ms延时函数替换为HAL_Delay 函数。删除头文件#include "delay.h"与
#include "sys.h"

HAL_Delay（200）;//delay_ms(200);

7.6 OLED初始化，显示设计

  /* USER CODE BEGIN 2 */OLED_Init();//oled初始化OLED_ColorTurn(0);//0正常显示，1 反色显示OLED_DisplayTurn(0);//0正常显示 1 屏幕翻转显示/* USER CODE END 2 */while (1){OLED_ShowChinese(0,16,11,16,1);//你OLED_ShowChinese(16,16,12,16,1);//好OLED_ShowChinese(32,16,13,16,1);//哇OLED_ShowChinese(48,16,14,16,1);//，OLED_ShowChinese(64,16,15,16,1);//王OLED_ShowChinese(80,16,16,16,1);//小OLED_ShowChinese(96,16,17,16,1);//波	OLED_ShowChinese(112,16,18,16,1);//！		  OLED_Refresh();HAL_Delay(500);OLED_Clear();}