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SPI 通信原理

1. SPI 引脚介绍

下面是典型的单主从机模式的 SPI 示意图:

SPI Circuit

  • MOSI(Master In Slave Out)——用于主机向从机发送数据。
  • MISO(Master In Slave Out)——用于从机向主机发送数据。
  • SCK(Serial Clock)——用于同步主从机的时钟频率。
  • CS(Chip Select)——也称 SS(Slave Select),用于主机选择需要通信的从机。

2. CPOL 和 CPHA

前面讲到,SPI 的通信协议有着灵活的变种,这个变化主要是在时钟线上。即CPOL(Clock Polarity)CPHA(Clock Phase),也就是时钟极性和时钟相位。

CPOL 简单来说,就是时钟是在高电平时空闲还是在低电平时空闲。如果 CPOL = 0,则先出现上升沿,再出现下降沿;如果 CPOL = 1,先出现下降沿,再出现上升沿。大部分设备 CPOL = 0。

CPHA 简单来说,就是数据是否在时钟信号的上升沿或下降沿移入或移出。如果 CPHA=0,MOSI 和 MISO 在时钟线的上升沿读取数据,下降沿改变数据;如果 CPHA=1,MOSI 和 MISO 在时钟线的下降沿读取数据,上升沿改变数据。大部分设备 CPHA = 0。

根据 CPOL 和 CPHA 的不同,SPI 通信可以分为以下四类:

SPI模式示意图

通常情况下,SPI 的通信模式为模式 0

3. SPI 的通信过程

SPI 虽然不像 UART 那样,没有开始位和结束位;但是和 I2C 相似,有开始信号和结束信号。

开始信号,主机拉低 CS,表示通信开始。

结束信号,主机拉高 CS,表示通信结束。

一般在通信过程中,MOSI 和 MISO 可以不间断地传输数据,在这之间没有校验信息,通常都是高位在前,低位在后

下面是模式 0 的 SPI 通信时域图:

SPI通信时域图

4. SPI 的优缺点

SPI 通信的优点:

  • 没有开始位和结束位,可以连续发送数据
  • 没有复杂的设备地址,取而代之的是 CS
  • MOSI 和 MISO 可以让设备同时收发送数据
  • 传输速度快,正常都可以达到 10MHz 甚至更高

SPI 通信的缺点:

  • 四根线,有的设备还有 D/C 线,RST 线等,接线相对复杂
  • 无 ACK 验证信息是否传输成功
  • 无校验信息
  • 只能有一个主机

5. Arduino 的 SPI 库

Arduino 的官方 SPI 库是SPI.h,Arduino Uno 只有一个 SPI 接口,即MOSI—D11,MISO—D12,SCK—D13,CS—D10,你可以使用任何 GPIO 作为 CS,不一定是 D10。

下面我们对 SPI 库部分重要的函数做简单讲解。

5.1 begin()

语法:

SPI.begin();

用于初始化 SPI。默认使用 SPI 模式 0,4MHz 时钟频率,拉高 CS,拉低 SCK 和 MOSI。

5.2 setsetClockDivider()

语法:

SPI.setClockDivider(divider);

用来配置 SPI 的时钟频率,可选参数有:

  • SPI_CLOCK_DIV2
  • SPI_CLOCK_DIV4(Default speed)
  • SPI_CLOCK_DIV6
  • SPI_CLOCK_DIV8
  • SPI_CLOCK_DIV16
  • SPI_CLOCK_DIV32
  • SPI_CLOCK_DIV64
  • SPI_CLOCK_DIV128

5.3 setBitOrder()

语法:

SPI.setBitOrder(order);

用来配置 SPI 的数据发送顺序,可选参数有:

  • LSBFIRST
  • MSBFIRST

5.4 setDataMode()

语法:

SPI.setDataMode(mode);

用来配置 SPI 的模式,可选参数有:

  • SPI_MODE0
  • SPI_MODE1
  • SPI_MODE2
  • SPI_MODE3

5.5 beginTransaction()

语法:

SPI.beginTransaction(mySettings);

用于配置更加详细的 SPI 参数,参数为SPISettings,建议不要同时使用SPI.beginTransaction(mySettings)SPI.setClockDivider等,使用一个配置即可。

5.6 SPISettings

语法:

SPISettings mySettting(speedMaximum, dataOrder, dataMode);

参数 speedMaximum:用于设置 SPI 时钟频率,默认为 4MHz,一般这个参数要小于单片机的时钟频率,Uno 板可以达到 14MHz。

参数 dataOrder:用于设置传输数据时,是低位在前还是高位在前,默认是高位在前。可选值有MSBFIRST LSBFIRST

参数 dataMode:用于设置 SPI 的通信模式,模式为前面介绍的 4 种模式,默认为模式 0。可选值有SPI_MODE0SPI_MODE1SPI_MODE2SPI_MODE3

一般设置为:

SPI.beginTransaction(SPISettings(14000000, MSBFIRST, SPI_MODE0));

5.7 endTransaction()

语法:

SPI.endTransaction();

放在SPI.beginTransaction(mySettings),用于结束 SPI 通信。

5.8 transfer(), transfer16()

语法:

uint8_t receivedVal = SPI.transfer(val);
uint16_t receivedVal16 = SPI.transfer16(val16);
SPI.transfer(buffer, size);

用于发送和接收数据。参数和返回值的数据类型可以是uint8_t 或者uint16_t,也可以发送一个数据类型为uint8_t 的数组。

下面是一个使用SPI.setClockDivider的示例代码:

#include <SPI.h>
#define CS 10

void setup() {
pinMode(CS, OUTPUT);
SPI.begin();
SPI.setClockDivider(SPI_CLOCK_DIV2);

// transfer data 128
digitalWrite(CS, LOW);
SPI.transfer(128);
digitalWrite(CS, HIGH);
}

void loop() {
}

下面是一个使用SPISettings的示例代码:


#include <SPI.h>

// using two incompatible SPI devices, A and B. Incompatible means that they
// need different SPI_MODE
const int slaveAPin = 20;
const int slaveBPin = 21;
uint8_t stat, val1, val2, result;

// set up the speed, data order and data mode
SPISettings settingsA(2000000, MSBFIRST, SPI_MODE1);
SPISettings settingsB(16000000, LSBFIRST, SPI_MODE3);

void setup() {
// set the Slave Select Pins as outputs:
pinMode(slaveAPin, OUTPUT);
pinMode(slaveBPin, OUTPUT);
// initialize SPI:
SPI.begin();
}

void loop() {
// read three bytes from device A
SPI.beginTransaction(settingsA);
digitalWrite(slaveAPin, LOW);
// reading only, so data sent does not matter
stat = SPI.transfer(0);
val1 = SPI.transfer(0);
val2 = SPI.transfer(0);
digitalWrite(slaveAPin, HIGH);
SPI.endTransaction();
// if stat is 1 or 2, send val1 or val2 else zero
if (stat == 1) {
result = val1;
} else if (stat == 2) {
result = val2;
} else {
result = 0;
}
// send result to device B
SPI.beginTransaction(settingsB);
digitalWrite(slaveBPin, LOW);
SPI.transfer(result);
digitalWrite(slaveBPin, HIGH);
SPI.endTransaction();
}

6. 适用于哪些设备

常见的使用 SPI 的设备有以下几个:

SD Card ModuleRFID ModuleST7735 TFT Display
SD CardRFIDST7735

下一个章节我们将详细学习如何通过 SPI 向 MPU9250 读写数据。