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RVMCU课堂「15」: 手把手教你玩转RVSTAR—SPI总线通信篇

发表于 2021-05-13 17:38:35
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SPI是一种同步、高速、全双工的通信总线,全称为Serial Peripheral Interface(串行外设接口),由Motorola公司提出。在嵌入式系统设计时,常使用SPI接口连接一些传感器、外接存储器或通信模组,本期内容将通过RV-STARArduino UNO间的SPI通信例程,带领大家了解SPI的应用方法。


系统环境

Windows 10-64bit


软件平台

NucleiStudio IDE 202102版

CoolTerm


硬件需求

RV-STAR开发板

Arduino UNO开发板






SPI原理简介


​SPI是一种主从式的总线通信,通常是“一主一从”或“一主多从”,但如果能保证系统中任意时刻只有一个处于激活状态的主设备,也可以通过时分实现一条总线上有多个主设备。

标准的SPI需要四根信号线

    SS(Slave Select):从设备选择,也称片选,主机通过拉低从机的片选信号选择从机

      SCK(Serial Clock):传输时钟的信号线,时钟信号由主机产生,类似于I2C的SCL

        MOSI(Master Out Slave In):主设备输出,从设备输入,由主机向从机发送数据的通道

          MISO(Master In Slave Out):主设备输入,从设备输出,由从机向主机发送数据的通道



          SPI的工作基于移位寄存器:为实现数据传输或数据接收,主设备和从设备包含了专用的移位寄存器,通常是8位或16位。工作过程就像一个环形传送带:由主机逐位将数据放在传送带上,并驱动传送带将数据传送到从机,同时从机也会同步地逐位将数据传送给主机。






          GD32VF103的SPI模块


          GD32VF103的SPI接口模块提供了基于SPI协议的数据发送和接收功能,可以工作于主机或从机模式,同时具有硬件CRC计算和校验的全双工及半双工模式



          SPI模块的主要特征


          1. 支持全双工和半双工的主从操作
          2. 16位宽度,独立的发送和接收缓冲区
          3. 8位或16位数据帧格式
          4. 低位在前或高位在前的数据位顺序
          5. 软件和硬件NSS管理
          6. 硬件CRC计算、发送和校验
          7. 发送和接收支持DMA模式
          8. 支持SPI TI模式
          9. 支持SPI NSS脉冲模式

          10. 更多有关信息可以查阅《GD32VF103中文用户手册》





          实验部分


          实验部分我们将实现一个简单的SPI通信过程:字符串数据由主机(RV-STAR)生成,并通过SPI接口发送到从机(Arduino UNO),然后从机再将字符串数据通过串口打印输出到PC主机上。

          由于我们采用的是“一主一从”的通信模式,不需要进行片选,因此可以省去SS线的连接(但一定要共地线),这样也可以同时简化部分代码,可以参考如下方式将两个开发板进行连线:

          然后需要分别创建工程并编写代码,RV-STAR的工程创建相信读者们已经很熟悉了,Arduino的话,可用Arduino IDE进行开发。

          RV-STAR 作为 SPI 主机,在传输数据前需要对 SPI 外设进行配置:首先使能外设时钟,然后初始化输出端口,SCK 和 MOSI 引脚初始化为推挽输出模式,MOSI需要初始化为浮空输入模式;然后创建一个 SPI 初始化结构体并进行配置,其中,需要设置时钟极性为低、在第一个跳变沿处理数据(即 SPI_CK_PL_LOW_PH_1EDGE),这是为了和Arduino的SPI默认配置保持一致,另外由于Arduino本身的时钟速率较低,SPI速率不宜过高,因此这里分频系数设置为128,配置部分的完整代码如下:


          void spi_config()
          {
              rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOA);
              rcu_periph_clock_enable(RCU_AF);
              rcu_periph_clock_enable(RCU_SPI0);

              /* configure SPI0 GPIO : SCK/PA5, MISO/PA6, MOSI/PA7 */
              gpio_init(GPIOA, GPIO_MODE_AF_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_5 | GPIO_PIN_7);
              gpio_init(GPIOA, GPIO_MODE_IN_FLOATING, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_6);

              spi_parameter_struct spi_init_struct;
              /* deinitialize SPI and the parameters */
              spi_i2s_deinit(SPI0);
              
              spi_struct_para_init(&spi_init_struct);
              /* configure SPI0 parameters */
              spi_init_struct.trans_mode = SPI_TRANSMODE_FULLDUPLEX;
              spi_init_struct.device_mode = SPI_MASTER;
              spi_init_struct.frame_size = SPI_FRAMESIZE_8BIT;
              spi_init_struct.clock_polarity_phase = SPI_CK_PL_LOW_PH_1EDGE;
              spi_init_struct.nss = SPI_NSS_SOFT;
              spi_init_struct.prescale = SPI_PSC_128;
              spi_init_struct.endian = SPI_ENDIAN_MSB;
              spi_init(SPI0, &spi_init_struct);
          }

          配置完成后,主函数部分就比较简单了,主要是调用刚刚编写好的SPI配置函数和使能函数,然后在循环体中使用 spi_i2s_data_transmit() 发送字节流,需要注意的是需要通过 TBE 和 RBNE 两个寄存器来判断每个字节发送完成后,再发送下一个字节。

          注意:当连接多个从机时,每次发送或接收数据前后,需要通过软件控制NSS拉低和拉高以选择从机,并且可以使用普通的GPIO端口作为片选引脚。


          int main()
          {
              /* configure SPI */
              spi_config();
              /* SPI enable */
              spi_enable(SPI0);

              while (1)
              {
                  char c;
                  for (const char *p = "Hello World\n\r"; c = *p; p++)
                  {
                      while(RESET == spi_i2s_flag_get(SPI0, SPI_FLAG_TBE));
                      spi_i2s_data_transmit(SPI0, c);
                      while(RESET == spi_i2s_flag_get(SPI0, SPI_FLAG_RBNE));
                  }
                  delay_1ms(2000);
              }
          }

          Arduino作为从机,首先需要初始化SPI外设并使能中断(由于Arduino的SS引脚默认拉低,即从机传输状态,因此不需要进行额外的配置),在SPI的中断服务程序中接收主机发送的数据,在每次接收完成后(通过'\r'来判断),在主循环中通过串口打印出来,其代码如下:


          /* UNO_SPI_SLAVE.cpp */
          #include "Arduino.h"
          #include "SPI.h"

          char buff[64];
          volatile byte index = 0;
          volatile boolean process = false;

          void setup() {
            Serial.begin(115200);
            pinMode(MISO, OUTPUT);
            SPCR |= _BV(SPE); // turn on SPI in Slave mode
            SPI.attachInterrupt();
          }

          void loop() {
            if(process) {
              process = false;
              Serial.println(buff);
            }
          }

          ISR(SPI_STC_vect) {
            byte c = SPDR; // read byte form SPI Data Register
            if(index < sizeof(buff)) {
              buff[index++] = c;
              if(c == '\r') {
                index = 0;
                process = true;
              }
            }
          }


          将RV-STAR和Arduino的工程代码各自编译并上传后,保持ArduinoPC的连接



          然后使用CoolTerm打开Arduino对应的串行端口(CoolTerm的用法可以参考往期文章),可以在终端中观察到不断打印出的Hello World消息,参见下图:



          说明Arduino成功通过SPI接受到了发自RV-STAR的数据,并且通过串口打印了出来。

          源码获取请参考


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