ARM裸机开发-SPI

一.背景

SPI四种工作模式

三种协议对比

ADXL345传感器

一.背景

SPI 是英语 Serial Peripheral interface(串行外设接口) 的缩写，顾名思义就是串行外围设备接口。是 Motorola首先在其 MC68HCXX 系列处理器上定义的。SPI 接口主要应用在 EEPROM，FLASH，实时时钟，AD 转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。
SPI 是一种高速的，全双工，同步的串行通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为 PCB 的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片集成了这种通信协议。
标准SPI采用四线组网方式，如下图：

SCLK：时钟信号线。与I2C类似的，所有设备都都需要时钟信号线进行同步，该信号由主机负责提供；
➢ MOSI：主出从入，相当于主机的数据发送线；
➢ MISO：主入从出，相当于主机的数据接收线；
➢ CS：片选信号，与I2C不同，SPI设备没有所谓的从机地址，连接在总线上的设备通过CS片选信号选择。在同一时刻，总线上只有一个外设被选择，CS信号线通常是低电平有效的。
以上的四线方式构成了SPI全双工串行同步通信方式。需要注意的是，对于MOSI和MISO来说不是必须存在的，可以只有MOSI或者只有MISO。当然这样的话就只能实现单工通信方式了，这样的SPI成为三线SPI。至于到底采用三线方式还是四线方式取决于外设本身。例如，OLCD只需要主机发送数据而不需要从机发送数据，就可以使用三线SPI的连接方式。
SPI一主机多从机，通过拉低CS片选信号选择设备。
SPI的数据传输的时序：要理解SPI的通信时序。需要搞清楚SPI的两个重要概念。时钟极性(Clock Polarity 简称CPOL)和时钟相位(Clock Phase简称CPHA)。注意这两个概念都是跟时钟信号线相关的。

CPOL：规定了时钟信号线在空闲时的状态，CPOL=0表示时钟信号线在空闲时为低电平；CPOL=1表示时钟信号线在空闲是为高电平；
CPHA：与I2C不同，SPI的数据接收方并不是在时钟高或者低电平时采样的，而是在时钟信号处于沿时，至于是在上升沿还是下降沿取决于CPHA。CPHA=0表示是在时钟信号变化的第一个沿时采样

CPHA=1表示是在时钟信号变化的第二个沿时采样。
因此不难理解，这样的排列组合总共能够组合出四种方式，具体使用哪种方式是由外设厂家规定的，因此在使用SPI之前就不得不读懂外设的说明文档。一下就是四种方式的时序图，来自《IMX6ULL参考手册.pdf》P794页。

SPI四种工作模式

CPOL=1, CPHA=0:空闲时SCLK为高电平，SPI在下降沿采样
CPOL= 1,CPHA=1:空闲时SCLK为高电平，SPI在上升沿采样
CPOL=0, CPHA=0:空闲时SCLK为低电平，SPI在上升沿采样
CPOL=0, CPHA=1:空闲时SCLK为低电平，SPI在下降沿采样
无论哪种工作方式，SPI这种串行通信方式都是MSB先行的。

三种协议对比

UART	I2C	SPI
全双工、异步、串行	半双工、同步、串行	全双工、同步、串行
两根线 TXD RXD	两根线 SCL SDA	四根线 SCLK MOSI MISO CS
< 5MHZ	100KHZ - 3.4MHZ	1M - 100MHZ
点对点	多主多从	一主多从
低位先行	高位先行	高位先行

ADXL345传感器

测量X,Y,Z三轴的重力加速度

写时寄存器地址最高位为低电平，读时为高电平。

INT1/2中断引脚，里面有寄存器可以设置XYZ三轴的阈值，当超过阈值触发中断

SDO->MISO

SDA->MOSI

CS->片选

CS接17号，SCL接18号，MISO/SDO接19号，MOSI/SDA接20号引脚

二.寄存器

con

将60MHZ分频为1MHZ

四位，将哪一位置1就是将该通道设置为主机模式

三种启动方式：

1.切换通道

2.片选线拉低

3.SMC位，向发送缓冲区写数据自动开启

EN：在配置其他寄存器之前，将此位置1

config

SCLK_CTL置1，默认高电平

SS_POL：片选极性，（极性即默认电平的高低），上面引脚接线图将CS接到GPIO引脚，所以可通过GPIO设置，此处默认即可。

SS_CTL：置0对应上面reg寄存器的发送数据就开始通信，置1说明片选线拉低才通信。

SCLK_POL:表示空闲时为高还是低电平。

SCLK_PHA即CPHA,表示第几个沿发送数据，时钟极性和相位都应置1.

