STM32應用開發進階--SPI總線（7腳OLED中景園ss1306+HAL庫_硬件SPI/軟件模擬SPI)

實現目標

1、掌握SPI總線基礎知識；

2、會使用軟件模擬SPI總線和STM32硬件SPI總線；

3、?學會STM32CubeMX軟件關于SPI的配置;

4、掌握OLED顯示屏驅動；

5、具體目標：（1）用STM32硬件SPI驅動OLED顯示“你好哇，王小波！”；(2)用軟件模擬SPI總線驅動OLED顯示“你好哇，王小波！”（只提供代碼）。

一、SPI概述

1.1 SPI簡介

????????SPI是串行外設接口（Serial Peripheral Interface）的縮寫，是美國摩托羅拉公司（Motorola）最先推出的一種同步串行傳輸規范，也是一種單片機外設芯片串行擴展接口，是一種高速、全雙工、同步通信總線。它被廣泛地使用在 ADC、LCD 等設備與 MCU 間，要求通訊速率較高的場合。

????????SPI有主、從兩種模式（一主一從，一主多從），通常由一個主模塊和一個或多個從模塊組成（SPI不支持多主機），主模塊選擇一個從模塊進行同步通信，從而完成數據的交換。提供時鐘的為主設備（Master），接收時鐘的設備為從設備（Slave），SPI接口的讀寫操作，都是由主設備發起，當存在多個從設備時，通過各自的片選信號進行管理。

?

1.2 SPI通信原理

SPI總線通信原理很簡單，需要至少4根線，單向傳輸時3根線，它們是MISO（主設備數據輸入）、MOSI（主設備數據輸出）、SCLK（時鐘）和CS/SS（片選）：

MOSI（Master Out Slave In）：主設備 --->從設備（主設備發送，從設備接收）
MISO（Master In Slave Out）：從設備 --->主設備（主設備接收，從設備發送）
SCLK（Serial Clock）：傳輸時鐘信號，用于主從設備的同步
CS? ? ? (chip select）：片選信號，用于選擇從設備

SPI主機與從機通訊實際上時兩者的移位寄存器交換數據的過程，在時鐘信號SCL的推動下，主機發送一位，從機也發送一位，兩者互換數據，交換8次之后，便完成了一個字節的傳輸。

?

SPI數據通信的流程可以分為以下幾步：

1、主設備發起信號，將CS/SS拉低，啟動通信。

2、主設備通過發送時鐘信號，來告訴從設備進行寫數據或者讀數據操作（采集時機可能是時鐘信號的上升沿（從低到高）或下降沿（從高到低），因為SPI有四種模式，后面會講到），它將立即讀取數據線上的信號，這樣就得到了一位數據（1bit）。

3、主機（Master）將要發送的數據寫到發送數據緩存區（Menory），緩存區經過移位寄存器（緩存長度不一定，看單片機配置），串行移位寄存器通過MOSI信號線將字節一位一位的移出去傳送給從機，同時MISO接口接收到的數據經過移位寄存器一位一位的移到接收緩存區。

4、從機（Slave）也將自己的串行移位寄存器（緩存長度不一定，看單片機配置）中的內容通過MISO信號線返回給主機。同時通過MOSI信號線接收主機發送的數據，這樣，兩個移位寄存器中的內容就被交換。

例如，下圖示例中簡單模擬SPI通信流程，主機拉低NSS片選信號，啟動通信，并且產生時鐘信號，上升沿觸發邊沿信號，主機在MOSI線路一位一位發送數據0X53，在MISO線路一位一位接收數據0X46，如下圖所示：

????????說明：SPI只有主模式和從模式之分，沒有讀和寫的說法，外設的寫操作和讀操作是同步完成的。若只進行寫操作，主機只需忽略接收到的字節（虛擬數據）；反之，若主機要讀取從機的一個字節，就必須發送一個空字節來引發從機的傳輸。也就是說，你發一個數據必然會收到一個數據；你要收一個數據必須也要先發一個數據

