硬件SPI解析-基于江科大的源码

news2024/11/23 22:30:58

一、SPI基本介绍

        SPI(Serial Peripheral Interface)通信协议是由摩托罗拉公司(现为NXP Semiconductors的一部分)在20世纪80年代中期开发的。SPI是一种同步串行通信接口,设计用于短距离通信,特别是嵌入式系统中的微控制器和外围设备之间的数据传输。

二、SPI通信原理

1、SPI通信方式

全双工通信:在同一时间,两台设备之间发送和接收可以同时进行。

2、SPI通信的两种情况

一主一从

一主多从

三、硬件SPI通信

1、GPIO初始化

这里选用了芯片的外设SPI,也就是常说的硬件SPI

在这里我们将

PA4端口SPI1_NSS配置为了推挽输出

NSS端口的作用

  • 设备选择:在多从机的SPI系统中,每个从设备都有一个独立的NSS信号线连接到主机。当主机想要与某个特定的从设备通信时,它会将该从设备的NSS线拉低(通常为激活状态),而其他从设备的NSS线保持高电平(非激活状态)。这样,只有被选中的从设备才会响应主机发送的数据和命令。
  • 同步开始/结束:NSS信号也可以用来标记一次SPI传输的开始和结束。当NSS从高变低时,意味着一次新的SPI传输即将开始;而当NSS从低变高时,则表示当前SPI传输已经结束。这种机制有助于从设备正确地识别数据流的边界。
  • 减少干扰:通过仅在需要时激活特定的从设备,NSS信号还有助于降低整个系统内的电气噪声水平,因为未被选中的设备不会对总线产生影响,从而提高了系统的稳定性和可靠性。
  • 灵活性:使用NSS可以实现更灵活的配置。例如,在某些应用场合下,可能希望同时向多个从设备广播相同的信息,这时可以通过将这些从设备的NSS线全部置低来实现这一点。

将PA5端口SPI1_SCK配置为复用推挽输出

SPI1_SCK的作用

  • 提供时钟信号:SCK提供了时钟脉冲,这些脉冲决定了数据传输的速度以及何时采样数据。每个时钟周期通常对应着一位数据的传送。
  • 数据同步:由于SPI是一种同步通信协议,因此SCK确保了发送方与接收方的数据传输保持同步。这意味着当主机发送数据时,它同时也在产生时钟信号,而从机则根据这个时钟信号来读取或写入数据位。
  • 极性和相位配置:SCK的极性(即空闲状态下的电平高低)和相位(数据是在时钟上升沿还是下降沿被采样)可以通过SPI模式来配置。常见的模式有0-3四种,它们定义了不同的时钟边沿组合用于数据捕获,从而适应不同类型的外围设备需求。
  • 控制传输速率:通过调整SCK的频率,可以改变SPI通信的速度。较快的时钟频率意味着更快的数据传输率,但同时也需要考虑设备之间的电气特性是否支持这样的高速率。

将PA6端口SPI1_MISO配置为上拉输入

SPI1_MISO的作用:英文解释一下主Input从Output

    • 主模式时候:主机输入,从机输出
    • 从模式时候:主机输出。从机输入

将PA7端口SPI1_MOSI配置为复用推挽输出

SPI1_MOSI的作用:英文解释一下主Output从Input

    • 主模式时候:从机输入,主机输出
    • 从模式时候:从机输出。主机输入
/*开启时钟*/
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);	//开启GPIOA的时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE);	//开启SPI1的时钟
	
	/*GPIO初始化*/
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);					//将PA4引脚初始化为推挽输出
	
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_7;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);					//将PA5和PA7引脚初始化为复用推挽输出
	
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);					//将PA6引脚初始化为上拉输入

2、SPI初始化

/*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0
	SPI_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7
	SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure);						//将结构体变量交给SPI_Init,配置SPI1

SPI_Mode模式的选择

常用的就是上面两种模式,主要决定的就是MOSI和MISO两条线的数据传输方向,也就是上面GPIO配置中写到的

CPOL和CPHA的作用

时钟极性(CPOL)定义了时钟空闲状态电平:(决定了SCK的空闲状态)

CPOL=0,表示当SCLK=0时处于空闲态,所以有效状态就是SCLK处于高电平时

CPOL=1,表示当SCLK=1时处于空闲态,所以有效状态就是SCLK处于低电平时

时钟相位(CPHA)定义数据的采集时间:(决定了第几个跳变沿检测)

CPHA=0,在时钟的第一个跳变沿(上升沿或下降沿)进行数据采样。,在第2个边沿发送数据

CPHA=1,在时钟的第二个跳变沿(上升沿或下降沿)进行数据采样。,在第1个边沿发送数据

例如:

    • Mode0:CPOL=0,CPHA=0:此时空闲态时,SCLK处于低电平,数据采样是在第1个边沿,也就是SCLK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。
    • Mode1:CPOL=0,CPHA=1:此时空闲态时,SCLK处于低电平,数据发送是在第1个边沿,也就是SCLK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。
    • Mode2:CPOL=1,CPHA=0:此时空闲态时,SCLK处于高电平,数据采集是在第1个边沿,也就是SCLK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。
    • Mode3:CPOL=1,CPHA=1:此时空闲态时,SCLK处于高电平,数据发送是在第1个边沿,也就是SCLK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。

SPI_NSS的选择

软件控制

  • 灵活性:通过软件控制NSS,可以在程序中根据需要动态地选择激活哪个从设备。这提供了更大的灵活性,尤其是在需要频繁切换被选中的从设备或者实现复杂的通信协议时。
  • 资源利用:软件控制通常使用通用I/O引脚来实现,这意味着它不占用专门的硬件资源,但可能会稍微增加处理器的工作负担,因为需要编写代码来管理这些引脚的状态变化。
  • 编程复杂度:相比硬件控制,软件控制可能需要更多的编程工作来确保正确设置和切换NSS线的状态。开发者必须确保在正确的时机拉低/拉高相应的NSS线以避免数据冲突。

硬件控制

  • 自动化:当使用硬件控制器内置的功能来管理NSS信号时,这个过程是自动化的。一旦配置完成,硬件会自动处理NSS信号的变化,减少了对处理器干预的需求。
  • 性能:由于不需要额外的软件干预,硬件控制下的SPI通信往往更加快速高效,特别是在进行连续的数据传输时。
  • 可靠性:硬件控制降低了因软件错误导致的问题风险,例如忘记切换NSS线或错误地设置了NSS线状态等。
  • 限制性:与软件控制相比,硬件控制提供的灵活性较低。如果硬件控制器支持有限数量的独立NSS线,则可能无法轻松扩展到更多的从设备上。

NSS端口的开始和停止信号

NSS在软件控制的时候,拉低则代表着数据传输开始,拉高代表结束

**
  * 函    数:SPI起始
  * 参    数:无
  * 返 回 值:无
  */
void MySPI_Start(void)
{
	MySPI_W_SS(0);				//拉低SS,开始时序
}

/**
  * 函    数:SPI终止
  * 参    数:无
  * 返 回 值:无
  */
void MySPI_Stop(void)
{
	MySPI_W_SS(1);				//拉高SS,终止时序
}

移位寄存器转换数据

/**
  * 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
}

三、源码分享

MySpi.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header

/**
  * 函    数:SPI写SS引脚电平,SS仍由软件模拟
  * 参    数:BitValue 协议层传入的当前需要写入SS的电平,范围0~1
  * 返 回 值:无
  * 注意事项:此函数需要用户实现内容,当BitValue为0时,需要置SS为低电平,当BitValue为1时,需要置SS为高电平
  */
void MySPI_W_SS(uint8_t BitValue)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_4, (BitAction)BitValue);		//根据BitValue,设置SS引脚的电平
}

/**
  * 函    数:SPI初始化
  * 参    数:无
  * 返 回 值:无
  */
void MySPI_Init(void)
{
	/*开启时钟*/
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);	//开启GPIOA的时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE);	//开启SPI1的时钟
	
	/*GPIO初始化*/
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);					//将PA4引脚初始化为推挽输出
	
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_7;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);					//将PA5和PA7引脚初始化为复用推挽输出
	
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);					//将PA6引脚初始化为上拉输入
	
	/*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0
	SPI_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7
	SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure);						//将结构体变量交给SPI_Init,配置SPI1
	
	/*SPI使能*/
	SPI_Cmd(SPI1, ENABLE);									//使能SPI1,开始运行
	
	/*设置默认电平*/
	MySPI_W_SS(1);											//SS默认高电平
}

/**
  * 函    数:SPI起始
  * 参    数:无
  * 返 回 值:无
  */
void MySPI_Start(void)
{
	MySPI_W_SS(0);				//拉低SS,开始时序
}

/**
  * 函    数:SPI终止
  * 参    数:无
  * 返 回 值:无
  */
void MySPI_Stop(void)
{
	MySPI_W_SS(1);				//拉高SS,终止时序
}

/**
  * 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
}

MySpi.h

#ifndef __MYSPI_H
#define __MYSPI_H

void MySPI_Init(void);
void MySPI_Start(void);
void MySPI_Stop(void);
uint8_t MySPI_SwapByte(uint8_t ByteSend);

#endif

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