【物联网】了解SPI通信：串行外设接口的基本工作原理，51、stm32实现SPI

╰半橙微兮° 2024-03-17 14:08 41阅读 0赞

**目录**

一、 SPI通信简介

二、SPI通信的硬件连接

三、SPI通信的传输方式

四、 SPI通信过程

五、SPI通信的应用场景

六、 单片机实现SPI通信

1. 51单片机实现SPI通信

2. STM32使用HAL库开发SPI通信

3. STM32使用标准库开发SPI通信

七、总结

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## 一、 SPI通信简介 ##

SPI是一种全双工、同步、串行通信接口，用于在微控制器和外部器件之间进行通信。它通过四根线（或更多）连接主设备（通常是微控制器）和一个或多个从设备（外部器件）。

SPI通信具有以下几个主要特点：

1. 全双工（Full-Duplex）通信：主设备和从设备可以同时发送和接收数据，实现了同时的双向数据传输。

2. 同步传输：通信的主设备和从设备需要共享时钟信号，以确保数据的同步传输。

3. 串行通信：数据以位的形式通过单个引脚进行传输，逐位进行。

4. 硬件控制：SPI通信不需要复杂的协议来控制通信，而是通过硬件信号进行控制。

## 二、SPI通信的硬件连接 ##

SPI通信需要以下几条连接线：

1. SCLK（Serial Clock）线：提供主设备和从设备之间的同步时钟信号。

2. MOSI（Master Output, Slave Input）线：主设备输出（发送）数据给从设备。

3. MISO（Master Input, Slave Output）线：从设备输出（发送）数据给主设备。

4. SS（Slave Select）线：用于选择与主设备进行通信的从设备。每个从设备都有一个对应的SS线。

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这些连接线通常通过短距离的点对点连接（如PCB布线）或者使用排线连接（如面包板实验）来实现。

## 三、SPI通信的传输方式 ##

SPI通信的传输方式主要有两种：主设备驱动（Master-driven）和从设备驱动（Slave-driven）。

1. 主设备驱动（Master-driven）：在主设备驱动模式下，主设备控制整个通信过程。它通过SCLK线提供时钟信号，同时向MOSI线发送数据，从MISO线接收数据。主设备还通过控制SS线选择要通信的从设备。

2. 从设备驱动（Slave-driven）：在从设备驱动模式下，每个从设备在主设备的控制下依次发送和接收数据。主设备通过选择相应的SS线来选择与当前通信的从设备，然后发送数据到MOSI线，并从MISO线接收从设备的响应。

## 四、 SPI通信过程 ##

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1. 主设备选中从设备（片选信号）：主设备通过将片选引脚拉低来选中特定的从设备，表示开始与该从设备进行通信。

2. 时钟信号传输：主设备产生时钟信号，并通过时钟线 (SCLK) 将时钟信号传输给从设备。时钟信号的频率由主设备的时钟配置决定。

3. 数据传输：主设备将要发送的数据通过数据线 (MOSI) 发送给从设备，同时从设备也可以将数据通过数据线 (MISO) 返回给主设备。传输的数据位数由数据大小（通常为8位或16位）决定。

4. 数据采样和发送时机：根据时钟极性和相位的配置，数据的采样和发送时机也会有所不同。在时钟的上升沿或下降沿，主设备会采样从设备的数据，并在下一次时钟的边沿将数据发送给从设备。

5. 子设备解选（片选信号）：当主设备完成与从设备的通信后，会通过将片选引脚拉高来解选从设备，表示通信结束。

SPI通信是全双工的通信方式，主设备和从设备可以同时发送和接收数据，实现了高效的通信。通信的时序和数据传输的细节需要根据具体的SPI配置参数进行配置，并在软件上进行相应的控制。