1.3 通信特性

1.3.1、設備選擇
????????SPI是單主設備（Single Master）通信協議，只有一支主設備能發起通信，當SPI主設備想讀/寫從設備時，它首先拉低從設備對應的SS線（SS是低電平有效）。接著開始發送工作脈沖到時鐘線上，在相應的脈沖時間上，主設備把信號發到MOSI實現“寫”，同時可對MISO采樣而實現“讀”。如下圖所示：

1.3.2、設備時鐘

SPI時鐘特點主要包括：時鐘速率、時鐘極性和時鐘相位三方面。

(1) 時鐘速率
????????SPI總線上的主設備必須在通信開始時候配置并生成相應的時鐘信號。從理論上講，只要實際可行，時鐘速率就可以是你想要的任何速率，當然這個速率受限于每個系統能提供多大的系統時鐘頻率，以及最大的SPI傳輸速率。

(2)時鐘極性
????????根據硬件制造商的命名規則不同，時鐘極性通常寫為CKP或CPOL。時鐘極性和相位共同決定讀取數據的方式，比如信號上升沿讀取數據還是信號下降沿讀取數據。

????????CKP可以配置為1或0。這意味著你可以根據需要將時鐘的默認狀態（IDLE）設置為高或低。極性反轉可以通過簡單的邏輯逆變器實現。你必須參考設備的數據手冊才能正確設置CKP和CKE。

CKP = 0：時鐘空閑IDLE為低電平 0；
CKP = 1：時鐘空閑IDLE為高電平1。
(3)時鐘相位
????????根據硬件制造商的不同，時鐘相位通常寫為CKE或CPHA。顧名思義，時鐘相位/邊沿，也就是采集數據時是在時鐘信號的具體相位或者邊沿；

CKE = 0：在時鐘信號SCK的第一個跳變沿采樣；
CKE = 1：在時鐘信號SCK的第二個跳變沿采樣。

1.3.3? SPI的四種模式

????????根據SPI的時鐘極性和時鐘相位特性可以設置4種不同的SPI通信操作模式，它們的區別是定義了在時鐘脈沖的哪條邊沿轉換（toggles）輸出信號，哪條邊沿采樣輸入信號，還有時鐘脈沖的穩定電平值（就是時鐘信號無效時是高還是低），詳情如下所示：

? ? ? ? ? ? CPOL=0? ? ? ? ? ? CPOL=1
CPHA=0空閑態時，SCK處于低電平，數據采樣是在第1個邊沿，也就是SCK由低電平到高電平的跳變，所以數據采樣是在上升沿（準備數據），（發送數據）數據發送是在下降沿。當空閑態時，SCK處于低電平，數據發送是在第2個邊沿，也就是SCK由低電平到高電平的跳變，所以數據采樣是在下降沿，數據發送是在上升沿。
CPHA=1當空閑態時，SCK處于高電平，數據采集是在第1個邊沿，也就是SCK由高電平到低電平的跳變，所以數據采集是在下降沿，數據發送是在上升沿。當空閑態時，SCK處于高電平，數據發送是在第2個邊沿，也就是SCK由高電平到低電平的跳變，所以數據采集是在上升沿，數據發送是在下降沿。

(1)相位(CPHA)：表示時鐘線空閑時的狀態；
(2)極性(CPOL)：表示設備從數據線采樣的時刻；

(3)四種模式編號：[00]:Mode0 、[01]:Mode1、[10]:Mode2??、[11]:Mode3?

