单片机-STM32部分:14、SPI
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什么是SPI
SPI 是英语Serial Peripheral interface的缩写,顾名思义就是串行外围设备接口。是Motorola(摩托罗拉)首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。
SPI,是一种高速的,全双工,同步的通信总线。
高速的:通常可以达到几百kHz到几十MHz的范围。 |
SPI主从模式
SPI分为主、从两种模式,一个SPI通讯系统需要包含一个(且只能是一个)主设备,一个或多个从设备。提供时钟的为主设备(Master),接收时钟的设备为从设备(Slave),SPI接口的读写操作,都是由主设备发起。当存在多个从设备时,通过各自的片选信号进行管理。
SPI信号线
SPI接口一般使用四条信号线通信
MOSI(Master Output Slave Input): 主设备输出/从设备输入引脚。该引脚在主模式下发送数据,在从模式下接收数据。
MISO(Master Input Slave Output): 主设备输入/从设备输出引脚。该引脚在从模式下发送数据,在主模式下接收数据。
SCLK:串行时钟信号,由主设备产生。
CS/SS:从设备片选信号,由主设备控制。它的功能是用来作为“片选引脚”,也就是选择指定的从设备,让主设备可以单独地与特定从设备通讯,避免数据线上的冲突。
UART、IIC、SPI的对比
UART | IIC | SPI | |
通讯方式 | 异步 | 同步 | 同步 |
通讯线 | TXD 发送 RXD 接收 GND 地 | SDA 数据 SCL 时钟 | MOSI 主发从收 MISO 主收从发 SCK 时钟 CS 片选 |
设备从属 | 一对一 | 总线 | 总线 |
通讯速率 | 从几十Kbps到几Mbps | 标准模式下可达100kbps,快速模式下可达400kbps,高速模式下可达3.4Mbps | 几十Mbps甚至上百Mbps |
场景 | UART 常用于串行通信,如RS-232、RS-485通信,以及计算机与嵌入式设备间的通信。 | I²C 因其简洁的连线和地址机制,适用于板级设备间的通信,如传感器、EEPROM等。 | SPI 适用于短距离、高速数据传输,常见于传感器、屏幕、存储器(如Flash)与MCU之间的通信。 |
SPI参数说明
SPI1设置为全双工主模式,硬件NSS关闭
模式设置:全双工主机模式
- 有主机模式全双工/半双工
- 从机模式全双工/半双工
- 只接收主机模式/只接收从机模式
- 只发送主机模式
硬件NSS(片选信号):Disable
可以选择使能,也可以使用其他IO口接到芯片的NSS上进行代替,如果只连接了一个从设备,可以不用开启片选。
其中SIP1的片选NSS : SPI1_NSS(PA4)
其中SIP2的片选NSS : SPI2_NSS(PB12)
如果片选引脚没有连接 SPI1_NSS(PA4)或者SPI2_NSS(PB12),则需要选择软件片选。
在stm32中,每个spi控制器的NSS信号引脚都具有两种功能,即输入和输出。所谓的输入就是NSS管脚的信号给自己。所谓的输出就是将NSS的信号送出去,给从机。
SPI设置帧格式为摩托罗拉格式,数据长度8Bits,MSB高位先传输,时钟分频64,CPOL为Low,CPHA为第一个边沿,关闭CRC,软件NSS
帧格式:Motorla格式(摩托罗拉格式)目前只提供该格式,SPI标准协议就是由摩托罗拉设计的。
数据长度:8Bits
8Bits或16Bits,如果为16Bits,每次可以发送2Byte数据。
FirstBit:MSB先输出
MSB/LSB,通信中先传高位还是低位,和传输协议有关,主机从机保持一致即可。
时钟分频:分频为64分频
可见:SPI1是在挂APB2上的,SPI2是挂在APB1上的。
当PCLK2为72M时,SPI速率为72/64=1.125M,在保证稳定情况下,STM32F1建议SPI不超过18M。
采样模式设置:
时钟极性CPOL是指SPI通讯设备处于空闲状态时,SCK信号线的电平,也就是通讯开始时SCK的电平。
时钟相位CPHA是指数据的采样的时刻。
CPOL和CPHA的设置,决定SPI在什么时候进行采样,会影响读取到的数据。 |
时钟极性(CPOL)定义了时钟空闲状态电平: |
不开启CRC检验
NSS为软件控制
我们用得更多的是由软件控制某些 GPIO引脚单独作为SS信号,这个GPIO引脚可以随便选择,像板卡中只有一个从设备,我们可以不使用片选引脚。如果我们把 NSS引脚配置为硬件自动控制,SPI模块能够自动判别它能否成为SPI的主机,或自动进入SPI从机模式。
生成代码
轮询:最基本的发送接收函数,就是正常的发送数据和接收数据 |
中断方式
中断模式和串口比较类似,但是SPI是总线通讯,一般由主机先在main.c中发送数据开启中断接收,并在中断回调函数中接收数据处理,处理完成后重新启动中断接收即可
