SPI通信的总结.docx

STM32---SPI通信的总结(库函数操作)
本文主要由7项内容介绍SPI并会在最后附上测试源码供参考：
1. SPI的通信协议
2. SPI通信初始化(以STM32为从机，LPC1114为主机介绍)
3. SPI的读写函数
4. SPI的中断配置
5. SPI的SMA操作
6. 测试源码
7. 易出现的问题及原因和解决方法
一、 SPI的通信协议
SPI（Serial Peripheral Interface）是一种串行同步通讯协议，由一个主设备和一个或多个从设备组成，主设备启动一个与从设备的同步通讯，从而完成数据的交换。SPI 接口一般由4根线组成，CS片选信号（有的单片机上也称为NSS），SCLK时钟信号线，MISO数据线（主机输入从机输出），MOSI数据线（主机输出从机输入），CS 决定了唯一的与主设备通信的从设备，如没有CS 信号，则只能存在一个从设备，主设备通过产生移位时钟信号来发起通讯。通讯时主机的数据由MISO输入，由MOSI 输出，输入的数据在时钟的上升或下降沿被采样，输出数据在紧接着的下降或上升沿被发出（具体由SPI的时钟相位和极性的设置而决定）。

二、 以STM32为例介绍SPI通信
1. STM32f103 带有3个SPI模块其特性如下：

2 SPI 初始化
初始化SPI 主要是对SPI要使用到的引脚以及SPI通信协议中时钟相位和极性进行设置，其实STM32的工程师已经帮我们做好了这写工作，调用库函数，根据自己的需要来修改其中的参量来完成自己的配置即可，主要的配置是如下几项：
l 引脚的配置
SPI1的SCLK, MISO ,MOSI分别是PA5，PA6，PA7引脚，这几个引脚的模式都配置成GPIO_Mode_AF_PP 复用推挽输出（关于GPIO的8种工作模式如不清楚请自己百度，在此不解释），如果是单主单从，CS引脚可以不配置，都设置成软件模式即可。

l 通信参数的设置

1. SPI_Direction_2Lines_FullDuplex把SPI设置成全双工通信；
2. 在SPI_Mode 里设置你的模式（主机或者从机），
3. SPI_DataSize是来设置数据传输的帧格式的SPI_DataSize_8b是指8位数据帧格式，也可以设置为SPI_DataSize_16b,即16位帧格式
4. SPI_CPOL和SPI_CPHA是两个很重要的参数，是设置SPI通信时钟的极性和相位的，一共有四种模式

在库函数中 CPOL有两个值SPI_CPOL_High（=1）和SPI_CPOL_Low ( =0).
CPHA有两个值SPI_CPHA_1Edge (=0) 和SPI_CPHA_2Edge（=1）
CPOL表示时钟在空闲状态的极性是高电平还是低电平，而CPHA则表示数据是在什么时刻被采样的，手册中如下：

我的程序中主、从机的这两位设置的相同都是设置成1，即空闲时时钟是高电平，数据再第二个时钟沿被采样，实验显示数据收发都正常。
（要特别注意极性和相位的设置否则，数据传输会出现错位的现象）
一般主从机的这两个位要设置的一样，但是网上也有人说不能设置成一样的，在后文中我对主从机极性和相位的配置的16种情况都做了测试，结果见下文。
下图很好的描述了4种模式下的时序状况

引用网友的一句话：：
“ SPI主模块和与之通信的外设备时钟相位和极性应该一致。个人理解这句话有 2层意思：其一，主设备SPI时钟和极性的配置应该由外设的从设备来决定；其二，二者的配置应该保持一致，即主设备的SDO同从设备的SDO配置一致，主设备的 SDI同从设备的SDI配置一致。因为主从设备是在SCLK的控制下，同时发送和接收数据，并通过2个双向移位寄存器来交换数据。 ”
5. SPI_BaudRatePrescaler 波特率的设置
这在主机模式中，这一位的设置直接决定了通信的传输速率，而从机的设置不会影响数据传输的速率，手册中有这样一句话：

6. SPI_FirstBit 这一位是设置首先传输的高字节还是低字节
SPI_FirstBit_MSB 是先传输高字节，SPI_FirstBit_LSB 是先传输低字节
注意在初始化函数里还有两项重要的内容就是在初始化之前先使能SPI的时钟和在初始化配置完成后使能SPI。