start

RR:置1表示超过一位字节数据在接收缓冲区

TE同理。

三.实现

1.初始化

cpp 复制代码

// spi3_channel0初始化
void spi3_channel0_init(void)
{
    // 1. spi引脚复用功能
    IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART2_TX_DATA_GPIO1_IO20, 0);   // CS
    IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART2_RX_DATA_ECSPI3_SCLK, 0);  // SCLK
    IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART2_RTS_B_ECSPI3_MISO, 0);    // MISO
    IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART2_CTS_B_ECSPI3_MOSI, 0);    // MOSI

    // 2. spi引脚电气属性
    IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART2_TX_DATA_GPIO1_IO20, 0x10B1);
    IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART2_RX_DATA_ECSPI3_SCLK, 0x10B1);
    IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART2_RTS_B_ECSPI3_MISO, 0x10B1);
    IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART2_CTS_B_ECSPI3_MOSI, 0x10B1);

    // 3. 通信前，将CS拉高
    GPIO_Type_t t = 
    {
        .direction = gpio_output,
        .default_value = 1
    };
    gpio_init(GPIO1, 20, &t);

    // 4. SPI寄存器
    ECSPI3->CONREG = 0;
    ECSPI3->CONREG |= (7 << 20) | (0x0E << 12) | (2 << 8) | (1 << 4) | (1 << 3) | (1 << 0);

    ECSPI3->CONFIGREG = 0;
    ECSPI3->CONFIGREG |= (1 << 20) | (1 << 4) | (1 << 0);
};

电气属性更改高压摆率即可，其余和点灯功能相同。

2.读写

原理

SPI是全双工移位通信：主从两侧各有一个移位寄存器。每个时钟沿到来时，主机通过 MOSI 往外"移出"1位，同时从 MISO "移入"1位。也就是------每"写"一位的同时必然"读"到一位。

写即是读：你往总线"写"一个字节（移出8位），同一过程里也会"读"回从机在MISO上的8（可能是无效/占位字节）。

读即是写：你想从从机"读"数据，必须提供时钟，所以主机必须同时"写"出一个占位字节（通常是0xFF或0x00），用这些时钟把从机的数据"移入"。

cpp 复制代码

// spi读写
unsigned char spi3_read_write(unsigned char data)
{
    while ((ECSPI3->STATREG & (1 << 0)) == 0);
    ECSPI3->TXDATA = data;

    while ((ECSPI3->STATREG & (1 << 3)) == 0);
    return ECSPI3->RXDATA;
}

ADC调用

spi 写：
主机发送寄存器地址 -> 主机发送要写入的数据
spi 读：
主机发送寄存器地址 -> 发送占位字节 Dummy(0xFF 0x00) -> 从机回复数据

cpp 复制代码

// adxl345写
void adxl345_write(unsigned char reg_addr, unsigned char data)
{
    // 拉低CS
    gpio_set_value(GPIO1, 20, 0);
    // 发送寄存器地址
    spi3_read_write(reg_addr);//发完会回复一个字节，无用不管
    // 发送数据
    spi3_read_write(data);
    // 拉高CS
    gpio_set_value(GPIO1, 20, 1);   
}

// adxl345读
unsigned char adxl345_read(unsigned char reg_addr) 
{
    unsigned char ret = 0;

    // 拉低CS
    gpio_set_value(GPIO1, 20, 0);
    // 发送寄存器地址
    spi3_read_write(reg_addr | 0x80);   
    // 发送Dummy
    ret = spi3_read_write(0xFF);    
    // 拉高CS
    gpio_set_value(GPIO1, 20, 1);    

    return ret;
}

cpp 复制代码

struct ADXL345_Data
{
    short x;
    short y;
    short z;
    float xg;
    float yg;
    float zg;
};
// adxl345初始化
void adxl345_init(void)
{
    // 关闭中断
    adxl345_write(0x2E, 0x08);
    // 设置满分辨率 + 设置满量程
    adxl345_write(0x31, 0x0B);
    // 低功耗模式 + 速率
    adxl345_write(0x2C, 0x08);
    // 配置测量模式 + 唤醒模式
    adxl345_write(0x2D, 0x0B);
}

// 获得adxl345三轴加速度
struct ADXL345_Data adxl345_collect(void)
{
    struct ADXL345_Data ret;

    // 读取x轴数据 
    ret.x = adxl345_read(0x32);
    ret.x |= adxl345_read(0x33) << 8;  
    // 读取y轴数据    
    ret.y = adxl345_read(0x34);
    ret.y |= adxl345_read(0x35) << 8;
    // 读取z轴数据    
    ret.z = adxl345_read(0x36);
    ret.z |= adxl345_read(0x37) << 8;    

    // 获得x y z三轴加速度
    ret.xg = ret.x * 0.0039;
    ret.yg = ret.y * 0.0039;
    ret.zg = ret.z * 0.0039;

    return ret;
}