本文以平头哥开发板为基础RVB2601了2601的使用情况GPIO模拟SPI实现时序逻辑SPI协议按照特定温度传感器的时间顺序读取数据和示例程序
一、概述
SPI（SerialPeripheralInterface，串行外设界面)是一种全双工同步串行通信界面MCU与各种外围设备串行通信，最高通信速度为25MHz以上，SPI接口主要用于EEPROM、FLASH、实时时钟，网络控制器，OLED显示驱动器，AD转换器，数字信号处理器、数字信号解码器，温度传感器等设备之间。
如下图，RVB2601板载两个SPI接口，SPI0连接到W传输网络信息，SPI1连接到OLED，理论上用于数据显示，一个SPI多个设备可以挂在总线上，但如果每个设备的时间逻辑和时钟频率不一致，就会导致数据传输效率低、读写错误甚至死机。所以我借鉴Arduino软件模拟在开发板上SPI以平头哥为基础RVB2601开发板，通过GPIO连接外设，实现连接SPI接口的温度传感器，并读取数据。
二、SPI时序逻辑(参考)STM32软件模拟SPI读写Flash存储器）
SPI主设备输出和从设备输入通常由四条线组成（MasterOutputSlaveInput，MOSI），从设备输出（MasterInputSlaveOutput，MISO），一个时钟信号（SerialClock，SCLK），从设备中选择一个（ChipSelect，CS）。与I2C同样，协议相对简单，也可以使用GPIO模拟SPI时序。
SPI一个主机可以连接单个或多个从机，每个从机都使用一个引脚进行片选。物理连接示意图如图21所示.1.1和图21.1.2所示。
数据交换
在SCK在时钟周期的驱动下，MOSI和MISO同时，如图所示21.1.3可视为虚拟环形拓扑结构。
主机和从机都有移位寄存器，主机移位寄存器数据通过MOSI将数据写入从机移位寄存器，此时从机移位寄存器的数据也通过MISO传输给主机，实现两个移位寄存器的数据交换。主机和从机器同时发送和接收，就像一个环。
如果主机只写从机，主机只需要忽略接收到的从机数据。如果主机想读取从机数据，主机需要发送空数据来触发从机数据。
传输模式
SPI有四种传输方式，如表21.1.2主要区别在于CPOL和CPHA的不同。
CPOL（ClockPolarity，时钟极性)表示SCK空闲时间是高电平还是低电平。CPOL=0，SCK空闲时间是低电平，当CPOL=1，SCK空闲时间为高电平。
CPHA（ClockPhase，时钟相位)表示SCK在第几个时钟边缘采样数据。当CPHA=0，在SCK当第一个边缘采样数据时CPHA=1，在SCK第二个边缘采样数据。
如图21.1.4所示，CPHA=0时，表示在时钟第一时钟边缘采样数据。CPOL=1.即空闲时间为高电平，从高电平到低电平，第一时钟边缘(下降边缘)为采样。CPOL=0，即空闲时间为低电平，从低电平到高电平，第一时钟边缘(上升边缘)为采样。
如图21.1.5所示，CPHA=1时，表示时钟第二时钟边缘的采样数据。CPOL=1.即空闲时间为高电平，从高电平到低电平再到高电平，第二时钟边缘(上升边缘)为采样。CPOL=0，即空闲时间为低电平，从低电平到高电平再到低电平，第二时钟边缘(下降边缘)为采样。
三、传感器时序(参考)MAX6675使用笔记）
MAX6675是一种内置12位模数的精密热电偶数字转换器（ADC）。MAX数字控制器还包括冷端补偿检测和校正，SPI兼容接口以及相关的控制逻辑。MAX6675设计用于与外部微控制器或其他智能设备一起使用恒温、过程控制或监控应用。
1.温度转换
MAX6675包括信号调节硬件，可以将热电偶的信号转换为与ADC与输入通道兼容的电压。T 和T-输入连接到内部电路可以减少热电偶导线引入的噪声误差。
在将热电电压转换为等效温度值之前，必须补偿热电偶冷端（MAX6675环境温度°C虚拟基准之间的差异。对于K型热电偶，电压变为41μV/°C，以下线性方程可以近似
热电偶特性：
VOUT是热电偶输出电压（μV）。TR是远端热电偶结的温度（°C）。TAMB是环境温度（°C）。
2.冷端补偿
热电偶的功能是感应热电偶线两端之间的温差。热电偶的热端可读取0°C至 1023.75°C温度。冷端(安装MAX电路板的环境温度仅为-20°C至 85°C范围内的变化。当冷端温度波动时，MAX继续准确感应另一端的温差。
MAX6675利用冷端补偿来检测和校正环境温度的变化。该设备使用温度感应二极管将环境温度读数转换为电压。实际的热电偶温度测量，MAX来自热电偶输出和二极管电压检测的6675。装置内部电路将二极管的电压(环境温度感知)和热电偶电压(环境温度感知远端温度降低)传输到ADC存储在中间的转换函数计算热电偶的热端温度。当热电偶冷端和MAX当6675处于相同温度时，可以实现MAX最佳性能6675。避免在MAX加热设备或部件放置在6675附近，因为这可能会导致与冷端相关的错误。
3.数字化
ADC将冷端二极管的测量值与放大后的热电偶电压相加，读取12位结果SO全零序列表示热电偶读数为0°C。所有1的顺序表示热电偶读数为 1023.75°C。
4.串行接口
MAX6675与微控制器接口的典型电路。
