SPI（串行外设接口） - 全双工高速嵌入式通信协议

SPI（串行外设接口）——全双工高速嵌入式通信协议

一、SPI 概述

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是一种由 Motorola 公司首先在其 MC68HCXX 系列处理器上定义的同步串行接口技术。它主要用于微控制器（MCU）与外部设备之间的通信，如存储器、传感器、显示屏等。SPI 是一种高速、全双工、同步的通信总线，具有通信协议简单、支持全双工通信、数据传输速率快等优点。

二、SPI 硬件特性与通信原理

（一）硬件引脚

SPI 通信至少需要 4 根线，单向传输时 3 根线，它们分别是：

• MISO（Master Input Slave Output）：主设备数据输入，从设备数据输出。
• MOSI（Master Output Slave Input）：主设备数据输出，从设备数据输入。
• SCLK（Serial Clock）：串行时钟，为 SPI 通信提供时钟信号，由主设备产生。
• CS/SS（Chip Select/Slave Select）：片选信号线，为 SPI 通信提供从设备使能信号，由主设备控制。在多从设备情况下，主设备通过控制不同的片选信号来选择与之通信的从设备。

（二）通信原理

SPI 通信由主机发起，主机通过以下步骤完成一次通信：

1. 将 CS/SS 拉低，启动通信，选中要通信的从设备。
2. 通过 SCLK 给选中的从设备提供时钟信号。
3. 基于 SCLK 时钟信号，主设备数据通过 MOSI 发送给从设备，同时通过 MISO 接收从设备发送的数据，完成通信。

三、SPI 工作模式

SPI 有四种工作模式，由时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）控制：

• CPOL：用来定义 SCLK（方波信号）的电平状态（空闲态/有效态）。CPOL = 0 时，时钟信号 idle 状态为低电平；CPOL = 1 时，时钟信号 idle 状态为高电平。
• CPHA：用来配置数据采样是在第几个方波信号的边沿（上升沿/下降沿）。CPHA = 0 时，时钟线的第一个边沿采样数据；CPHA = 1 时，时钟线的第二个边沿采样数据。

例如，当 CPOL = 0，CPHA = 0 时，时钟信号 idle 状态为低电平，第一个时钟边沿采样数据。

四、SPI 特点与优缺点

（一）特点

• 全双工操作：在同一时间可以同时进行数据的发送和接收。
• 主从方式：通常有一个主设备和一个或多个从设备。
• 可编程时钟：具有可编程极性和相位的串行时钟。
• 多种中断标志：有传送结束中断标志、写冲突出错标志、总线冲突出错标志等。

（二）优点

• 支持全双工通信：提高了数据传输的效率。
• 操作简单：通信协议相对简单，易于实现。
• 数据传输速率较高：通常能达到甚至超过 10Mbps。

（三）缺点

• 需要占用主机较多的口线：每个从设备都需要一根片选线。
• 只支持单个主机：不支持多主机模式。
• 没有指定的流控制：没有应答机制确认是否接收到数据。

五、SPI 应用案例：STM32 连接 SPI LCD

以下是一个使用 STM32 标准外设库连接 SPI LCD 的详细案例：

（一）硬件连接

假设使用 STM32F103 微控制器和一块 SPI 接口的 LCD 显示屏，硬件连接如下：

• LCD VCC 连接 STM32 DC5V/3.3V（电源）。
• LCD GND 连接 STM32 GND（电源地）。
• LCD SDI（MOSI）连接 STM32 PB15（液晶屏 SPI 总线数据写信号）。
• LCD SDO（MISO）连接 STM32 PB14（液晶屏 SPI 总线数据读信号，如果不使用可以不接线）。
• LCD LED 连接 STM32 PB9（液晶屏背光控制信号，如果不控制可以接 5V 或 3.3V）。
• LCD SCK 连接 STM32 PB13（液晶屏 SPI 总线时钟信号）。
• LCD DC/RS 连接 STM32 PB10（液晶屏数据/命令控制信号）。
• LCD RST 连接 STM32 PB12（液晶屏复位控制信号）。
• LCD CS 连接 STM32 PB11（液晶屏片选控制信号）。

（二）软件实现

1. SPI 初始化

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#include "stm32f10x.h"
 
void SPI2_Init(void) {
    SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
 
    // 使能 SPI2 和 GPIO 时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_SPI2, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
 
    // 配置 SPI2 的 SCK、MISO 和 MOSI 引脚
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13 | GPIO_Pin_14 | GPIO_Pin_15;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
 
    // 配置 SPI2 的 CS 引脚
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_11;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
    GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_11); // CS 高电平，不选中 LCD
 
    // 配置 SPI2 参数
    SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;
    SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;
    SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;
    SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low;
    SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge;
    SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;
    SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_16;
    SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;
    SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;
    SPI_Init(SPI2, &SPI_InitStructure);
 
    // 使能 SPI2
    SPI_Cmd(SPI2, ENABLE);
}

2. LCD 初始化

c复制代码
#include "lcd.h"
 
void LCD_Init(void) {
    // 初始化 LCD 显示参数
    GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_11); // CS 高电平，不选中 LCD
    // 延时，等待 LCD 准备好
    Delay(100);
    // 发送 LCD 初始化命令序列
    LCD_SendByte(0xAE, 1); // 关闭显示
    LCD_SendByte(0xD5, 1); // 设置显示时钟频率
    LCD_SendByte(0x50, 1); // 推荐频率
    // 其他初始化命令...
    LCD_SendByte(LCD_CMD_DISPLAY_ON, 1); // 打开显示
    // 清除 LCD 显示
    LCD_SendByte(LCD_CMD_CLEAR, 1);
    Delay(100);
}

3. 数据发送

c复制代码
void LCD_SendByte(uint8_t data, uint8_t command) {
    // 设置 DC 和 CS 管脚的状态
    if (command) {
        GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_10); // DC 高电平，命令模式
    } else {
        GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_10); // DC 低电平，数据模式
    }
    GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_11); // CS 低电平，选中 LCD
    // 发送数据到 SPI
    SPI_I2S_SendData(SPI2, data);
    while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI2, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET); // 等待发送完毕
    // 取消选中 LCD
    GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_11);

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