黑線為采樣數據的時刻，藍線為SCK時鐘信號

舉個例子，下圖是SPI Mode0讀/寫時序，可以看出SCK空閑狀態為低電平，主機數據在第一個跳變沿被從機采樣，數據輸出同理。

下圖是SPI Mode3讀/寫時序，SCK空閑狀態為高電平，主機數據在第二個跳變沿被從機采樣，數據輸出同理。

1.4、多從機模式

多從機模式有兩種：多片選和菊花鏈片選

1.4.1多片選

通常，每個從機都需要一條單獨的SS線。如果要和特定的從機進行通訊，可以將相應的NSS信號線拉低，并保持其他SS信號線的狀態為高電平；如果同時將兩個SS信號線拉低，則可能會出現亂碼，因為從機可能都試圖在同一條MISO線上傳輸數據，最終導致接收數據亂碼。

1.4.2菊花鏈片選

菊花鏈的最大缺點是信號串行傳輸，一旦數據鏈路中的某設備發生故障的時候，它下面優先級較低的設備就不可能得到服務了。另一方面，距離主機越遠的從機，獲得服務的優先級越低，所以需要安排好從機的優先級，并且設置總線檢測器，如果某個從機超時，則對該從機進行短路，防止單個從機損壞造成整個鏈路崩潰的情況。

1.5 SPI優缺點

1.5.1 優點

  • 高速數據傳輸速率；
  • 沒有像I2C這樣復雜的從設備尋址系統；
  • 分離的MISO和MOSI信號線，全雙工通信；
  • 極其靈活的數據傳輸，不限于8位，它可以是任意大小的字；
  • 非常簡單的硬件結構。從站不需要唯一地址（與I2C不同）。從機使用主機時鐘，不需要精密時鐘振蕩器/晶振（與UART不同）。不需要收發器（與CAN不同）。

1.5.2 缺點

  • 使用四根信號線（I2C和UART使用兩根信號線）；
  • 無法確認是否已成功接收數據（I2C擁有此功能）；
  • 沒有任何形式的錯誤檢查，如UART中的奇偶校驗位；
  • 只允許一個主設備；
  • 沒有硬件從機應答信號（主機可能在不知情的情況下無處發送）；
  • 沒有定義硬件級別的錯誤檢查協議；
  • 與RS-232和CAN總線相比，只能支持非常短的距離；

二、STM32的SPI總線

2.1 STM32 的SPI

1.STM32內部集成了硬件SPI收發電路，可以由硬件自動執行時鐘生成、數據收發等功能，減輕CPU的負擔
2.可配置8位/16位數據幀、高位先行/低位先行
3.時鐘頻率： fPCLK / (2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256)
4.支持多主機模型、主或從操作
5.可精簡為半雙工/單工通信
6.支持DMA
7.兼容I2S協議

2.2 STM32? SPI框圖

2.3 SPI外設對應的引腳

不同型號的芯片基本都有3個SPI外設，其中SPI2,SPI3支持I2S通信因為I2S與SPI協議類似，所以他們共用一套邏輯就是上面的SPI框圖。

三、OLED概述

3.1OLED簡介

????????OLED，即有機發光二極管（Organic Light-Emitting Diode），又稱為有機電激光顯示（Organic Electroluminesence Display， OELD）。OLED由于同時具備自發光，不需背光源、對比度高、厚度薄、視角廣、反應速度快、可用于撓曲性面板、使用溫度范圍廣、構造及制程較簡單等優異之特性，被認為是下一代的平面顯示器新興應用技術。
? ? ? ? OLED顯示技術具有自發光的特性，采用非常薄的有機材料涂層和玻璃基板，當有電流通過時，這些有機材料就會發光，而且OLED顯示屏幕可視角度大，并且能夠節省電能，從2003年開始這種顯示設備在MP3播放器上得到了應用。
? ? ? ? LCD都需要背光，而OLED不需要，因為它是自發光的。這樣同樣的顯示，OLED效果要來得好一些。以目前的技術，OLED的尺寸還難以大型化，但是分辨率確可以做到很高。