数据通过串行串行接口传输CS任何转换过程任何转换过程都将立即停止SCK施加时钟信号读取SO处的结果，通过强制CS高电平启动新的转换过程。
完整的串行接口读取需要16个时钟周期，16个输出位沿着时钟下降，第一位D15是伪符号位，总是0，D14–D3位包含从MSB到LSB当热电偶输入断开时，转换温度，D两位通常是低电平，变成高电平，D为低电平，为MAX6675提供器件ID，D0为三态，图1a是串行接口协议，2是SO输出。
四、程序设计
基于LEDDemo新项目，项目文件夹app\include新增文件soft_spi.h”，定义SPI大端传输所涉及的数据变量MSBFIRST，时钟电平延迟SOFTSPI_CLOCK_DIV2（本例以1us延迟为基准，获得相应的脉冲宽度，其最小值已经超过MAX6675要求的100ns，用于传输速度低的场合，但如果用于显示屏，可能会出现刷新缓慢、堵塞的现象。如果要求高，建议使用硬件SPI），采用传输方式SOFTSPI_MODE2，SPI接口引脚PA7、PA25、PA4，其中MISO（PA7)输入引脚，其他都是输出引脚。
初始化函数spi_pinmux_init()，工作模式setDataMode(uint8_t)，传输函数transfer16(uint16_tdata)，读取温度值read_temp(uint16_tdata)。
#ifndef__SOFTSPI_H_ #define__SOFTSPI_H_ //#include"stdint.h" #include<stdio.h> #include<string.h> #include"drv/gpio_pin.h" #include<drv/pin.h> #ifndefLSBFIRST #defineLSBFIRST0 #endif #ifndefMSBFIRST #defineMSBFIRST1 #endif #defineSOFTSPI_MODE00x00 #defineSOFTSPI_MODE10x04 #defineSOFTSPI_MODE20x08 #defineSOFTSPI_MODE30x0C #defineSOFTSPI_MISOPA7 #defineSOFTSPI_MOSIPA25 #defineSOFTSPI_SCKPA4 voidwait(uint32_tdel); voidspi_pinmux_init(); voidsetBitOrder(uint8_t); voidsetDataMode(uint8_t); uint8_ttransfer(uint8_t); uint16_ttransfer16(uint16_tdata); uint16_tread_temp(uint16_tdata); #endif在项目文件夹中app\src中新增源文件sot_spi.c”
#include "app_config.h"
#include "soft_spi.h"
#ifdef CONFIG_SOFT_SPI_MODE
csi_gpio_pin_t _miso;
csi_gpio_pin_t _mosi;
csi_gpio_pin_t _sck;
uint8_t _CPOL; //CPOL Clock Polarity，时钟极性
uint8_t _CPHA; //CPHA Clock Phase，时钟相位
uint8_t _delay;
uint8_t _order;
void spi_pinmux_init()
{
//按照SOFTSOFTSPI_MODE2 进行初始化
csi_pin_set_mux(PA7, PIN_FUNC_GPIO);
csi_pin_set_mux(PA25, PIN_FUNC_GPIO);
csi_pin_set_mux(PA4, PIN_FUNC_GPIO);
csi_gpio_pin_init(&_miso, PA7);
csi_gpio_pin_dir(&_miso, GPIO_DIRECTION_INPUT);
csi_gpio_pin_init(&_mosi, PA25);
csi_gpio_pin_dir(&_mosi, GPIO_DIRECTION_OUTPUT);
csi_gpio_pin_init(&_sck, PA4);
csi_gpio_pin_dir(&_sck, GPIO_DIRECTION_OUTPUT);
_CPHA = 0;
_CPOL = 1;
_delay = 2;
_order = MSBFIRST;
}
void setBitOrder(uint8_t order) {
_order = order & 1;
}
void setDataMode(uint8_t mode) {
//CPOL（Clock Polarity，时钟极性）表示SCK在空闲时为高电平还是低电平。当CPOL=0，SCK空闲时为低电平，当CPOL=1，SCK空闲时为高电平。
//CPHA（Clock Phase，时钟相位）表示SCK在第几个时钟边缘采样数据。当CPHA=0，在SCK第一个边沿采样数据，当CPHA=1，在SCK第二个边沿采样数据。
