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【STM32】HAL库 STM32CubeMX教程十四---SPI

前言：
本系列教程将HAL库与STM32CubeMX结合在一起讲解，使您可以更快速的学会各个模块的使用

在我们的HAL库中，对硬件SPI函数做了很好的集成，使得之前SPI几百行代码，在HAL库中，只需要寥寥几行就可以完成 那么这篇文章将带你去感受下它的优异之处，这些优异的函数，也正是HAL库的优点所在

本文 1首先讲解SPI工作原理及W25QX芯片原理，2基于CubeMx创建工程 3 对HAL库SPI函数进行讲解，4例程详解

所用工具：

1、芯片： STM32F103ZET6

2、STM32CubeMx软件

3、IDE： MDK-Keil软件

4、STM32F1xx/STM32F4xxHAL库

5、SPI： 使用硬件SPI1

知识概括：

通过本篇博客您将学到：

SPI的基本原理

STM32CubeMX创建SPI例程

HAL库SPI函数库

什么是SPI

SPI 是英语Serial Peripheral interface的缩写，顾名思义就是串行外围设备接口。是Motorola(摩托罗拉)首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。

SPI，是一种高速的，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，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。

SPI主从模式

SPI分为主、从两种模式，一个SPI通讯系统需要包含一个（且只能是一个）主设备，一个或多个从设备。提供时钟的为主设备（Master），接收时钟的设备为从设备（Slave），SPI接口的读写操作，都是由主设备发起。当存在多个从设备时，通过各自的片选信号进行管理。

SPI是全双工且SPI没有定义速度限制，一般的实现通常能达到甚至超过10 Mbps

SPI信号线

SPI接口一般使用四条信号线通信：
SDI（数据输入），SDO（数据输出），SCK（时钟），CS（片选）

  • 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。
  • SCLK：串行时钟信号，由主设备产生。
  • CS/SS：从设备片选信号，由主设备控制。它的功能是用来作为“片选引脚”，也就是选择指定的从设备，让主设备可以单独地与特定从设备通讯，避免数据线上的冲突。

硬件上为4根线。

SPI一对一
在这里插入图片描述

SPI一对多
在这里插入图片描述

SPI数据发送接收

SPI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。

  1. 首先拉低对应SS信号线，表示与该设备进行通信
  2. 主机通过发送SCLK时钟信号，来告诉从机写数据或者读数据
    这里要注意，SCLK时钟信号可能是低电平有效，也可能是高电平有效，因为SPI有四种模式，这个我们在下面会介绍
  3. 主机(Master)将要发送的数据写到发送数据缓存区(Menory)，缓存区经过移位寄存器(0~7)，串行移位寄存器通过MOSI信号线将字节一位一位的移出去传送给从机，，同时MISO接口接收到的数据经过移位寄存器一位一位的移到接收缓存区。
  4. 从机(Slave)也将自己的串行移位寄存器(0~7)中的内容通过MISO信号线返回给主机。同时通过MOSI信号线接收主机发送的数据，这样，两个移位寄存器中的内容就被交换。

在这里插入图片描述
SPI只有主模式和从模式之分，没有读和写的说法，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。也就是说，你发一个数据必然会收到一个数据；你要收一个数据必须也要先发一个数据。

SPI工作模式

根据时钟极性（CPOL）及相位（CPHA）不同，SPI有四种工作模式。
时钟极性(CPOL)定义了时钟空闲状态电平：

  • CPOL=0为时钟空闲时为低电平
  • CPOL=1为时钟空闲时为高电平

时钟相位(CPHA)定义数据的采集时间。

  • CPHA=0:在时钟的第一个跳变沿（上升沿或下降沿）进行数据采样。
  • CPHA=1:在时钟的第二个跳变沿（上升沿或下降沿）进行数据采样。
    在这里插入图片描述

