20- ESP32-S3 SPI 外设，主设备编程方法

news2024/11/19 5:19:20

ESP32-S3 SPI 外设，主设备编程方法

SPI简介

SPI，全称为Serial Peripheral Interface，是一种常见的串行通信协议，用于微控制器和其外设之间的通信。SPI接口通常包括四条线：MOSI（主设备输出，从设备输入）、MISO（主设备输入，从设备输出）、SCK（时钟）和CS（片选）。

多从机SPI 通信网络连接👇
在这里插入图片描述
可见MOSI、MISO、SCLK 引脚连接 SPI 总线上每一个设备，如果 CS 引脚为低电平（一般高电平有效），则从设备只侦听主机并与主机通信。SPI 主设备一次只能和一个从设备进行通信。如果主设备要和另外一个从设备通信，必须先终止和当前从设备通信，否则不能通信。

SPI 通信有 4 种不同的模式，不同的从机可能在出厂时就配置为某种模式，这是不能改变的。通信双方必须工作在同一模式下，才能正常进行通信，所以可以对主机的 SPI 模式进行配置。SPI 通信模式是通过配置CPOL（时钟极性）和CPHA（时钟相位）来选择的。

🔮CPOL，详称 Clock Polarity，就是时钟极性，当主从机没有数据传输的时候即空闲状态，SCL 线的电平状态，假如空闲状态是高电平，CPOL=1；若空闲状态时低电平，那么CPOL = 0。

🔮CPHA，详称Clock Phase，就是时钟相位，实质指的是数据的采样时刻。CPHA = 0 表 示数据的采样是从第1 个边沿信号上即奇数边沿，具体是上升沿还是下降沿的问题，是由CPOL 决定的。CPHA=1 表示数据采样是从第 2 个边沿即偶数边沿。

当然，SPI 通信的4种模式是由两个参数决定的：时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）。这两个参数共同定义了数据在时钟信号的哪个边沿被采样，以及在空闲状态时，时钟信号的电平是高还是低。下面是这4种模式的详细说明：
在这里插入图片描述

  1. 模式0 (CPOL=0, CPHA=0)：在这种模式下，CPOL为0，表示在空闲状态时，时钟信号为低电平。CPHA也为0，表示数据在时钟信号的第一个（上升）边沿被采样。

  2. 模式1 (CPOL=0, CPHA=1)：在这种模式下，CPOL为0，表示在空闲状态时，时钟信号为低电平。但是，CPHA为1，表示数据在时钟信号的第二个（下降）边沿被采样。

  3. 模式2 (CPOL=1, CPHA=0)：在这种模式下，CPOL为1，表示在空闲状态时，时钟信号为高电平。CPHA为0，表示数据在时钟信号的第一个（下降）边沿被采样。

  4. 模式3 (CPOL=1, CPHA=1)：在这种模式下，CPOL为1，表示在空闲状态时，时钟信号为高电平。CPHA为1，表示数据在时钟信号的第二个（上升）边沿被采样。

SPI控制器介绍

ESP32-S3 芯片集成了四个SPI 控制器，分别为 SPI0、SPI1、SPI2 和SPI3。SPI0 和SPI1 控器主要供内部使用以访问外部 FLASH 和 PSRAM，所以只能使用SPI2 和 SPI3。SPI2 又称为HSPI，SPI3 又称为VSPI，这两个属于GP-SPI。

✨GP-SPI 特性：

特性描述
支持模式主机模式和从机模式
支持通信方式半双工通信和全双工通信
支持的数据模式- SPI2: 1-bit SPI 模式、2-bit Dual SPI 模式、4-bit Quad SPI 模式、QPI 模式、8-bit Octal 模式、OPI 模式
- SPI3: 1-bit SPI 模式、2-bit Dual SPI 模式、4-bit Quad SPI 模式、QPI 模式
可配置时钟频率- 主机模式下：最高 80MHz
- 从机模式下：最高 60MHz
数据位读写顺序可配置是
时钟极性和相位可配置是
支持的 SPI 时钟模式四种：模式0 ~ 模式3
主机模式下的 CS 线数- SPI2: CS0 ~ CS5
- SPI3: CS0 ~ CS2
支持设备类型传感器、显示屏控制器、Flash 或 RAM 芯片
引脚映射SPI2 和SPI3 接口相关信号线可通过 GPIO 交换矩阵和 IO_MUX 实现与芯片引脚的映射

SPI主设备编程

ESP32 IDF库的SPI主设备驱动程序的API使用流程大致如下

  1. 初始化SPI总线：使用spi_bus_initialize()函数初始化SPI总线。这个函数需要一个spi_bus_config_t结构体，该结构体包含了SPI总线的配置信息，如时钟速度、数据模式等。

