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外观

12. SPI ​

12.1 什么是SPI ​

  SPI（Serial Peripheral Interface）是一种同步串行通信协议，用于在微控制器和外部设备之间进行数据传输。它由一个主设备（通常是微控制器MCU）和一个或多个从设备组成，即一主多从模式。它通常用于短距离、高速、全双工的通信，它在许多嵌入式系统和电子设备中被广泛应用。

12.2 SPI的硬件接口 ​

SPI主要使用4根线，时钟线（SCLK），主输出从输入线（MOSI），主输入从输出线（MISO）和片选线（CS）。

通信线说明
SCLK时钟线，也叫做SCK。由主机产生时钟信号。
MOSI主设备输出从设备输入线，也叫做SDO。意为主机向从机发送数据。
MISO主设备输入从设备输出线，也叫做SDI。意为主机接收从机的数据。
CS片选线，也叫做NSS。从机使能信号，由主机控制。当我们的主机控制某个从机时，需要将从机对应的片选引脚电平拉低或者是拉高。
  1. 主设备通过MOSI线向从设备发送数据。在每个时钟周期中，主设备将一个位发送到MOSI线上，从设备在下一个时钟周期中读取该位。
  2. 从设备通过MISO线向主设备发送数据。在每个时钟周期中，从设备将一个位发送到MISO线上，主设备在下一个时钟周期中读取该位。
  3. 数据传输可以是全双工的，即主设备和从设备可以同时发送和接收数据。
  4. 数据传输的长度可以是可变的，通常以字节为单位。
  5. 数据传输可以是单向的，即主设备只发送数据或只接收数据。
  6. 数据传输可以是多主设备的，即多个主设备可以与多个从设备进行通信。

主设备是通过片选线选择要与之通信的从设备。每个从设备都有一个片选线，当片选线为低电平时，表示该从设备被选中。（也有一些设备以高电平有效，需要根据其数据手册确定）。主设备通过控制时钟线的电平来同步数据传输。时钟线的上升沿和下降沿用于控制数据的传输和采样。

SPI的主从接线方式与串口类似，需要发送与接收交叉连接。

12.3 SPI的模式选择 ​

  SPI协议定义了多种传输模式，也称为SPI模式或时序模式，用于控制数据在时钟信号下的传输顺序和数据采样方式。SPI的传输模式主要由两个参数决定：时钟极性 (CKPL) 和相位 (CKPH)。时钟极性 (CKPL)：时钟极性定义了时钟信号在空闲状态时的电平。
CKPL = 0：时钟信号在空闲状态时为低电平。
CKPL = 1：时钟信号在空闲状态时为高电平。
时钟相位 (CKPH)：相位定义了数据采样和更新发生在时钟信号的哪个边沿上。
CKPH = 0：数据采样发生在时钟的第一个边沿，数据更新发生在第二个边沿。
CKPH = 1：数据采样发生在时钟的第二个边沿，数据更新发生在第一个边沿。
以下是常见的SPI模式：

  1. 模式0（CKPL=0，CKPH=0）：
  • 时钟极性（Clock Polarity）为0，表示时钟空闲状态为低电平。
  • 时钟相位（Clock Phase）为0，表示数据在时钟信号的第一个边沿（时钟上升沿）进行采样和稳定。
  1. 模式1（CKPL=0，CKPH=1）：
  • 时钟极性为0，时钟空闲状态为低电平。
  • 时钟相位为1，数据在时钟信号的第二个边沿（时钟下降沿）进行采样和稳定。
  1. 模式2（CKPL=1，CKPH=0）：
  • 时钟极性为1，时钟空闲状态为高电平。
  • 时钟相位为0，数据在时钟信号的第一个边沿（时钟下降沿）进行采样和稳定。
  1. 模式3（CKPL=1，CKPH=1）：
  • 时钟极性为1，时钟空闲状态为高电平。
  • 时钟相位为1，数据在时钟信号的第二个边沿（时钟上升沿）进行采样和稳定。

  选择SPI模式的决策通常取决于从设备的规格要求和通信协议。不同的设备可能采用不同的模式，所以在与特定从设备通信之前，必须了解从设备所需的SPI模式。如果没有明确指定SPI模式，通常可以根据从设备的规格手册或通信协议选择最常见的模式0或模式3进行尝试。此外，还需要注意SPI模式时钟的频率限制，以确保主设备和从设备之间的时钟频率匹配。

12.4 SPI的基本参数 ​

SPI协议定义了一组参数，这些参数对于正确设置通信参数并实现SPI通信非常重要。 SPI的基本参数包括：

  1. 时钟极性(CPOL)：指定时钟空闲状态时信号线的电平，有两种状态：空闲时为高电平（CPOL=1）或空闲时为低电平（CPOL=0）；
  2. 时钟相位(CPHA)：指定数据采样的时刻，有两种状态：在时钟上升边沿之后采样数据（CPHA=0）或在时钟下降边沿之前采样数据（CPHA=1）；
  3. 数据位数：指定每个SPI数据包包含的位数（通常为8位），也可以设置为较小或较大的值；
  4. 传输模式：确定数据如何在SPI总线上传输（如全双工、半双工或单向模式）；
  5. 时钟速率：指定SPI总线的时钟速率，以bits per second (bps)为单位；
  6. 主/从模式：确定设备是SPI总线上的主机还是从机；
  7. 传输顺序：指定数据的 bit 传输顺序，MSB（most significant bit）优先或LSB（least significant bit）优先。
    这些参数可以通过配置SPI控制寄存器来设置，以确保SPI设备之间的正确通信。在确定这些参数时，应该考虑实际硬件设置和通信需求。如果需要使用SPI进行通信，请确保正确设置这些参数。