关于SPI简单介绍到这里，详细讲解请参看：

《SPI原理超详细讲解—值得一看》

W25Q128 FLASH芯片介绍

W25Q128是一款SPI通信的FLASH芯片，可以通过标准/两线/四线SPI控制，其FLASH的大小为16M，分为 256 个块（Block），每个块大小为 64K 字节，每个块又分为 16个扇区（Sector），每个扇区 4K 个字节。通过SPI通信协议即可实现MCU(STM32)和 W25Q128 之间的通信。实现W25Q128的控制需要通过SPI协议发送相应的控制指令，并满足一定的时序。

原理图连接

在这里插入图片描述
常用指令：

写使能(Write Enable) (06h)

在这里插入图片描述

向FLASH发送0x06 写使能命令即可开启写使能，首先CS片选拉低，控制写入字节函数写入命令，CS片选拉高。

扇区擦除指令(Sector Erase) (0x20h)
在这里插入图片描述
扇区擦除指令，数据写入前必须擦除对应的存储单元，该指令先拉低/CS引脚电平,接着传输“20H”指令和要24位要擦除扇区的地址。

读命令(Read Data) (03h)

读数据指令可从存储器依次一个或多个数据字节，该指令通过主器件拉低/CS电平使能设备开始传输，然后传输“03H”指令，接着通过DI管脚传输24位地址，从器件接到地址后，寻址存储器中的数据通过DO引脚输出。每传输一个字节地址自动递增，所以只要时钟继续传输，可以不断读取存储器中的数据。
在这里插入图片描述

状态读取命令(Read Status Register)

读状态寄存器1(05H)，状态寄存器2（35H）,状态寄存器3（15H）
写入命令0x05，即可读取状态寄存器的值。
在这里插入图片描述

写入命令(Page Program) (02h)

在这里插入图片描述

在对W25Q128 FLASH的写入数据的操作中一定要先擦出扇区，在进行写入，否则将会发生数据错误。
W25Q128 FLASH一次性最大写入只有256个字节。
在进行写操作之前，一定要开启写使能(Write Enable)。
当只接收数据时不但能只检测RXNE状态 ，必须同时向发送缓冲区发送数据才能驱动SCK时钟跳变。

基于CubeMx的讲解

1设置RCC时钟
在这里插入图片描述

设置高速外部时钟HSE 选择外部时钟源

2 SPI设置

SPI2设置为全双工主模式，硬件NSS关闭，如下图：
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
模式设置:

  • 有主机模式全双工/半双工
  • 从机模式全双工/半双工
  • 只接收主机模式/只接收从机模式
  • 只发送主机模式

因为我们是和W25Q128V芯片闪存芯片进行通信，所以设置为主机全双工

不使能硬件NSS
在这里插入图片描述

STM32有硬件NSS(片选信号)，可以选择使能，也可以使用其他IO口接到芯片的NSS上进行代替

其中SIP1的片选NSS ： SPI1_NSS（PA4）
其中SIP2的片选NSS ： SPI2_NSS（PB12）

如果片选引脚没有连接 SPI1_NSS（PA4）或者SPI2_NSS（PB12），则需要选择软件片选

NSS管脚及我们熟知的片选信号，作为主设备NSS管脚为高电平，从设备NSS管脚为低电平。当NSS管脚为低电平时，该spi设备被选中，可以和主设备进行通信。在stm32中，每个spi控制器的NSS信号引脚都具有两种功能，即输入和输出。所谓的输入就是NSS管脚的信号给自己。所谓的输出就是将NSS的信号送出去，给从机。
对于NSS的输入，又分为软件输入和硬件输入。
软件输入：
NSS分为内部管脚和外部管脚，通过设置spi_cr1寄存器的ssm位和ssi位都为1可以设置NSS管脚为软件输入模式且内部管脚提供的电平为高电平，其中SSM位为使能软件输入位。SSI位为设置内部管脚电平位。同理通过设置SSM和SSI位1和0则此时的NSS管脚为软件输入模式但内部管脚提供的电平为0。若从设备是一个其他的带有spi接口的芯片，并不能选择NSS管脚的方式，则可以有两种办法，一种是将NSS管脚直接接低电平。另一种就是通过主设备的任何一个gpio口去输出低电平选中从设备。
硬件输入：
主机接高电平，从机接低电平。

