如何去实现基于STM32F103的SPI通信读写数据呢

1.前言

STM32的SPI外设可用作通讯的主机及从机，支持最高的SCK时钟频率为fpclk/2 (STM32F103型号的芯片默认 fpclk1为 36MHz，fpclk2为 72MHz)，完全支持 SPI协议的4种模式，数据帧长度可设置为8位或16位，可设置数据 MSB先行或 LSB 先行。它还支持双线全双工、双线单向以及单线模式。其中双线单向模式可以同时使用 MOSI及 MISO 数据线向一个方向传输数据，可以加快一倍的传输速度。而单线模式则可以减少硬件接线，当然这样速率会受到影响。

  备注：下面的介绍都是基于STM32F103平台。

2.SPI功能框图

  




通常SPI通过4个引脚与外部器件相连：

• MISO：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。
  
• MOSI：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。
  
• SCK：串口时钟，作为主设备的输出，从设备的输入
  
• NSS：从设备选择。这是一个可选的引脚，用来选择主/从设备。
  
  

STM32F103 SPI引脚总结：
[tr]引脚SPI1SPI2[/tr]

MOSI	PA7	PB15
MISO	PA6	PB14
SCK	PA5	PB13
NSS	PA4	PB12

其中SPI1是APB2上的设备，最高通信速率达36Mbits/s（72M/2）。 SPI2是APB1上的设备，最高通信速率达18Mbits/s（36M/2）。
  




3.初始化SPI接口

初始化SPI接口主要步骤：

• 初始化GPIO为SPI模式（Bsp_Spi_LowLevel_Init）；
  
• SPI_Direction设置为全双工模式SPI_Direction_2Lines_FullDuplex；
  
• SPI_Mode设置为Master模式SPI_Mode_Master;
  
• SPI_DataSize设置数据宽度为8Bit；
  
• SPI_CPOL和SPI_CPHA都设置为1，工作在模式3；（需要根据SPI Slave支持的模式来设置。）
  
• SPI_NSS设置为软件控制SPI_NSS_Soft，需要通信时软件直接操作IO电平。
  
• SPI_BaudRatePrescaler设置通信速率分频参数为16分频SPI_BaudRatePrescaler_16。（SPI_BaudRate = 72M / 16 = 4.5M，这个参数需要根据SPI Slave支持的最大速率来决定。）
  
• SPI_FirstBit设置为从高位开始传输SPI_FirstBit_MSB；
  
• 初始化SPI后并使能；
  
  

void Bsp_Spi_Init(void)
{
        SPI_InitTypeDef  SPI_InitStructure;


        Bsp_Spi_LowLevel_Init();


        /*!< Deselect the FLASH: Chip Select high */
        BMI160_CS_HIGH();


        /*!< SPI configuration */
        SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;
        SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;
        SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;
        SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High;
        SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge;
        SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;
        SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_16;


        SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;
        SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;
        SPI_Init(BMI160_SPI, &SPI_InitStructure);


        /*!< Enable the sFLASH_SPI  */
        SPI_Cmd(BMI160_SPI, ENABLE);
}
根据实际测试，传输速率为4.5M，与我们SPI初始化预想的值是一样的。





4.SPI通信读写数据

STM32使用 SPI外设通讯时，在通讯的不同阶段它会对“状态寄存器 SR”的不同数据位写入参数，我们通过读取这些寄存器标志来了解通讯状态。下图是“主模式”流程，即 STM32 作为 SPI 通讯的主机端时的数据收发过程。





主模式收发流程及事件说明如下：

• 控制 NSS信号线，产生起始信号(图中没有画出)；
  
• 把要发送的数据写入到“数据寄存器 DR”中，该数据会被存储到发送缓冲区；
  
• 通讯开始，SCK时钟开始运行。MOSI把发送缓冲区中的数据一位一位地传输出去；MISO 则把数据一位一位地存储进接收缓冲区中；
  
• 当发送完一帧数据的时候，“状态寄存器 SR”中的“TXE 标志位”会被置 1，表示传输完一帧，发送缓冲区已空；类似地，当接收完一帧数据的时候，“RXNE标志位”会被置 1，表示传输完一帧，接收缓冲区非空；
  
• 等待到“TXE标志位”为 1 时，若还要继续发送数据，则再次往“数据寄存器DR”写入数据即可；等待到“RXNE标志位”为 1时，通过读取“数据寄存器DR”可以获取接收缓冲区中的内容。
  
  

