STM32软件SPI库详解：从原理到实战

STM32软件SPI库详解：从原理到实战

SPI（串行外设接口）是一种广泛应用于嵌入式系统中的同步串行通信协议，主要用于集成电路之间的短距离有线通信。它通过四根线（SCLK、MOSI、MISO、CS）实现全双工通信，并支持CPOL（时钟极性）和CPHA（时钟相位）的灵活配置。本文将详细介绍STM32的软件SPI库，包括其基本概念、工作原理和具体使用方法。

SPI 简介

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种同步串行通信协议，主要用于嵌入式系统中，用于集成电路之间的短距离有线通信。

典型应用场景有：

• W25QXX 系列 Flash
• MPU6050 陀螺仪
• NRF24L01 无线模块等。

一般情况下，SPI 通信有四根线：

• SCLK：时钟线，由主机产生
• MOSI：主机输出从机输入，主机向从机发送数据
• MISO：主机输入从机输出，从机向主机发送数据
• CS：片选线，用于选择从机

时钟相位和极性（CPOL、CPHA）：

• CPOL：时钟极性，决定时钟信号在空闲时是高电平还是低电平
• CPOL = 0 时，SCLK 空闲时为低电平
• CPOL = 1 时，SCLK 空闲时为高电平
• CPHA：时钟相位，决定数据采样时机
• CPHA = 0 时，数据在第一个时钟沿采样
• CPHA = 1 时，数据在第二个时钟沿采样
• 例如：
• CPOL = 0，CPHA = 0 时，SCLK 空闲时为低电平，数据在第一个时钟沿采样（上升沿采样）
• CPOL = 1，CPHA = 0 时，SCLK 空闲时为高电平，数据在第一个时钟沿采样（下降沿采样）
• CPOL = 0，CPHA = 1 时，SCLK 空闲时为低电平，数据在第二个时钟沿采样（下降沿采样）
• CPOL = 1，CPHA = 1 时，SCLK 空闲时为高电平，数据在第二个时钟沿采样（上升沿采样）

时钟极性和相位的配置于目标芯片有关，需要根据目标芯片的 SPI 时序要求进行配置

SPI 通信流程实例：

• 这是一个典型的 SPI 通信流程，主机通过 SCLK 产生时钟信号，通过 MOSI 向从机发送数据，通过 MISO 从从机接收数据
  配置 CPOL = 0，CPHA = 0 ，可见 SCLK 空闲时为低电平，数据在第一个时钟沿采样（上升沿采样）
  通信波形文件包含在例程zip包中，可以使用【Saleae Logic 2】软件打开查看
  

例程讲解

下面介绍了如何使用软件SPI库

1、工程配置

• 开启外部晶振：在Pinout&Configuration -> System Core -> RCC 页面，将 High Speed Clock (HSE) 配置为 Crystal/Ceramic Resonator
• 配置时钟频率：在Clock Configuration 页面，将PLL Source 选择为 HSE，将System Clock Mux 选择为 PLLCLK，然后在HCLK (MHz) 输入72并回车，将HCLK频率配置为 72 MHz
• 分配引脚：将 PA12、PA15、PB3、PB1 分别设置为 GPIO_Output，并分别设置 User label 为 SPI_SCLK、SPI_MOSI、SPI_MISO、SPI_CS
  这几个是学习板左下角的自定义引脚，如果需要使用其他引脚，可以自行修改，任意引脚都可以使用
  
• 配置GPIO：在 System Core -> GPIO
• 将 PA12、PA15、PB1 的 Maximum output speed 配置为 High
• 将 PB3 的 GPIO Pull-up/Pull-down 配置为 Pull-up
  即 SPI_SCLK、SPI_MOSI、SPI_CS 配置为高速输出，SPI_MISO 配置为上拉输入

2、代码

(1) 初始化过程

• 拷贝库文件：将 softSPI.c、dwt_stm32_delay.c 文件拷贝到 Core -> Src 目录下，将 softSPI.h、dwt_stm32_delay.h 文件拷贝到 Core -> Inc 目录下。
• 添加头文件：在 main.c 中引用头文件

#include "softSPI.h"

• 初始化 SPI 实例结构体： 在 main 函数中初始化 SPI 实例结构体

// 分配 SCLK 引脚
SoftSPI1.SCLK_GPIO = SPI_SCLK_GPIO_Port;
SoftSPI1.SCLK_Pin = SPI_SCLK_Pin;
// 分配 MOSI 引脚
SoftSPI1.MOSI_GPIO = SPI_MOSI_GPIO_Port;
SoftSPI1.MOSI_Pin = SPI_MOSI_Pin;
// 分配 MISO 引脚
SoftSPI1.MISO_GPIO = SPI_MISO_GPIO_Port;
SoftSPI1.MISO_Pin = SPI_MISO_Pin;
// 分配 CS 引脚
SoftSPI1.CS_GPIO = SPI_CS_GPIO_Port;
SoftSPI1.CS_Pin = SPI_CS_Pin;
// 设置 SPI 时钟频率
SoftSPI1.Delay_Time = SPI_FREQ_10KHZ;
// 设置 SPI 时钟极性和相位

• 初始化 SPI 实例： 在 main 函数中初始化 SPI 实例

// 初始化 SPI 实例
SoftSPI_Init(&SoftSPI1);

(2) 进行 SPI 通信

• 使能片选：使用
  SoftSPI_CS_Low
  函数使能片选

// 使能片选
SoftSPI_CS_Low(&SoftSPI1);

• 收发数据： 使用
  SoftSPI_WriteReadBuff
  函数发送和接收数据

// 读写数据
SoftSPI_WriteReadBuff(&SoftSPI1, tx_buffer, rx_buffer, 4);

• 关闭片选：使用
  SoftSPI_CS_High
  函数关闭片选

// 关闭片选
SoftSPI_CS_High(&SoftSPI1);