12.5 软件SPI与硬件SPI ​

  SPI与IIC类似，都分有软件SPI和硬件SPI，软件SPI部分不再讲解，本章节着重讲解硬件SP部分。

ESP32-S3芯片集成了四个 SPI 控制器：

  • SPI0
  • SPI1
  • 通用 SPI2，即 GP-SPI2
  • 通用 SPI3，即 GP-SPI3

SPI0 和 SPI1 控制器主要供内部使用以访问外部 flash 及 PSRAM。我们只能使用SPI2和SPI3。 硬件SPI支持以下特性：

12.6 SPI的使用流程 ​

在 Arduino 中使用 SPI（Serial Peripheral Interface）需要以下步骤：

12.6.1 包含 SPI 库 ​

首先，在你的 Arduino 代码中包含 SPI 库。可以使用下面的代码行添加 SPI 库的引用：

c
#include <SPI.h>

12.6.2 初始化 SPI ​

在 setup() 函数中，你需要初始化 SPI。调用 SPI.begin()` 函数以启动 SPI 通信。你可以设置参数来配置 SPI 的模式（主/从），数据位顺序和时钟频率。例如，以下代码将将 Arduino 配置为 SPI 主设备：

c
void setup() {
      // 初始化 SPI
      SPI.begin();
      // 设置 SPI 模式和时钟频率
      SPI.setClockDivider(SPI_CLOCK_DIV4);
      SPI.setDataMode(SPI_MODE0);
}

12.6.3 传输数据 ​

通过 SPI 发送和接收数据。你可以使用 SPI.transfer() 函数来发送和接收一个字节的数据。例如，以下代码将发送一个字节并等待接收一个字节的响应：

c
void loop() {
      byte dataToSend = 0x55;
      byte receivedData;

      // 传输数据
      digitalWrite(CS_PIN, LOW); // 选择 SPI 设备
      receivedData = SPI.transfer(dataToSend); // 发送并接收数据
      digitalWrite(CS_PIN, HIGH); // 取消 SPI 设备选择

      // 处理接收到的数据
      // ...

      delay(1000);
}

在 loop() 函数中，你可以使用 digitalWrite() 来选择 SPI 设备（例如，通过设置CS电平低来选择设备），然后使用 SPI.transfer() 来发送和接收数据。完成后，取消选择 SPI 设备。

12.7 SPI相关函数 ​

  1. SPI初始化

    c
    SPI.begin();

    SPI接口默认VSPI. 接口频率1 000 000, 数据默认采用MSB格式(低有效位优先), 时钟模式:SPI_MODE0(SCLK闲置为0, SCLK上升沿采样)

  2. 设置传输方式

    c
    SPI.setBitOrder(LSBFIRST);

    参数:
    bitOrder: 传输方式, 可选: LSBFIRST 低有效位先传 ; HSBFIRST 高有效位先传

  3. 设置频率

    c
    SPI.setFrequency(1000000);

    参数:
    freq：频率

  4. 设置时钟模式

    c
    SPI.setDataMode(SPI_MODE0);

    参数:
    dataMode:时钟模式, 可以取以下值

模式说明
SPI_MODE0SCLK闲置为低电平,上升沿采样(默认)
SPI_MODE1SCLK闲置为低电平,下降沿采样
SPI_MODE2SCLK闲置为高电平,上升沿采样
SPI_MODE3SCLK闲置为高电平,下降沿采样

  1. 按照setting的设置启动SPI通信 采用该函数,可以代替上面三个函数了

    c
    SPI.beginTransaction(setting);

    参数:setting 设置. 是SPISettings类型的对象, 有_bitOrder ,_clock ,_dataMode 这三个属性. 示例：

    c
    setting1._bitOrder = LSBFIRST;
setting1._clock = 1000000;
setting1._dataMode = SPI_MODE0;
SPI.beginTransaction(setting1);

  2. 结束SPI通信

    c
    SPI.endTransaction();

    功能：结束SPI通信

  3. 接收/发送一个字节的数据

    c
    uint8_t SPIClass::transfer(uint8_t data)

    参数:
    data: 要发送的数据
    返回值: 接收到的数据
    我们还可以选择发送数据的长度，如下示例：

c
SPI.transfer(0x01);
SPI.transfer16(0x0102);
SPI.transfer32(0x01020304);

uint8_t byte1;
uint16_t bytes2;
uint32_t bytes3;
byte1 = SPI.transfer();
bytes2 = SPI.transfer16();
bytes3 = SPI.transfer32();

12.8 SPI验证 ​

通过0.96寸SPI接口的OLED屏幕作为案例测试。首先安装U8G2库。

代码示例：

c
#include <Arduino.h>
#include <U8g2lib.h>

// 构造对象
U8G2_SSD1306_128X64_NONAME_F_4W_SW_SPI u8g2(U8G2_R0, /* clock=d0=*/8, /* data=d1=*/9,
                                             /* cs=*/12, /* dc=*/11, /* reset=*/10);

void setup(void)
{
  // 初始化 oled 对象
  u8g2.begin();
  // 开启中文字符集支持
  u8g2.enableUTF8Print();
}

void loop(void)
{
  // 设置字体
  u8g2.setFont(u8g2_font_unifont_t_chinese2);
  // 设置字体方向
  u8g2.setFontDirection(0);

  u8g2.clearBuffer();
  u8g2.setCursor(0, 15);
  u8g2.print("Hello LCKFB!");
  u8g2.setCursor(0, 40);
  u8g2.print("你好立创开发板!");
  u8g2.sendBuffer();

  delay(1000);
}

12.9 SPI效果 ​

静态显示：Hello LCKFB! 你好立开发板!

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