switch (mode) {
case SOFTSPI_MODE0:
_CPOL = 0; //CPOL
_CPHA = 0; //CPHA
break;
case SOFTSPI_MODE1:
_CPOL = 0;
_CPHA = 1;
break;
case SOFTSPI_MODE2:
_CPOL = 1;
_CPHA = 0;
break;
case SOFTSPI_MODE3:
_CPOL = 1;
_CPHA = 1;
break;
}
csi_gpio_pin_write(&_sck, _CPOL ? GPIO_PIN_HIGH : GPIO_PIN_LOW);
}
void wait(uint32_t dl) {
for (uint32_t i = 0; i < dl; i++) {
udelay(dl);
}
}
uint8_t transfer(uint8_t val) {
uint8_t out = 0;
if (_order == MSBFIRST) {
uint8_t v2 =
((val & 0x01) << 7) |
((val & 0x02) << 5) |
((val & 0x04) << 3) |
((val & 0x08) << 1) |
((val & 0x10) >> 1) |
((val & 0x20) >> 3) |
((val & 0x40) >> 5) |
((val & 0x80) >> 7);
val = v2;
}
uint8_t del = _delay >> 1;
uint8_t bval = 0;
//
// CPOL := 0, CPHA := 0 => INIT = 0, PRE = Z|0, MID = 1, POST = 0
// CPOL := 1, CPHA := 0 => INIT = 1, PRE = Z|1, MID = 0, POST = 1
// CPOL := 0, CPHA := 1 => INIT = 0, PRE = 1 , MID = 0, POST = Z|0
// CPOL := 1, CPHA := 1 => INIT = 1, PRE = 0 , MID = 1, POST = Z|1
//
csi_gpio_pin_state_t sck = (_CPOL) ? GPIO_PIN_HIGH : GPIO_PIN_LOW;
for (uint8_t bit = 0u; bit < 8u; bit++)
{
if (_CPHA) {
sck ^= GPIO_PIN_HIGH;
csi_gpio_pin_write(&_sck, sck);
wait(del);
}
// ... Write bit
csi_gpio_pin_write(&_mosi, ((val & (1<<bit)) ? GPIO_PIN_HIGH : GPIO_PIN_LOW));
wait(del);
sck ^= 1u;
csi_gpio_pin_write(&_sck, sck);
// ... Read bit
{
bval = csi_gpio_pin_read(&_miso);
if (_order == MSBFIRST) {
out <<= 1;
out |= bval;
} else {
out >>= 1;
out |= bval << 7;
}
}
wait(del);
if (!_CPHA) {
sck ^= 1u;
csi_gpio_pin_write(&_sck, sck);
}
}
return out;
}
uint16_t transfer16(uint16_t data)
{
union {
uint16_t val;
struct {
uint8_t lsb;
uint8_t msb;
};
} in, out;
in.val = data;
if ( _order == MSBFIRST ) {
out.msb = transfer(in.msb);
out.lsb = transfer(in.lsb);
} else {
out.lsb = transfer(in.lsb);
out.msb = transfer(in.msb);
}
return out.val;
}
uint16_t read_temp(uint16_t data)
{
uint16_t temp,temp0;
temp0 = transfer16(data);
temp0 = temp0 >> 3;
temp =temp0 *0.25;
return temp;
}
#endif五、测试程序
在main函数中添加测试代码，开发板上短接J3:3、5引脚，
#include "soft_spi.h"
spi_pinmux_init();
uint32_t t0;
while (1)
{
t0 = transfer16(0xffff);
printf("transfer16 test:%d\n\r",t0);
printf("temprature:%d\n\r",read_temp(0x7fff));
}测试效果图：