【XNUCLEO-F030R8试用体验】之七：mbed开发之SPI
SPI是英语 Serial Peripheral interface 的缩写，译为串行外围设备接口，是 Motorola首先在其 MC68HCXX 系列处理器上定义的。SPI，是一种高速、全双工、同步的
通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为
PCB 的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片集成了这种通信。
SPI 接口使用4 条线通信：
MISO 主设备数据输入，从设备数据输出。
MOSI 主设备数据输出，从设备数据输入。
SCLK 时钟信号，由主设备产生。
CS 从设备片选信号，由主设备控制。
从图中可以看出，主机和从机都有一个串行移位寄存器，主机通过向它的SPI串行寄存器写入一个字节来发起一次传输。寄存器通过MOSI信号线将字节传送给从机，从机也将自己的移位寄存器中的内容通过MISO信号线返回给主机。这样，两个移位寄存器中的内容就被交换。外设的写操作和读操作是同步完成的。如果只进行写操作，主机只需忽略接收到的字节；反之，若主机要读取从机的一个字节，就必须发送一个空字节来引发从机的传输。
SPI模块为了和外设进行数据交换，根据外设工作要求，其输出串行同步时钟极性（ CPOL）和相位（ CPHA）可以进行配置。CPOL和CPHA分别取0或1，就构成了SPI通信的4种工作模式。如果CPOL=0，串行同步时钟的空闲状态为低电平；如果 CPOL=1，串行同步时钟的空闲状态为高电平。如果CPHA=0，在串行同步时钟的第一个跳变沿（上升或下降）数据被采样；如果 CPHA=1，在串行同步时钟的第二个跳变沿（上升或下降）数据被采样。 SPI 主模块和与之通信的外设备时钟相位和极性应该一致。
下图是4种工作模式的时序图：
关于SPI的知识大致就是这些，我们来看看mbed提供的库函数有哪些：
这里提供了两类函数库，一类是SPI，适用于SPI主机，另一类是SPISlave，适用于SPI从机。
SPI接口的器件很多，主要应用在EEPROM，FLASH，实时时钟，AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。为了使效果更明显，这里用8个数码管做显示，用SPI接口的MAX7219芯片驱动，显示数字。
MAX7219是串行输入/输出共阴极显示驱动器,它连接微处理器与8位数字的7段数字LED显示，也可以连接条线图显示器或者64个独立的LED。其上包括一个片上的B型BCD编码器、多路扫描回路，段字驱动器，而且还有一个8*8的静态RAM用来存储每一个数据。 只有一个外部寄存器用来设置各个LED的段电流。
模块的5个引脚分别为：VCC、GND、DIN（MOSI）、CS、SCLK，这里省去了MISO引脚，对于显示模块，一般来说仅有输出就够了。
MAX7219时序图：
从时序图中我们可以分析出，采用SPI通信接口与MAX7219芯片通信时，CPOL=0（串行同步时钟的空闲状态为低电平），CPHA=0，这点在编写程序时比较重要。
关于MAX7219的资料见附件，这里不再详细说明。简单介绍一下初始化步骤：
1. 设置解码模式，地址0x09，指令0xff（对0~7位数码都解码）
2. 设置亮度，地址0x0a，指令0x08。
3. 设定扫描控制，地址0x0b，指令0x07（扫描0~7位）。
4. 设定
电源模式，地址0x0c，指令0x01（正常显示模式）。
完成以上初始化步骤后，想在对应位置显示某个数字，只要向0x01~0x08位写入相应的数字就可以显示了。以下是一个简单的显示程序：
#include "mbed.h"
SPI max_7219(D11,D12,D13);
DigitalOut PIN_CS(D8);
DigitalOut myled(D2);
void max7219_init(void); //7219初始化函数
void max7219_write(int addr,int val); //7219写数据函数
charbuffer[]={0x05,0x02,0x00,0x01,0x03,0x01,0x04}; //显示的数字
char code[]={0x01,0x02,0x03,0x04,0x05,0x06,0x07,0x08}; //8个位的数据寄存器
int main()
{
max_7219.format(8,0);
max_7219.frequency(1000);
max7219_init();
int i,j=7;
for(i=0;i<8;i++)
{
max7219_write(code,buffer[j]|0x80);
j--;
//wait(1);
myled=!myled;
}
//while(1);
}
void max7219_write(int addr,int val)
{
PIN_CS = 0;
max_7219.write(addr);
max_7219.write(val);
PIN_CS = 1;
}
void max7219_init(void)
{
max7219_write(0x09,0xff); //解码模式
max7219_write(0x0a,0x08); //设置亮度
max7219_write(0x0b,0x07); //扫描控制
max7219_write(0x0c,0x01); //正常显示
//max7219_write(0x0f,0x00); //显示检测，可以省略
myled = 1;
}
这样的方式显示起来比较麻烦，我们可以尝试写一个库，把常用的功能用库函数的方式呈现出来，方便调用。下面的例子就用到了笔者自己编写的一个MAX7219的驱动库，它可以显示整数和浮点数，使用起来非常简单。现在我们写一个程序，用ADC采集电压，然后在数码管上显示。主程序很简单，如下：
#include "mbed.h"
#include "Smg_7219.h"
Serial pc1(USBTX,USBRX);
AnalogIn light(A0);
Smg_7219 my7219(D11,D12,D13,D8);
float value;
int main(void)
{
while(1)
{
value= light.read();
my7219.ShowFnum(value*3.3);
pc1.printf("value is %fn",value*3.3);
wait_ms(500);
}
}
这里包含了笔者编写的数码管驱动库Smg_7219.h，这里只实现了两个函数，一个用来显示整数void ShowNum(float num)，一个用来显示浮点数void ShowFnum(float num)，源代码会在附件里提供下载，感兴趣的读者可以自行扩充。程序思路很简单，采集A0口的电压，在数码管上显示电压值，同时在串口输出，每500ms采样一次。A0口采样的电压由光敏电阻和电阻分压得到。
下面是实验现象：
较强光照下电压为1.8V左右（采集的是光敏电阻和地之间的电压，下同）
强光下电压为0.87V左右
串口收到的数据
这里谈一点自己的体会吧，虽然这个库很简单，用户函数只有两个，但是在编写时花费的时间也有大半天，后面调试加上下载验证，功能改进等又过去了大半天，总耗时将近一天。实际上，这应该是笔者第一个用C++编写的驱动库（以前都是用C），虽然很艰难，但总归迈出了第一步。官方提供的库函数如DigitalInOut、AnalogIn等，用起来很简单，但是自己动手写一个简单的库却并不容易，学习得越深入，越感觉mbed确实非常好用和易用，大大简化了底层驱动，灵活性很强。另一方面，mbed的库仅仅提供了基础的功能，以
STM32的GPIO为例，根据官方库函数，其输出可以配置成不同的模式，如推挽输出、开漏输出、复用输出等，其输出还可设定输出速率以减小功耗。在mbed里就直接简化为输入和输出两种。同理，其他片上外设也做了简化。这是一种通过牺牲复杂的功能来换取易用性的尝试，可以说有得有失，这也是一种中庸之道吧。
下期将带来LCD1602液晶的讲解。
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