代码收藏家技术教程 2024-08-24

物联网技术系列：SPI通信详解——串行外设接口工作原理及其在51与stm32上的实现(第一篇)

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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

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：

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。
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。
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。
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：

SCLK（Serial Clock）线：提供主设备和从设备之间的同步时钟信号。
MOSI（Master Output, Slave Input）线：主设备输出（发送）数据给从设备。
MISO（Master Input, Slave Output）线：从设备输出（发送）数据给主设备。
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。

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）。

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。
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

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。
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。
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。
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。
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：

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。
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。
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。
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。

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。
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：

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。
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。
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。
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。
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：

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。
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。
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。
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。
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。

先自我介绍一下，小编浙江大学毕业，去过华为、字节跳动等大厂，目前在阿里

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