硬件SPI解析-基于江科大的源码

news2024/12/24 8:15:19

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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