## 五、SPI通信的应用场景 ##

SPI通信广泛应用于各种嵌入式系统和电子设备中，特别是与外部器件的通信交互场景。以下是一些常见的应用场景：

1. 存储器扩展：SPI可以用于扩展存储器，如Flash存储器和EEPROM，以增加嵌入式系统的存储容量。

2. 传感器和执行器：SPI可以连接各种传感器和执行器，如温度传感器、压力传感器、显示屏、马达控制器等。

3. 网络通信模块：许多网络通信模块，如Wi-Fi模块和以太网控制器，使用SPI与主设备进行通信。

4. 显示设备：SPI可以用于连接

显示设备：SPI可以用于连接各种显示设备，如LCD显示屏、OLED显示屏等，以实现图形和文本的显示。

5. 音频设备：某些音频设备，如音频编解码器和音频ADC/DAC芯片，也可以通过SPI接口进行数据传输和控制。

6. 其他外设：还有许多其他类型的外设可以通过SPI接口进行通信，如ADC（模数转换器）、DAC（数模转换器）、电机驱动器等。

## 六、 单片机实现SPI通信 ##

## 1. 51单片机实现SPI通信 ##

实现步骤：

1. 硬件连接：  
\- 将主控制器与从设备连接，其中包括主设备的SCK（时钟）引脚、MOSI（主发送从接收）引脚、MISO（主接收从发送）引脚和片选引脚与从设备的对应引脚连接。

2. 初始化SPI控制器：  
\- 配置SPI控制器的工作模式（主模式或从模式）并设置相应的时钟极性和相位。  
\- 配置SPI控制器的数据大小（8位或16位）。  
\- 配置SPI控制器的时钟频率。  
\- 使能SPI控制器。

3. 选中从设备：  
\- 将片选引脚拉低（具体引脚根据硬件连接决定），选中要进行通信的从设备。

4. 数据传输：  
\- 主设备向SPI数据寄存器写入要发送的数据。  
\- 等待数据传输完成，可以通过查询状态寄存器的标志位或中断的方式来判断。  
\- 从设备接收数据后，可以通过从SPI数据寄存器中读取数据。

5. 解选从设备：  
\- 将片选引脚拉高，解选从设备。

#include <reg51.h>
    
    // 初始化SPI控制器
    void SPI_Init()
    {
      // 配置SPI控制器的工作模式、时钟极性和相位、数据大小等
      // ...
    }
    
    // 选中从设备
    void SPI_SelectSlave()
    {
      // 将片选引脚拉低，选中从设备
      // ...
    }
    
    // 解选从设备
    void SPI_DeselectSlave()
    {
      // 将片选引脚拉高，解选从设备
      // ...
    }
    
    // 主设备发送和接收数据
    unsigned char SPI_Transfer(unsigned char txData)
    {
      // 先将要发送的数据写入SPI数据寄存器
      SPDR = txData;
    
      // 等待数据传输完成
      while ((SPSR & (1 << SPIF)) == 0)
      {
        // 等待数据传输完成
      }
    
      // 从SPI数据寄存器中读取接收到的数据
      return SPDR;
    }
    
    int main()
    {
      // 初始化SPI控制器
      SPI_Init();
    
      // 选中从设备
      SPI_SelectSlave();
    
      // 发送和接收数据
      unsigned char txData = 0xAA;
      unsigned char rxData = SPI_Transfer(txData);
    
      // 解选从设备
      SPI_DeselectSlave();
    
      while (1)
      {
        // 主循环
      }
    }

### 2. STM32使用HAL库开发SPI通信 ###

实现的步骤：

使用STM32实现SPI通信需要以下步骤：

1. 配置GPIO引脚：首先，您需要在STM32微控制器上配置SPI相关的GPIO引脚。这些引脚用于连接SPI总线和外部器件。您需要根据具体的STM32型号和使用的引脚进行配置。

2. 初始化SPI控制器：使用STM32的HAL库或CubeMX软件工具，您可以初始化SPI控制器。这包括设置SPI模式（主设备或从设备）、位传输顺序、数据大小等参数。

3. 配置时钟和速率：设置SPI的时钟源和通信速率。您可以根据需求选择适当的时钟源和速率配置。

4. 选中从设备：如果您是主设备，您需要通过控制SPI的片选引脚（SS引脚）来选中要与之通信的从设备。将相应的片选引脚置低以选择从设备。

5. 传输数据：使用SPI的数据寄存器将数据发送到外部器件，并接收器件返回的数据。

#include "stm32f4xx_hal.h"
    
    SPI_HandleTypeDef hspi;
    