//main里启动中断
uint8_t sendData[2] = {1,2};
uint8_t receiveData[2];
HAL_SPI_TransmitReceive_IT(&hspi1, sendData, receiveData, 2);//中断回调函数
void HAL_SPI_TxRxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi)
{// 数据发送完成回调函数if (hspi == &hspi1){HAL_SPI_TransmitReceive_IT(&hspi1, sendData, receiveData, 2);}
}
DMA方式
添加SPI1的两个DMA通道,分别设置为Circular模式,传输的数据宽度要和SPI的数据位数相对应(spi是8位传输,这里就改为BYTE),设置DMA后,会默认开启SPI通道DMA中断。
DMA频繁发送时,需检测是否传输完成
void DMA1_Channel3_IRQHandler(void)
{/* USER CODE BEGIN DMA1_Channel3_IRQn 0 */if(__HAL_DMA_GET_FLAG(&hdma_spi1_tx, DMA_FLAG_TC1)){}/* USER CODE END DMA1_Channel3_IRQn 0 */HAL_DMA_IRQHandler(&hdma_spi1_tx);/* USER CODE BEGIN DMA1_Channel3_IRQn 1 *//* USER CODE END DMA1_Channel3_IRQn 1 */
}接收同理,可以在DMA接收传输完成后,才读出
void DMA1_Channel2_IRQHandler(void)
{/* USER CODE BEGIN DMA1_Channel2_IRQn 0 */if(__HAL_DMA_GET_FLAG(&hdma_spi1_rx, DMA_FLAG_TC1)){}/* USER CODE END DMA1_Channel2_IRQn 0 */HAL_DMA_IRQHandler(&hdma_spi1_rx);/* USER CODE BEGIN DMA1_Channel2_IRQn 1 *//* USER CODE END DMA1_Channel2_IRQn 1 */
}同时,也可以结合SPI中断,完成各种特殊功能开发
void SPI1_IRQHandler(void)
{/* USER CODE BEGIN SPI1_IRQn 0 */if(__HAL_DMA_GET_FLAG(&hspi1, SPI_FLAG_TXE) == SET){发送缓冲区为空时,执行 }if(__HAL_DMA_GET_FLAG(&hspi1, SPI_FLAG_BSY) == RESET){SPI总线不忙时,执行}if(__HAL_DMA_GET_FLAG(&hspi1, SPI_SR_RXNE == SET){接收缓冲区不为空时,执行}/* USER CODE END SPI1_IRQn 0 */HAL_SPI_IRQHandler(&hspi1);/* USER CODE BEGIN SPI1_IRQn 1 *//* USER CODE END SPI1_IRQn 1 */
}
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DMA接收模式: |
DMA使用注意事项
- 1、要确保从机启动完成后,才开启主机DMA发送或查询,否则会出现丢帧
- 2、如果手动开关片选,要在DMA发送完成后才切换,否则会出现丢帧
- 3、如果用杜邦线连接,注意SPI速率高时,可能会丢包
SPI驱动1.3寸OLED SH1106
https://www.waveshare.net/wiki/1.3inch_SH1106_OLED
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注意:当选通 SPI 串口或者 I2C 接口,建议把 D7~D2 连接到 VDD1 或者 VSS。也允许把 D7~D2 悬空。
3线SPI和4线SPI,这里的4线SPI的意思是,在SPI的CS MOSI MISO CLK的基础上,多了一个D/C,指令/数据切换引脚,由于屏幕只需要接收主机发送的数据,主机不需要读取屏幕的数据,所以4线SPI的引脚为CS MOSI CLK D/C,3线则是CS MOSI CLK,少了一个D/C引脚。 |
4线SPI的数据时序和对应IO
从图中,我们可以知道IO部分分配如下: |
查看原理图
可以知道驱动屏幕的主要是4个IO,分别是
OLED_RES-复位信号-低电平复位-对应PB8
OLED_DC-数据/命令发送切换信号-对应PB4
OLED_SCLK-时钟信号-对应PB3
OLED_SDIN-数据信号-对应PB5
打开SPI3,模式为主机模式半双工,因为屏幕驱动只需要发送数据给屏幕显示,不需要读取屏幕信息。