7針OLED引腳
1.GND -- 電源地，接在板子上任意GND的引腳

2.VCC -- 電源正（3.3V~5V)接在板子上任意VCC引腳

3.D0 -- 對應的是時鐘線（SCK或者SCLK）

4.D1 -- 對應的是數據線，也就是 MISO (主入從出) 或者 MOSI（主出從入）

5.RES -- 復位線，最開始是低電平，先拉低再拉高，可選擇任意空IO口

6.DC -- 數據/命令控制線，高電平為1是數據線，低電平為0是命令線，可選擇任意空IO口

7.CS -- 片選信號線，低電平有效，不用可以接地，用來選擇從機的

四、原理圖設計

五、STM32CubeMX 配置

5.1.SPI 配置（D0、D1）

（1）Mode： 模式
Full-Duplex Master 主機全雙工模式
Full-Duplex Slave 從機全雙工模式
Half-Duplex Master 主機半雙工模式
Half-Duplex Slave 從機半雙工模式
Receive Only Master 只接收主機模式
Receive Only Slave 只接收從機模式
Transmit Only Master 只發送從機模式? ?

（2）硬件NSS信號

  • 不使能
  • NSS輸入信號
  • NSS輸出信號

如果片選引腳沒有連接硬件NSS信號，則需要選擇軟件片選

（3）基本參數

Frame Format幀格式：Motorola摩托羅拉 或 TI
Data size數據大小：8位 或 16位
First Bit：MSB/LSB先行
（4）時鐘參數

波特率分配因子：

CPOL時鐘極性：low or high
CPHA時鐘相位：1 edge or 2 edge
（5）高級參數

CRC循環校驗：使能/失能
NSS信號類型：軟件

?5.2 其他管腳配置（RES、CS、DC）

PA1、PA4、PA6，配置為普通IO口，gpio_output

六、取模軟件的應用（PCtoLCD2002完美版）

1. 打開軟件，模式為（字符模式）

2.?點擊菜單欄【選項】，打開字模選項

3.勾選【陰碼點陣】、逐行式取模、逆向、C51格式。

4.輸入“你好哇，王小波！”，進行取模。

軟件下載地址：https://wwe.lanzoui.com/iIBEzs77lcf?

七、程序設計

7.1修改驅動函數

中景園官方驅動代碼（標準庫）：https://download.csdn.net/download/luojuan198780/89319982

將中景園原版的?OLED_WR_Byte函數內容修改為含SPI發送函數：HAL_SPI_Transmit，兩個函數如下：

//中景園原版
void OLED_WR_Byte(uint8_t dat,uint8_t cmd)
{	u8 i;			  if(cmd)OLED_DC_Set();else OLED_DC_Clr();		  OLED_CS_Clr();for(i=0;i<8;i++){			  OLED_SCL_Clr();if(dat&0x80)OLED_SDA_Set();else OLED_SDA_Clr();OLED_SCL_Set();dat<<=1;   }				 		  OLED_CS_Set();OLED_DC_Set(); }//修改后帶HAL_SPI_Transmit的函數
void OLED_WR_Byte(uint8_t dat,uint8_t cmd)
{	uint8_t *data = &dat;		  if(cmd)OLED_DC_Set();elseOLED_DC_Clr();OLED_CS_Clr();HAL_SPI_Transmit(&hspi1, (uint8_t *)data, 1, 200); OLED_CS_Set();OLED_DC_Set();	
}

7.2修改 SPI的其它管腳

打開oled.h文件將CS? DC RES? 標準庫置高置低函數修改為HAL庫函數

#define OLED_CS_Clr() HAL_GPIO_WritePin(CS_GPIO_Port,CS_Pin,GPIO_PIN_RESET)//RES
#define OLED_CS_Set() HAL_GPIO_WritePin(CS_GPIO_Port,CS_Pin,GPIO_PIN_SET)#define OLED_DC_Clr() HAL_GPIO_WritePin(DC_GPIO_Port,DC_Pin,GPIO_PIN_RESET)//DC
#define OLED_DC_Set() HAL_GPIO_WritePin(DC_GPIO_Port,DC_Pin,GPIO_PIN_SET)#define OLED_RES_Clr() HAL_GPIO_WritePin(RES_GPIO_Port,RES_Pin,GPIO_PIN_RESET)//RES
#define OLED_RES_Set() HAL_GPIO_WritePin(RES_GPIO_Port,RES_Pin,GPIO_PIN_SET)