（………..初始化配置……………）

三、 SPI的读写函数
SPI有一个16位的数据寄存器SPI_DR，它对应两个缓冲区，1个发送缓冲区，1个接收缓冲区，当在控制寄存器里SPI_CR1里对DFF位设置数据帧格式为8位时,发送和接收只用到SPI_DR[7:0]这8位，15-8位被强制为0，帧格式设置成16位时全用。

读写过程在手册中是这样描述的：

简而言之，
发送时，可以通过检测SPI_SR中的TXE位，当数据寄存器里有数据时，TXE位是0，当数据全部从数据寄存器的发送缓冲区传输到移位寄存器时TXE位被置1，这时候可以再往数据寄存器里写入数据。可以通过
while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET) 来检测。
SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_TXE 是库函数可以检测SPI的一些状态位。
接收时
可以通过检测SPI_SR中的RXNE位，当数据寄存器里有数据时，RXNE位是0，当数据全部从数据寄存器的接收缓冲区传输到移位寄存器时RXNE位被置1，这时候可以从数据寄存器里读出数据。可以通过
while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET); 来检测。源程序如下，
SPI 读写一个字节，读写一体

当能成功发送和接收一个字节时，发送数组数据就变的简单了，只需要一个for循环，和指针变量的递增即可。以下仅为参考：
（有一点特别注意，从机数据传输时要依赖主机的时钟，所以主机在接收从机发送的数据时要往从机发送哑巴字节，这个字节可以自己定义 0xff,0xfe等什么字节都可以）

读写分开的函数：
/*
Description:spi1通信发送数据
*/
void SPI_Ecah_Buffer_Send(u8* pBuffer, u16 NumByteToRead)
{
for(int i = 0; i < NumByteToRead; i++)
{
SPI_Conmunication_SendByte(*pBuffer);
pBuffer++;
}
}
/*
Description:spi1通信接收收据
*/
void SPI_Buffer_Receive(u8* pBuffer, u16 NumByteToRead)
{
while (NumByteToRead--) /* while there is data to be read */
{
/* Read a byte from the FLASH */
*pBuffer = SPI_Conmunication_SendByte (Dummy_Byte);
/* Point to the next location where the byte read will be saved */
pBuffer++;
}
}
读写一体的函数
/*
Description:spi1通信发送接收读写数据
*/
void SPI_Ecah_Buffer_Send(u8* str , u8* pBuffer, u16 NumByteToRead)
{
for(int i 0; i < NumByteToRead; i++)
{
*str = SPI_Conmunication_SendByte(*pBuffer);
pBuffer++;
str++;
}
}

四、 SPI的中断配置
在SPI的SPI_CR2 中可以配置，STM32的SPI的通信一共有8个中断其中最常用的是如下4个。
TXEIE：发送缓冲区空中断使能
在发送过程中，数据全部从数据寄存器的发送缓冲区传输到移位寄存器时TXE位被置1这时如果使能了TXEIE 就会触发发送完成的中断请求。在中断服务函数里可以做你想做的事情，也可以用一个标志位，在外面完成相应的操作。
(使用中断时要特别注意，及时的清除中断标志，为下一次能够触发中断做准备。)
RXNEIE：接收缓冲区非空中断使能
接收同发送。
TXDMAEN：发送缓冲区DMA使能
RXDMAEN：接收缓冲区DMA使能

手册中有这样一句话，“不能同时设置TXEIE和TXDMAEN”这一点要特别注意。也就是说如果你在SPI的通信中不用DMA则使能TXEIE的中断，不使能TXDMAEN的中断，如果在SPI中使用DMA传输，则禁能TXEIE 的中断，只使能TXDMAEN 的中断。

五、 SPI的DMA操作
DMA（Direct Memory Access）直接内存存取，直接存储器存取用来提供在外设和存储器之间或者存储器和存储器之间的高速数据传输。无须CPU任何干预，通过DMA数据可以快速地移动。使用DMA最大的特点就是数据传输不经过CPU这就节省了CPU的资源，让CPU能有更多的时间来做其他的事情。
SPI的DMA操作，就是在SPI->TXE为1时，会向对应的DMA通道发出请求，DMA通道会发出应答信号，SPI收到应答信号后撤销请求信号，DMA撤销应答信号，并把内存值装入SPI_DR的发送缓区，SPI的传送开始。
DMA的初始化

