SPI协议代码

SPI协议代码软件模拟SPI程序代码概述:   通过两个MCU(STM32F103)来模拟SPI的主从机,完成主机发送从机接收,便于理解SPI协议。SPI协议简介●SPI接口介绍  SCK:时钟信号,由主设备产生,所以主设备SCK信号为输出模式,从设备的SCK信号为输入模式。  CS:使能信号,由主设备控制从设备,,所以主设备CS信号为输出模式,从设备的CS信号为输入模式。  MOSI:主设备数据输出,从设备数据输入,所以主设备MOSI信号为输出模式,从设备的MOSI信号为输入模式。  MISO:主设备数

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软件模拟SPI程序代码


概述:
   通过两个MCU(STM32F103)来模拟SPI的主从机,完成主机发送从机接收,便于理解SPI协议。

SPI协议简介

●SPI接口介绍

  SCK: 时钟信号,由主设备产生,所以主设备SCK信号为输出模式,从设备的SCK信号为输入模式。
  CS: 使能信号,由主设备控制从设备,,所以主设备CS信号为输出模式,从设备的CS信号为输入模式。
  MOSI: 主设备数据输出,从设备数据输入,所以主设备MOSI信号为输出模式,从设备的MOSI信号为输入模式。
  MISO: 主设备数据输入,从设备数据输出,所以主设备MISO信号为输入模式,从设备的MISO信号为输出模式。
  
SPI接口连接图
在这里插入图片描述
  注意:MOSI和MISO不能交叉连接(可以把主从机理解为一个整体系统,MOSI为系统主机发送从机接收的数据线,MISO为主机接收从机发送的数据线)。

●SPI数据传输方向

SPI作为全双工的的串行通信协议,数据传输时高位在前,低位在后。主机和从机公用由主机产生的SCK信号,所以在每个时钟周期内主机和从机有1bit的数据交换(因为MOSI和MISO数据线上的数据都是在时钟的边沿处被采样)。
  如下图:
 在这里插入图片描述
 SPI协议规定数据采样是在SCK的上升沿或下降沿时刻(由SPI模式决定,下面会说到),观察上图,在SCK的边沿处(上升沿或下降沿),主机会在MISO数据线上采样(接收来从机的数据),从机会在MOSI数据线上采样(接收来自主机的数据),所以每个时钟周期中会有一bit的数据交换。
 SPI数据交换

●SPI传输模式

SPI总线传输一共有4种模式,这4种模式分别由时钟极性(CPOL)和时钟相位(CPHA)来定义。
   在这里插入图片描述

CPOL CPHA
规定了SCK时钟信号空闲状态的电平 规定了数据是在SCK时钟的上升沿还是下降沿被采样
———– ————————————
模式0:CPOL=0,CPHA =0 SCK空闲为低电平,数据在SCK的上升沿被采样(提取数据)
模式1:CPOL=0,CPHA =1 SCK空闲为低电平,数据在SCK的下降沿被采样(提取数据)
模式2:CPOL=1,CPHA =0 SCK空闲为高电平,数据在SCK的下降沿被采样(提取数据)
模式3:CPOL=1,CPHA =1 SCK空闲为高电平,数据在SCK的上升沿被采样(提取数据)

以模式0为例:
SCK空闲为低电平,数据在SCK的上升沿被采样(提取数据),在SCK的下降沿切换数据线的数据。
在这里插入图片描述
  ◐在时钟的第1个上升沿(游标1处)(采样点)
  MOSI上数据为1,则在此边沿从机采样(提取)数据为1,采样点在MOSI数据线的中间。
  MISO上数据为0,则在此边沿主机采样(提取)数据为0,采样点在MISO数据线的中间。
  ◐在时钟的第1个下降沿(游标2处)(切换点)
  MOSI上数据由1切换为0,,数据在时钟下降沿时切换数据。
  MISO上数据由0切换为1,,数据在时钟下降沿时切换数据。
 ◐在时钟的第2~8个上升沿(采样点),主机在MISO上采样数据,从机在MOSI上采样数据。
 ◐在时钟的第2~8个下降沿(切换点),主机在MISO上切换数据,从机在MOSI上切换数据。

通过两个单片机模拟SPI来加深理解

利用了STM32F103VET6和STM32F103C8T6(身边只有这两块了)两款MUC。

※硬件连接方式

主机- STM32F103VET6 从机-STM32F103C8T6
(主机产生) SCK→ →SCK(从机被动)
(主机产生) CS→ →CS (从机被动)
(主机发送)MOSI → →MOSI (从机接收)
(主机接收) MISO ← ←MISO (从机发送)

●注意:MOSI连接MOSI,MISO连接MISO(不能像串口那样交叉连接)。

✯SPI模式

采用模式0(CPOL=0,CPHA =0):SCK空闲为低电平,数据在SCK的上升沿被采样(提取数据) ,在SCK的下降沿被切换。

✯程序思路

★主机拉低CS开始传输数据,在SCK上升沿之前保持MOSI上有稳定的数据输出(因为从机要在SCK的上升沿去采样(提取数据),所以主机在SCK上升沿之前要完成发送数据的放置)。
  ★从机在CS拉低后(CS有下降沿)开始数据的接收(在SCK的上升沿采集MOSI上的数据)。

