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STM32 SPI通信协议详解

串行外设接口SPI（Serial Peripheral Interface）是由Motorola公司开发的一种通用数据总线。
        在某些芯片上，SPI接口可以配置为支持SPI协议或者支持I2S音频协议。 SPI接口默认工作在SPI方式，可以通过软件把功能从SPI模式切换到I2S模式，具体需参考操作手册
        串行外设接口(SPI)允许芯片与外部设备以半/全双工、同步、串行方式通信。此接口可以被配置成主模式，并为外部从设备提供通信时钟(SCK)。接口还能以多主配置方式工作。
它可用于多种用途，包括使用一条双向数据线的双线单工同步传输，还可使用CRC校验的可靠通信。
        I2S也是一种3引脚的同步串行接口通讯协议。它支持四种音频标准，包括飞利浦I2S标准， MSB和LSB对齐标准，以及PCM标准。它在半双工通讯中，可以工作在主和从2种模式下。当它作为主设备时，通过接口向外部的从设备提供时钟信号。

SPI特点

  1. 四根通信线：SCK、MOSI、MISO、SS
  2. 支持全双工同步传输
  3. 支持总线挂载多设备（一主多从）
  4. 支持多主机模型，主或从操作
  5. 支持DMA
  6. 可配置8位/16位数据帧
  7. 时钟频率：f（PCLK）/(2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256)
  8. 兼容I2S协议等

电路连接

  • 所有SPI设备的SCK、MOSI、MISO、分别连接在一起。
  • 主机另外引出多条SS控制线，分别接到各从机的SS引脚，需要找谁通信就置谁的SS为低电平，同一时间主机只能选择一个从机。
  • 输出引脚配置为推挽输出，输入引脚配置为浮空或上拉输入。
  • 所有设备需要共地。

    •  SPI移位示意图

     SPI时序

    起始条件：SS从高电平切换到地点哦

    终止条件：SS从低电平切换到高电平

    SPI模式

    SPI有四种模式通过CPOL时钟极性和CPHA时钟相位来定义

  • 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
  • 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

    •  软件SPI设置时序单元

    数据采样==移入数据

    模式0

    模式1

    模式2
    模式3

    软件SPI代码

    以模式0为例，只需对相位和极性修改即可得到其他模式

    
//SPI写SS引脚电平
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
}

//SPI写SCK引脚电平
void MySPI_W_SCK(uint8_t BitValue)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_5, (BitAction)BitValue);//根据BitValue，设置SCK引脚的电平
}

//SPI写MOSI引脚电平
void MySPI_W_MOSI(uint8_t BitValue)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_7, (BitAction)BitValue);		
    //根据BitValue，设置MOSI引脚的电平，BitValue要实现非0即1的特性
}

//SPI读MISO引脚电平
uint8_t MySPI_R_MISO(void)
{
	return GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_6);			//读取MISO电平并返回
}

//SPI初始化
void MySPI_Init(void)
{
	/*开启时钟*/
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);	//开启GPIOA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_Pin_5 | GPIO_Pin_7;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);			//将PA4、PA5和PA7引脚初始化为推挽输出
	
	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
	
	/*设置默认电平*/
	MySPI_W_SS(1);											//SS默认高电平
	MySPI_W_SCK(0);											//SCK默认低电平
}



//SPI起始
void MySPI_Start(void)
{
	MySPI_W_SS(0);				//拉低SS，开始时序
}

//SPI终止
void MySPI_Stop(void)
{
	MySPI_W_SS(1);				//拉高SS，终止时序
}

//SPI交换传输一个字节，使用SPI模式0
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0
		MySPI_W_SCK(0);								//拉低SCK，下降沿移入数据
	}
	
	return ByteReceive;								//返回接收到的一个字节数据

//	for(i=0;i<8;i++)
//	{
//		MySPI_W_MOSI(ByteSend & 0x80);
//		ByteSend<<=1;
//		MySPI_W_SCK(1);
//		if(MySPI_R_MISO()==1){ByteSend|=0x01;}
//		MySPI_W_SCK(0);
//	}
//	 return ByteSend;
}

    硬件SPI

    SPI采用高位先行的模式

    SPI框图

    数据寄存器DR分为TDR和RDR

    1.当需要发送数据时，第一个数据写入TDR,当移位寄存器没有数据进行移位时，TDR数据会立刻转入移位寄存器开始移位。

    转入时刻会置状态寄存器的TXE位1，表示发送寄存器空，当检查TXE为1后，下一个数据便可写入TDR等候。

    2.移位寄存器检测到有数据也会自动产生时钟将数据移出，在移出的过程中MISO的数据也会移入。

    3.一旦数据移出完成，数据移入也完成了，这是移位寄存器就会将数据整体转出到RDR，

    这时会置状态寄存器RXNE为1，表示接收寄存器非空。当检测到RXNE为1就需在下一个数据到来之前将数据读出来，不然数据会被覆盖。

    SPI时序框图
    连续传输

    模式三

    非连续传输 

    硬件SPI代码
     
    #include "stm32f10x.h"                  // Device header

//SPI写SS引脚电平，SS仍由软件模拟
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
}

//SPI初始化
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
}

//SPI起始
void MySPI_Start(void)
{
	MySPI_W_SS(0);				//拉低SS，开始时序
}

//SPI终止
void MySPI_Stop(void)
{
	MySPI_W_SS(1);				//拉高SS，终止时序
}

//SPI交换传输一个字节，使用SPI模式0
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
}

    作者：小陈会发光

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