因为SPI3的时钟和数据刚好对应PB3和PB5,这是板卡设计时选择好的。
此处需更新GPOL为Hight、GPHA为2Edge
修改IO的标签名称为OLED_CLK、OLED_DATA
设置PB8、PB4为输出模式
OLED_RES-复位信号-低电平复位-对应PB8 |
修改标签名为OLED_DC、OLED_RES
最终添加USART1作为日志串口,方便调试
初始化屏幕
然后设置对应寄存器,这部分一般参考厂家的示例或手册。
/* USER CODE BEGIN 0 */
static void sh1106_reset()
{//复位屏幕HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, OLED_RES_Pin, GPIO_PIN_RESET); //RES resetHAL_Delay(1000);//拉高复位引脚,进入正常工作模式HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, OLED_RES_Pin, GPIO_PIN_SET); //RES set
}
//发送指令
static void sh1106_write_cmd(uint8_t chData)
{HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, OLED_DC_Pin, GPIO_PIN_RESET);//拉低DC,发送指令 HAL_SPI_Transmit(&hspi3, &chData, 1, 0xff);//发送
}
//发送数据
static void sh1106_write_data(uint8_t chData)
{HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, OLED_DC_Pin, GPIO_PIN_SET); //拉高DC,发送数据 HAL_SPI_Transmit(&hspi3, &chData, 1, 0xff);//发送
} //初始化
void sh1106_init(void)
{ sh1106_reset();sh1106_write_cmd(0xAE);//--turn off oled panelsh1106_write_cmd(0x00);//---set low column address 00->02sh1106_write_cmd(0x10);//---set high column addresssh1106_write_cmd(0x40);//--set start line address Set Mapping RAM Display Start Line (0x00~0x3F)sh1106_write_cmd(0x81);//--set contrast control registersh1106_write_cmd(0xCF);// Set SEG Output Current Brightnesssh1106_write_cmd(0xA1);//--Set SEG/Column Mapping sh1106_write_cmd(0xC0);//Set COM/Row Scan Direction sh1106_write_cmd(0xA6);//--set normal displaysh1106_write_cmd(0xA8);//--set multiplex ratio(1 to 64)sh1106_write_cmd(0x3f);//--1/64 dutysh1106_write_cmd(0xD3);//-set display offset Shift Mapping RAM Counter (0x00~0x3F)sh1106_write_cmd(0x00);//-not offsetsh1106_write_cmd(0xd5);//--set display clock divide ratio/oscillator frequencysh1106_write_cmd(0x80);//--set divide ratio, Set Clock as 100 Frames/Secsh1106_write_cmd(0xD9);//--set pre-charge periodsh1106_write_cmd(0xF1);//Set Pre-Charge as 15 Clocks & Discharge as 1 Clocksh1106_write_cmd(0xDA);//--set com pins hardware configurationsh1106_write_cmd(0x12);sh1106_write_cmd(0xDB);//--set vcomhsh1106_write_cmd(0x40);//Set VCOM Deselect Levelsh1106_write_cmd(0x20);//-Set Page Addressing Mode (0x00/0x01/0x02)sh1106_write_cmd(0x02);//sh1106_write_cmd(0x8D);//--set Charge Pump enable/disablesh1106_write_cmd(0x14);//--set(0x10) disablesh1106_write_cmd(0xA4);// Disable Entire Display On (0xa4/0xa5)sh1106_write_cmd(0xA6);// Disable Inverse Display On (0xa6/a7)sh1106_write_cmd(0xAF);//--turn on oled panel