✯主机C代码+波形

/*SPI发送函数*/
//时钟的上升沿采样数据,下降沿切换数据 先发送高位
void SPI_Write(uint8_t Data)
{ 
   
	uint8_t i=0;
	CS_L;	//片选拉低开始传输数据
	/*循环8次,发送8bit数据*/
	for(i=0;i<8;i++)	
	{ 
   
		
		/*切换数据*/
		if(Data&0x80)//通过8次循环移位,将一个字节的数据,由高到低一位一位的放置到数据线上
		{ 
   
			MOSI_H;
		}
		else
		{ 
   
			MOSI_L;
		}
		SCK_L;//产生下降沿,准备切换数据
		delay_us(1);//(可忽略,这里是因为接收时此单片机外部中断上升沿触发有时延,SCK太快无法准确提取数据)
		SCK_H;	//产生上升沿(从机在此上升沿时采集数据)
		Data <<= 1;
		
	}
	MOSI_L;
	SCK_L;
	CS_H;	//片选拉高等待下次数据传输
}
int main()
{ 
   
	int i=0,j=0;
	SysTick_init();
	SPI_GPIO_Config();
	while(1)
	{ 
   
		SPI_Write(0xA5);
	}
}

●注意:上面1us的延时[delay_us(1)]此处可以忽略,这里是因为接收时此单片机外部中断上升沿触发有时延,SCK太快无法准确提取数据,利用其他方式解析从机数据的请忽略。(详细了解请参考博文:STM32外部中断边沿触发存在延时问题)。
  ★代码解析:要了解代码思路,就要时刻记得我们采用SPI的是模式0(SCK空闲为低电平,数据在SCK的上升沿被采样(提取数据),下降沿被切换 ),所以1Byte数据放置完毕后,SCK要拉低,CS要拉高,MOSI要恢复默认电平,但是每Bit数据在SCK拉低时被放置到MOSI数据线(因为SCK上升沿前要确保稳定的数据(因为接收数据最好是在数据的中间采样),这样从机才可以在上升沿采样到正确的数据)。所谓放置数据,其实就是在每次SCK拉高之前对MOSI引脚赋值。比如我们发送的数据为0xA5(1010_0101)。
在这里插入图片描述
在上图中标号2处的下降沿处切换数据,上升沿之前保证了MOSI上(游标1)处有稳定的1bit数据(1),随后的7个上升沿也一样分析。
✯主机产生的波形
在这里插入图片描述)
  ★波形解析:通道1数据:SCK
        通道2数据:MOSI
        通道3数据:CS
   在上图中可以观察到整个数据的传输是在片选CS为低的时刻进行的。在SCK下降沿时主机对MOSI数据线上的数据进行了切换,在SCK上升沿之前完成了1bit数据的发送。完成1Byte数据的发送后,SC置高,CS置高,MOSI置低,为下一帧数据做准备。

✯从机C代码+波形

/*SPI接收数据*/
uint8_t SPI_Read()
{ 
   
	/*CS下降沿*/
	if(CS_Trigger_Falling == 1)
	{ 
   
		CS_Trigger_Falling = 0;
		/*SCK上升沿*/
		for(i=0;i<8;i++)
		{ 
   
			while(SCK_Trigger_Rising != 1);//等待上升沿
			SCK_Trigger_Rising = 0;
			Data_Rec<<=1;
			if(MOSI_State)//在SCK上升沿时提取数据
			{ 
   		
				Data_Rec ++;	
				Rec_Data1[i] = 1;	
			}
			else{ 
   }
		}
	}
	return Data_Rec;
}
int main()
{ 
   
	SysTick_init();
	SPI_GPIO_Config();
	EXTI_PB1_Config();
	EXTI_PA2_Config();
	while(1)
	{ 
   
	Get_Data = SPI_Read();

	}
}
/*外部中断0中断*/
void EXTI1_IRQHandler(void)//中断服务函数
{ 
   
	if(EXTI_GetITStatus(EXTI_Line1) != RESET )//reset为清零(!=reset等价于IT=1)
	{ 
   
	SCK_Trigger_Rising = 1;
	EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line1);
	}


}
void EXTI2_IRQHandler(void)//中断服务函数
{ 
   
	if(EXTI_GetITStatus(EXTI_Line2) != RESET )//reset为清零(!=reset等价于IT=1)
	{ 
   
	CS_Trigger_Falling = 1;
	EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line2);
	
	}


}

★代码解析:从机采用了外部中断的方式去采集CS的下降沿和SCK的上升沿(从机以CS下降沿为数据接收的开始,以SCK的上升沿作为每bit数据的采样点)。(★★★有好的方法欢迎指导)
  ●CS下降沿提取波形:图中紫色信号为CS下降沿点。
  在这里插入图片描述
  ●SCK上升沿提取波形:下图中紫色信号为SCK上升沿的提取(即从机接收MOSI数据线上的采样点)。
在这里插入图片描述
  ●提取数据(数据采样):紫色信号处(采样点)MOSI上的数据即为从机接收到的数据,仔细观察采样点几乎在稳定数据的中间点(因为之前所说的边沿检测存在延迟,所以采样点略微偏移中心点,参考链接STM32外部中断边沿触发存在延时问题)。
在这里插入图片描述
✯从机接收数据结果:0xA5
在这里插入图片描述

如有兴趣可查看类似的
IIC协议详解

★★★如有错误欢迎指导。

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