  2. 添加SPI设备：使用spi_bus_add_device()函数将SPI设备添加到SPI总线上。这个函数需要一个spi_device_interface_config_t结构体，该结构体包含了SPI设备的配置信息，如片选信号、时钟极性和相位等。

  3. 创建SPI事务：创建一个spi_transaction_t结构体，该结构体定义了一个SPI事务。一个事务包括一个命令阶段和一个数据阶段。在命令阶段，主设备会发送一个命令给从设备。在数据阶段，主设备和从设备会交换数据。

  4. 发送SPI事务：使用spi_device_transmit()函数发送SPI事务。这个函数会阻塞，直到事务完成。如果你希望在发送事务后立即返回，可以使用spi_device_queue_trans()函数将事务添加到队列中，然后使用spi_device_get_trans_result()函数获取事务的结果。

  5. 移除SPI设备：当不再需要与SPI设备通信时，可以使用spi_bus_remove_device()函数将设备从SPI总线上移除。

  6. 释放SPI总线：最后，使用spi_bus_free()函数释放SPI总线。

简单来说就是首先初始化SPI总线，然后添加一个SPI设备。接着，我们创建一个SPI事务，并发送了这个事务。最后，移除SPI设备，并释放了SPI总线。

#include "driver/spi_master.h" // 引入SPI主设备驱动程序的头文件

// 初始化SPI总线
spi_bus_config_t bus_config = {
    .miso_io_num = PIN_NUM_MISO, // MISO引脚的GPIO编号
    .mosi_io_num = PIN_NUM_MOSI, // MOSI引脚的GPIO编号
    .sclk_io_num = PIN_NUM_CLK,  // SCLK引脚的GPIO编号
    .quadwp_io_num = -1,         // QUADWP引脚的GPIO编号，-1表示不使用
    .quadhd_io_num = -1,         // QUADHD引脚的GPIO编号，-1表示不使用
};

/*
	spi_bus_initialize函数初始化HSPI（SPI2） 总线
	第一个参数是SPI主机的ID，这里使用的是HSPI_HOST
	第二个参数是一个指向spi_bus_config_t结构体的指针，该结构体包含了SPI总线的配置信息
	第三个参数是DMA通道，这里设置为1
*/
spi_bus_initialize(HSPI_HOST, &bus_config, 1);

// 添加SPI设备
spi_device_interface_config_t dev_config = {
    .clock_speed_hz = 10000000, // SPI时钟速度，单位为Hz
    .mode = 0,                  // SPI模式，0表示模式0
    .spics_io_num = PIN_NUM_CS, // CS引脚的GPIO编号
    .queue_size = 7,            // 事务队列的大小，这里设置为7
};
spi_device_handle_t handle; // SPI设备的句柄

/*
	spi_bus_add_device函数将SPI设备添加到HSPI总线
	第一个参数是SPI主机的ID，这里使用的是HSPI_HOST
	第二个参数是一个指向spi_device_interface_config_t结构体的指针，该结构体包含了SPI设备的配置信息
	第三个参数是一个指向SPI设备句柄的指针，该句柄在函数返回时会被设置为新添加的设备的句柄
*/
spi_bus_add_device(HSPI_HOST, &dev_config, &handle);

// 创建SPI事务
spi_transaction_t trans_desc;
trans_desc.addr = 0;             // 地址阶段的值，0表示没有地址阶段
trans_desc.cmd = 0;              // 命令阶段的值，0表示没有命令阶段
trans_desc.flags = 0;            // 事务的标志，0表示没有特殊标志
trans_desc.length = 8 * 4;       // 事务的长度，单位为位
trans_desc.rxlength = 0;         // 接收的长度，0表示没有接收数据
trans_desc.tx_buffer = tx_data;  // 发送缓冲区的指针
trans_desc.rx_buffer = rx_data;  // 接收缓冲区的指针

/*
	发送SPI事务
	spi_device_transmit函数使用指定的SPI设备发送事务
	第一个参数是SPI设备的句柄
	第二个参数是一个指向spi_transaction_t结构体的指针，该结构体定义了一个SPI事务
*/
spi_device_transmit(handle, &trans_desc);
/*
	移除SPI设备
	spi_bus_remove_device函数从SPI总线上移除指定的SPI设备
	参数是要移除的SPI设备的句柄
*/
spi_bus_remove_device(handle);

/*
	释放SPI总线
	spi_bus_free函数释放HSPI总线
	参数是要释放的SPI总线的主机ID
*/
spi_bus_free(HSPI_HOST);

结论

参考资料
🚩正点原子DNESP32S3 开发板教程-IDF 版
🚩乐鑫官方手册
🚩微软Copilot

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