    // SPI初始化函数
    void SPI_Init(void)
    {
      hspi.Instance = SPI1; // 根据实际情况选择SPI外设
      hspi.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER; // 主设备模式
      hspi.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES; // 全双工通信模式
      hspi.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT; // 数据大小为8位
      hspi.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW; // 时钟极性低
      hspi.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE; // 时钟相位第一边沿
      hspi.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT; // 通过软件方式控制片选引脚
      hspi.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_256; // 时钟预分频器256
      hspi.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB; // 高位先传输
      hspi.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE; // 不使用TI模式
      hspi.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE; // 不使用SPI校验功能
      hspi.Init.CRCPolynomial = 10; // 不使用SPI校验功能
      if (HAL_SPI_Init(&hspi) != HAL_OK)
      {
        Error_Handler();
      }
    }
    
    // 主设备发送和接收数据函数
    void SPI_Transfer(uint8_t* txData, uint8_t* rxData, uint16_t size)
    {
      HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi, txData, rxData, size, HAL_MAX_DELAY);
    }
    
    int main(void)
    {
      // 系统初始化
      
      // 配置SPI引脚
      
      // 初始化SPI控制器
      SPI_Init();
    
      // 主设备选中从设备
      HAL_GPIO_WritePin(SPI1_NSS_GPIO_Port, SPI1_NSS_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    
      // 发送和接收数据
      uint8_t txData[] = {0xAA, 0xBB, 0xCC};
      uint8_t rxData[3];
      SPI_Transfer(txData, rxData, 3);
    
      // 主设备取消选中从设备
      HAL_GPIO_WritePin(SPI1_NSS_GPIO_Port, SPI1_NSS_Pin, GPIO_PIN_SET);
    
      while (1)
      {
        // 主循环
      }
    }

### 3. STM32使用标准库开发SPI通信 ###

#include "stm32f4xx.h"
    
    // SPI初始化函数
    void SPI_Init(void)
    {
      RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE);
      
      SPI_InitTypeDef spiInit;
      spiInit.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;
      spiInit.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;
      spiInit.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;
      spiInit.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low;
      spiInit.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge;
      spiInit.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;
      spiInit.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_256;
      spiInit.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;
      spiInit.SPI_CRCPolynomial = 7;
      SPI_Init(SPI1, &spiInit);
      
      SPI_Cmd(SPI1, ENABLE);
    }
    
    // 主设备发送和接收数据函数
    void SPI_Transfer(uint8_t* txData, uint8_t* rxData, uint16_t size)
    {
      for (uint16_t i = 0; i < size; i++)
      {
        while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET)
        {
          // 等待发送缓冲区空
        }
        
        SPI_I2S_SendData(SPI1, txData[i]);
        
        while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET)
        {
          // 等待接收缓冲区非空
        }
        
        rxData[i] = SPI_I2S_ReceiveData(SPI1);
      }
    }
    
    int main(void)
    {
      // 系统初始化
      
      // 配置SPI引脚
      
      // 初始化SPI控制器
      SPI_Init();
    
      // 主设备选中从设备
      GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_4, Bit_RESET);
    
      // 发送和接收数据
      uint8_t txData[] = {0xAA, 0xBB, 0xCC};
      uint8_t rxData[3];
      SPI_Transfer(txData, rxData, 3);
    
      // 主设备取消选中从设备
      GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_4, Bit_SET);
      
      while (1)
      {
        // 主循环
      }
    }

以上代码使用了标准库提供的函数进行SPI控制器的初始化和数据传输。在SPI传输函数\`SPI\_Transfer\`中，我们通过查询标志位的方式判断发送和接收缓冲区的状态，并使用\`SPI\_I2S\_SendData\`和\`SPI\_I2S\_ReceiveData\`函数发送和接收数据。

## 七、总结 ##

SPI通信是一种常用的串行通信协议，用于微控制器和外部器件之间的通信。它具有全双工、同步、串行和硬件控制等特点，可以通过少量的引脚连接实现高速数据传输。

在进行SPI通信时，主设备驱动模式下主设备控制整个通信过程，而从设备驱动模式下每个从设备在主设备的控制下依次发送和接收数据。

SPI通信被广泛应用于各种嵌入式系统和电子设备中，特别是在与外部器件交互的场景中，如存储器扩展、传感器和执行器、显示设备、网络通信模块、音频设备等。

在实际应用中，了解和掌握SPI通信的基本原理和使用方法对于成功设计和开发嵌入式系统和电子设备至关重要。

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