}
发送清屏指令
OLED屏幕就是一个个小的有机自发光二极管组成的阵列,作为例子的屏幕的分辨率是128*64,即每行有128个发光二极管,一共有64行,如果我们需要显示一个图案,可以按图案的坐标点亮对应位置的发光二极管即可。
为了让你写代码可以更快找到需要点亮的发光二极管的位置,SH1106芯片提供了页寻址的方式。
注意:SH1106最高支持点亮132*64分辨率的屏幕,而我们的屏幕分辨率是128*64,所以前2列和后2列是不需要用的,写入显示数据时,要注意设置起始列地址。 |
页是SH1106芯片设计者为了方便将同一列的8个点阵编成一组,用一个8bit数表示,这样132组个8bit被称为1页,这样一共有64/8=8页。
页寻找的方式
Column 0 | Column 2 | ... | Column 130 | Column131 | |
Page0 | --> | --> | --> | --> | --> |
Page1 | --> | --> | --> | --> | --> |
... | |||||
Page6 | |||||
Page7 |
选择对应的页:发送指令0xB0-0xB7
我们可以看到D7-D4是固定的,D3-D0由对应页决定,总共有8页,分别是B0-B7。
sh1106_write_cmd(0xB0); //设置页码为0xB0 |
设置列起始行地址
列地址由两个字节分别管理高低四位。D7 D6 D5 D4是固定的
发送起始列地址:发送指令0x00-0x0F,0x10-0x1F,下方是转换方法:
列地址由两个字节分别管理高低四位。 |
从设定的页和列开始发送数据,列地址自动累加,页地址不会更新,如果超出范围则超出部分无效。
/* USER CODE BEGIN 0 */
//优化前
void sh1106_clear_screen()
{uint8_t Buffer1[128];sh1106_write_cmd(0xB0); //页码sh1106_write_cmd(0x02); //列起始地址低四位sh1106_write_cmd(0x10); //列起始地址高四位for (j = 0; j < 128; j ++) {Buffer1[j] = 0; //填充0sh1106_write_data(Buffer1[j]); //发送数据,每次发送1byte,8bit}uint8_t Buffer2[128];sh1106_write_cmd(0xB1); //页码sh1106_write_cmd(0x02); //列起始地址低四位sh1106_write_cmd(0x10); //列起始地址高四位for (j = 0; j < 128; j ++) {Buffer2[j] = 0; //填充0sh1106_write_data(Buffer2[j]); //发送数据,每次发送1byte,8bit}xxx
}//优化后uint8_t s_chDispalyBuffer[128][8]; //8*8bit=64void sh1106_clear_screen()
{uint8_t i, j;for (i = 0; i < 8; i ++) {sh1106_write_cmd(0xB0 + i); //设置页码从0xB0开始到0xB7sh1106_write_cmd(0x02); //列起始地址低四位sh1106_write_cmd(0x10); //列起始地址高四位//8*128个点,全部清零for (j = 0; j < 128; j ++) {s_chDispalyBuffer[j][i] = 0; //填充0sh1106_write_data(s_chDispalyBuffer[j][i]); //发送数据}}
}
画点函数
/* USER CODE BEGIN 0 */
/**把需要点亮的点转换为显示数组s_chDispalyBuffer的一个bit状态chXpos: 绘制点的x坐标 0<= x <=127chYpos: 绘制点的y坐标 0<= 7 <=63chPoint: 0: 熄灭 1: 点亮
**/
void sh1106_draw_point(uint8_t chXpos, uint8_t chYpos, uint8_t chPoint)