7.3 增加? u8/u16/u32??,并包含各個頭文件

標準庫是u8/u16/u32，HAL庫是uint8_t/uint16_t/uint32_t .可以用下面方法實現轉化，也可以直接ctr+h? 替換。

typedef uint32_t  u32;
typedef uint16_t u16;
typedef uint8_t  u8;

7.4 添加中文字庫

? ?在oledfont.h文件的? Hzk1[][32]={} 數組中添加下列“你好哇，王小波！”字模

{0x00,0x80,0x60,0xF8,0x07,0x40,0x20,0x18,0x0F,0x08,0xC8,0x08,0x08,0x28,0x18,0x00,0x01,0x00,0x00,0xFF,0x00,0x10,0x0C,0x03,0x40,0x80,0x7F,0x00,0x01,0x06,0x18,0x00},/*"你",11*/
{0x10,0x10,0xF0,0x1F,0x10,0xF0,0x00,0x80,0x82,0x82,0xE2,0x92,0x8A,0x86,0x80,0x00,0x40,0x22,0x15,0x08,0x16,0x61,0x00,0x00,0x40,0x80,0x7F,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00},/*"好",12*/
{0x00,0xFC,0x04,0x04,0xFC,0x00,0x40,0x44,0x44,0x44,0x7F,0x44,0x44,0x44,0x40,0x00,0x00,0x0F,0x04,0x04,0x0F,0x00,0x40,0x44,0x44,0x44,0x7F,0x44,0x44,0x44,0x40,0x00},/*"哇",13*/
{0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x58,0x38,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00},/*"，",14*/
{0x00,0x02,0x82,0x82,0x82,0x82,0x82,0xFE,0x82,0x82,0x82,0x82,0x82,0x02,0x00,0x00,0x40,0x40,0x40,0x40,0x40,0x40,0x40,0x7F,0x40,0x40,0x40,0x40,0x40,0x40,0x40,0x00},/*"王",15*/
{0x00,0x00,0x00,0xE0,0x00,0x00,0x00,0xFF,0x00,0x00,0x00,0x20,0x40,0x80,0x00,0x00,0x08,0x04,0x03,0x00,0x00,0x40,0x80,0x7F,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x01,0x0E,0x00},/*"小",16*/
{0x10,0x60,0x02,0x0C,0xC0,0x00,0xF8,0x88,0x88,0x88,0xFF,0x88,0x88,0xA8,0x18,0x00,0x04,0x04,0x7C,0x03,0x80,0x60,0x1F,0x80,0x43,0x2C,0x10,0x28,0x46,0x81,0x80,0x00},/*"波",17*/
{0x00,0x00,0x00,0xFE,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x33,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00},/*"！",18*/

7.5 延時函數替換

將驅動函數中的delay_ms延時函數替換為HAL_Delay 函數。刪除頭文件#include "delay.h"與
#include "sys.h"

HAL_Delay（200）;//delay_ms(200);

7.6 OLED初始化，顯示設計

  /* USER CODE BEGIN 2 */OLED_Init();//oled初始化OLED_ColorTurn(0);//0正常顯示，1 反色顯示OLED_DisplayTurn(0);//0正常顯示 1 屏幕翻轉顯示/* USER CODE END 2 */while (1){OLED_ShowChinese(0,16,11,16,1);//你OLED_ShowChinese(16,16,12,16,1);//好OLED_ShowChinese(32,16,13,16,1);//哇OLED_ShowChinese(48,16,14,16,1);//，OLED_ShowChinese(64,16,15,16,1);//王OLED_ShowChinese(80,16,16,16,1);//小OLED_ShowChinese(96,16,17,16,1);//波	OLED_ShowChinese(112,16,18,16,1);//！		  OLED_Refresh();HAL_Delay(500);OLED_Clear();}