/**
* @brief  使用SPI读取一个字节的数据
* @param  读取数据的地址
* @retval 返回接收到的数据状态
*/
int8_t SPI_FLASH_ReadByte(uint8_t* pBuffer)
{
        SPITimeout = SPIT_FLAG_TIMEOUT;


        /* 等待接收缓冲区非空，RXNE事件 */
        while (SPI_I2S_GetFlagStatus(BMI160_SPI, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET)
        {
                if((SPITimeout--) == 0) return SPI_TIMEOUT_UserCallback(1);
        }


        /* 读取数据寄存器，获取接收缓冲区数据 */
        *pBuffer =SPI_I2S_ReceiveData(BMI160_SPI);


        return 0;
}


/**
  * @brief  使用SPI发送一个字节的数据
  * @param  byte：要发送的数据
  * @retval 返回接发送的数据状态
  */
int8_t SPI_FLASH_SendByte(uint8_t byte)
{
  SPITimeout = SPIT_FLAG_TIMEOUT;


  /* 等待发送缓冲区为空，TXE事件 */
  while (SPI_I2S_GetFlagStatus(BMI160_SPI, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET)
   {
    if((SPITimeout--) == 0) return SPI_TIMEOUT_UserCallback(0);
   }


  /* 写入数据寄存器，把要写入的数据写入发送缓冲区 */
  SPI_I2S_SendData(BMI160_SPI, byte);


  return 0;
}


/**
  * @brief  Writes block of data to the Slave.
  * @param  pBuffer: pointer to the buffer  containing the data to be written
  *         to the Slave.
  * @param  WriteAddr: Slave's internal address to write to.
  * @param  NumByteToWrite: number of bytes to write to the Slave.
  * @retval Communication result
  */
int8_t Bsp_Spi_WriteBuffer(uint8_t* pBuffer, uint32_t WriteAddr, uint16_t NumByteToWrite)
{
        int8_t ret;
        uint8_t tmpBuf;
       
        /*!< Select the Slave: Chip Select low */
        BMI160_CS_LOW();


        ret = SPI_FLASH_SendByte(WriteAddr);
        ret = SPI_FLASH_ReadByte(&tmpBuf);


        /*!< while there is data to be written on the Slave*/
        while (NumByteToWrite--)
        {
          /*!< Send the current byte */
          ret = SPI_FLASH_SendByte(*pBuffer);
          ret = SPI_FLASH_ReadByte(&tmpBuf);
          /*!< Point on the next byte to be written */
          pBuffer++;
        }
       
        /*!< Deselect the FLASH: Chip Select high */
        BMI160_CS_HIGH();


        return ret;
}


/**
  * @brief  Reads a block of data from the Slave.
  * @param  pBuffer: pointer to the buffer that receives the data read from the Slave.
  * @param  ReadAddr: Slave internal address to read from.
  * @param  NumByteToRead: number of bytes to read from the Slave.
  * @retval Communication result
  */
int8_t Bsp_Spi_ReadBuffer(uint8_t* pBuffer, uint32_t ReadAddr, uint16_t NumByteToRead)
{
        int8_t ret;
        uint8_t tmpBuf;


        /*!< Select the FLASH: Chip Select low */
        BMI160_CS_LOW();


        ret = SPI_FLASH_SendByte(ReadAddr);
        ret = SPI_FLASH_ReadByte(&tmpBuf);


        while (NumByteToRead--) /*!< while there is data to be read */
        {
                /*!< Read a byte from the FLASH */
                ret = SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);
                ret = SPI_FLASH_ReadByte(pBuffer);
                /*!< Point to the next location where the byte read will be saved */
                pBuffer++;
        }


        /*!< Deselect the FLASH: Chip Select high */
        BMI160_CS_HIGH();


        return ret;
}

  备注：其中SPI工作在全双工的模式：
  

• 在发送数据的同时会读取数据，主要目的是发送数据，读取的数据是为了清除状态位丢弃即可。
  
• 在读取数据的同时会发送数据，主要目的是读取数据，发送数据是为了清除状态位发送无效数据即可。
  
  

  这样的操作都是为了清除状态寄存器 SR对应的状态。

5.验证结果

移植SPI IMU BMI160后设备打印的log：

starting up!!!
BMI160 Init is successful!!!
rslt = 0, chip_id = 0xd1
BMI160 accel & gyro config is successful!!!
[accel] X = 1.11g/s, Y = 0.26g/s, Z = 9.95g/s
[gyro] X = 0.30°/s, Y = -0.24°/s, Z = -0.37°/s
[accel] X = 1.01g/s, Y = 0.17g/s, Z = 10.06g/s


下面是逻辑分析仪通信时抓取的数据（读取Chip ID的数据）：