{uint8_t chPos, chBx, chTemp = 0;if (chXpos > 127 || chYpos > 63) {return;}//chYpos坐标转换,因为我们用8个字节管理了64个bit,所以需要把y坐标转换到对应的字节bit位置chPos = 7 - chYpos / 8; //找出那一页chBx = chYpos % 8; //找出哪一位chTemp = 1 << (7 - chBx); //把对应位置1if (chPoint) {s_chDispalyBuffer[chXpos][chPos] |= chTemp;} else {s_chDispalyBuffer[chXpos][chPos] &= ~chTemp;}sh1106_refresh_gram();
}/**
所有页更新到屏幕显示
把显示数组s_chDispalyBuffer发送到屏幕显示
**/
void sh1106_refresh_gram(void)
{uint8_t i, j;for (i = 0; i < 8; i ++) { sh1106_write_cmd(0xB0 + i); //设置页码从0xB0开始到0xB7 sh1106_write_cmd(0x02); //列起始地址低四位sh1106_write_cmd(0x10); //列起始地址高四位 for (j = 0; j < 128; j ++) {sh1106_write_data(s_chDispalyBuffer[j][i]);}}
}
显示图像
下方图像数组,我们通过取模软件可以生成
字库取模
中文取模时,需要一个一个字取,顺向取模,根据生成的.c内容记录字体大小,通过画图的方式绘制到屏幕。
图片取模
const uint8_t c_chSingal816[16] = //mobie singal 16*8
{0xFE,0x02,0x92,0x0A,0x54,0x2A,0x38,0xAA,0x12,0xAA,0x12,0xAA,0x12,0xAA,0x12,0xAA
};const uint8_t c_chMsg816[16] = //message 16*8
{0x1F,0xF8,0x10,0x08,0x18,0x18,0x14,0x28,0x13,0xC8,0x10,0x08,0x10,0x08,0x1F,0xF8
};const uint8_t c_chBat816[16] = //batery 16*8
{0x0F,0xFE,0x30,0x02,0x26,0xDA,0x26,0xDA,0x26,0xDA,0x26,0xDA,0x30,0x02,0x0F,0xFE
};void sh1106_draw_bitmap(uint8_t chXpos, uint8_t chYpos, const uint8_t *pchBmp, uint8_t chWidth, uint8_t chHeight)
{uint16_t i, j, byteWidth = (chWidth + 7) / 8;//遍历图片的宽高,取出每一点,判断为1的位,为需要点亮的点,通过画点函数绘制到屏幕for(j = 0; j < chHeight; j ++){for(i = 0; i < chWidth; i ++ ) {if(*(pchBmp + j * byteWidth + i / 8) & (128 >> (i & 7))) {sh1106_draw_point(chXpos + i, chYpos + j, 1);}}}
}
最终在main函数中使用
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include <stdio.h>int main(void)
{HAL_Init();SystemClock_Config();MX_GPIO_Init();MX_SPI3_Init();MX_USART1_UART_Init();/* USER CODE BEGIN 2 */printf("app init \n");sh1106_init();/* USER CODE END 2 */while (1){/* USER CODE BEGIN 3 */sh1106_clear_screen();sh1106_draw_point(10,10,1);HAL_Delay(1000);sh1106_clear_screen();//起始坐标(0,2) 绘制的图标数组c_chSingal816, 图标的宽高(18,8)sh1106_draw_bitmap(0, 2, c_chSingal816, 16, 8);HAL_Delay(1000);}/* USER CODE END 3 */
}/* USER CODE BEGIN 4 */
int fputc(int ch, FILE *f)
{HAL_UART_Transmit(&huart1 , (uint8_t *)&ch, 1, 0xFFFF);return ch;
}
/* USER CODE END 4 */