八、實驗效果

總結

最終版程序（HAL硬件SPI）：https://gitee.com/luojaun/qianrushi/tree/master/

最終版程序（HAL軟件模擬SPI）：https://gitee.com/luojaun/qianrushi

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傳統藍牙模塊BR/EDR與低功耗藍牙模塊有什么區別？

傳統藍牙模塊BR/EDR與低功耗藍牙模塊有什么區別？

傳統藍牙模塊BR/EDR與低功耗藍牙模塊有什么區別&#xff1f;下面跟隨美迅物聯網MesoonRF從多個維度來了解。 　　概述&#xff1a;低功耗藍牙采用了高斯頻移鍵控&#xff08;GFSK&#xff09;。這里我們先拋開藍牙的協議&#xff0c;單純從Radio的角度看收發通信&#xff0c;Ra…
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【Crypto】Url編碼

【Crypto】Url編碼

文章目錄 Url編碼解題感悟 Url編碼 Url編碼 搞定 小小flag&#xff0c;拿下&#xff01; 解題感悟 有點餓了…
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day 1: 738. 單調遞增的數字

day 1: 738. 單調遞增的數字

738. 單調遞增的數字 當且僅當每個相鄰位數上的數字 x 和 y 滿足 x < y 時&#xff0c;我們稱這個整數是單調遞增的。 給定一個整數 n &#xff0c;返回 小于或等于 n 的最大數字&#xff0c;且數字呈 單調遞增 。 示例1&#xff1a; 輸入&#xff1a;n 10 輸出&#xff1a…
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圖數據庫助力供應鏈柔性升級

圖數據庫助力供應鏈柔性升級

導讀 當今市場環境受短視頻等流媒體影響&#xff0c;任何風險事件在社交網絡中傳播速度極其迅速&#xff0c;留給企業的反應時間按分秒計&#xff0c;傳統供應鏈的年度計劃面對劇烈變化的市場環境已失去意義。此外&#xff0c;受近年局勢動蕩的影響&#xff0c;市場需求和供應…
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APISIX-簡單使用

APISIX-簡單使用

APISIX-簡單使用 這個工具還是很不錯的&#xff0c;可視化的配置很清晰 &#xff0c; 想用NGINX的配置模式也是可以的&#xff0c;就是要去修改配置文件了。 APISIX&#xff0c;一個很不錯的可視化工具&#xff0c;用來代替Nginx相當不錯&#xff0c;可作為Nginx的平替方案&…
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【Python進階】主流電商平臺數據分析||數據采集返回商品詳情主題鏈接主圖SKU數據

【Python進階】主流電商平臺數據分析||數據采集返回商品詳情主題鏈接主圖SKU數據

Python是一種高級編程語言&#xff0c;廣泛應用于軟件開發、數據分析、人工智能、科學計算等領域。在軟件開發方面&#xff0c;Python在網站開發、網絡編程、桌面軟件開發等方面有著廣泛的應用。在數據分析和人工智能領域&#xff0c;Python的各種庫如NumPy、Pandas、Matplotli…
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守護者：ThingsBoard物聯網網關在溫室環境監測中的應用

守護者：ThingsBoard物聯網網關在溫室環境監測中的應用

系統設計 智慧農業溫室大棚系統由傳感器及執行設備、數據傳輸網關、智慧農業溫室大棚管理平臺組成。 系統支持實時采集溫室大棚內的空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照和二氧化碳等環境參數&#xff0c;根據農作物的生長需求自動控制溫室中電器設備的啟停&#xff0c;從而達到植物生…
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中移物聯OneMO Cat.1模組推動聯網POS規模應用

中移物聯OneMO Cat.1模組推動聯網POS規模應用

在第三方支付蓬勃發展和消費模式不斷革新的時代背景下&#xff0c;新型聯網POS終端以其智能化、便捷化的特點豐富人們生活便利度。在這一變革浪潮中&#xff0c;中移物聯OneMO Cat.1模組ML307R憑借其卓越的性能和成本效益&#xff0c;成為推動聯網POS規模應用的重要力量。 性能…
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