DMA_PeripheralBaseAddr是值外设数据的地址，用SPI1故DMA外设地址对应的是SPI1_DR_Addr,

DMA_MemoryBaseAddr是内存地址，它的值可以使，你要发送的数据所存放的数组的名，因为数组名代表的是数组数据存放的首地址，在SPI-DMA的发送中可以理解为把DMATX[]数组里的数据传送到SPI1_DR_Addr
DMA_DIR 是指数据传输的方向，其值发送时其值为DMA_DIR_PeripheralDST 即外设是目的地，方向是DMATX—> SPI1_DR_Addr,
在接受收时其值为DMA_DIR_PeripheralSRC，即外设是数据的来源，传输方向是 SPI1_DR_Addr—>用户指定的数据存储数组。
DMA_BufferSize 用来设置传输数据的个数，在STM32的DMA中其值的范围是0—65536.
DMA_Mode 指 DMA的传输模式 DMA_Mode_Normal为正常工作模式
DMA_Mode_Circular 是循环工作模式，这里对循环模式的解释我认为有位网友解释的很不错如下：
“循环的意思是指DMA的传输数量计数器会重置初值，由于DMA每传一个数据，传输数量计数器减一，只有在传输数量计数器的值不为零时，才会响应请求。在循环模式下，当传输计数器的值减为0后，会重新装载；而内存（缓存）地址则不管循环非循环模式，都会在每次传输完成后重置为基地址。所以，如果我们把DMA设置会正常模式，那么在下次传输前，只需对DMA的传输数量计数器重新写入就行。循环模式一般用于数据更新，比如ADC采用需要不停更新数据。”
在初始化完成之后要开启DMA的中断，在我的程序中开启的是DMA传输完成中断。

DMA传输有3个中断标志位，常用的是传输完成的中断。如下：

这样在传输完设定的数据个数之后就会触发传输完成的中断，用户可以再中断服务函数中，进行相应的操作，有一点特别注意，就是要及时清除中断标志位，为下次能够正常触发中断做准备。

在我的中断服务函数中有一个标志位SpiCommon,被置1后再中断之外进行其他的处理，同时调用DMA_ClearITPendingBit(DMA1_IT_TC2)来及时清除中断标志。
在进行DMA的数据传输时要先禁能DMA的通道，重置传输数据个数的值，数据的存储位置等，再使能DMA的通道，等待DMA的传输完成。
我的操作时这样的，先往DMATX[]里写入相应的数据，然后如下

这样可能有一点不好的地方，因为只改变了SpiTXSize的值，却又重新执行了DMATXInit() 函数，可能此处能够再改善一下。

六 测试中出现的问题及原因和解决方法
l 示波器观察主机能够产生正确的时钟，主机输出引脚也能产生正确的数据，但是从机不能接受数据。
可能原因：
1. 从机的接收中断配置不正确，或者没有打开相应的中断。
2. 在从机中TXEIE的中断和TXDMAEN的中断都被使能，手册中说，这两个中断只能使能1个.

l 从机能接收数据，但是接收的数据乱码
可能原因：
1. 主从机的时钟相位和极性的配置导致的，关于这一点想做一下说明，网上有人说，主从机时钟的相位和极性要配置的一样，也有人说不能配置的一样，而我对于主从机的相位和极性的16种组合情况全做了试验，结果如下：(主机LPC1114的SPI1从机STM32的SPI1)
（√表示能正常通信）
主
从
通信
CPOL
CPHA
CPOL
CPHA

0
0
0
0
√
0
0
0
1
乱码
（左移1位）
0
0
1
0
乱码
0
0
1
1
乱码

0
1
0
0
乱码
0
1
0
1
乱码
0
1
1
0
√
0
1
1
1
乱码

1
0
0
0
√
1
0
0
1
√
1
0
1
0
乱码
1
0
1
1
乱码

1
1
0
0
乱码
1
1
0
1
乱码
1
1
1
0
√
1
1
1
1
√
（当然可能上述的结果也跟测试环境有关，当对其有所怀疑时，读者不妨自己实验看一下。）
2. 乱码的第二个原因可能是两个设备没有共地而造成的，在出现问题时一定要先检查一下硬件的连接是否正确，是否有虚焊接触不好的地方而导致通讯不正常。

l 从机能接收数据，但接收的数据不全，又丢字节的现象发生。
可能原因：
1. 如果是通过串口打印来观察接收数据，那要看一下数据中是否有0，结合自己的串口函数分析一下，因为打印数组或者字符串时遇0会截止。
2. 看一下接收的数组中，其指针是否是递增的。
3. 如果使用了CS片选信号，看一下主机发出的数据是否都在CS拉低的范围内。