左键对应的软件片选引脚，选择GPIO_Output(输出模式),然后点击GPIO，设置一下备注。

我这里虽然PB12是SPI2的硬件片选NSS，但是我想用软件片选，所以关闭了硬件NSS

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

SPI配置默认如下：

SPI配置中设置数据长度为8bit,MSB先输出分频为64分频，则波特率为125KBits/s。其他为默认设置。
Motorla格式，CPOL设置为Low,CPHA设置为第一个边沿。不开启CRC检验，NSS为软件控制。

在这里插入图片描述

最后记得初始化一下串口，因为需要测试例程，发送数据到上位机。很简单，这里就不再赘述了，不懂得同学请看：

【STM32】HAL库 STM32CubeMX教程四—UART串口通信详解

在这里插入图片描述
3时钟源设置在这里插入图片描述
我的是 外部晶振为8MHz

  • 1选择外部时钟HSE 8MHz
  • 2PLL锁相环倍频9倍
  • 3系统时钟来源选择为PLL
  • 4设置APB1分频器为 /2
  • 5 使能CSS监视时钟

32的时钟树框图 如果不懂的话请看《【STM32】系统时钟RCC详解(超详细，超全面)》

4项目文件设置

在这里插入图片描述

  • 1 设置项目名称
  • 2 设置存储路径
  • 3 选择所用IDE

在这里插入图片描述
5创建工程文件

然后点击GENERATE CODE 创建工程

配置下载工具
新建的工程所有配置都是默认的 我们需要自行选择下载模式，勾选上下载后复位运行

在这里插入图片描述

SPI函数详解

 

在stm32f1xx_hal_spi.h头文件中可以看到spi的操作函数。分别对应轮询，中断和DMA三种控制方式。
在这里插入图片描述

  • 轮询： 最基本的发送接收函数，就是正常的发送数据和接收数据
  • 中断： 在SPI发送或者接收完成的时候，会进入SPI回调函数，用户可以编写回调函数，实现设定功能
  • DMA： DMA传输SPI数据

 
 

利用SPI接口发送和接收数据主要调用以下两个函数：

HAL_StatusTypeDef  HAL_SPI_Transmit(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);//发送数据
HAL_StatusTypeDef  HAL_SPI_Receive(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);//接收数据

SPI发送数据函数：

HAL_SPI_Transmit(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);//发送数据

参数:

  • *hspi: 选择SPI1/2，比如&hspi1，&hspi2
  • *pData ： 需要发送的数据，可以为数组
  • Size： 发送数据的字节数，1 就是发送一个字节数据
  • Timeout： 超时时间，就是执行发送函数最长的时间，超过该时间自动退出发送函数

SPI接收数据函数：

HAL_SPI_Receive(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);//接收数据

参数:

  • *hspi: 选择SPI1/2，比如&hspi1，&hspi2
  • *pData ： 接收发送过来的数据的数组
  • Size： 接收数据的字节数，1 就是接收一个字节数据
  • Timeout： 超时时间，就是执行接收函数最长的时间，超过该时间自动退出接收函数

SPI接收回调函数：

　HAL_SPI_TransmitReceive_IT(&hspi1, TXbuf,RXbuf,CommSize);

当SPI上接收出现了 CommSize个字节的数据后，中断函数会调用SPI回调函数：

　　　HAL_SPI_TxRxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi)

用户可以重新定义回调函数，编写预定功能即可，在接收完成之后便会进入回调函数

片选引脚：

因为我们是软件使能片选，定义片选引脚，CS片选低电平为有效使能， CS片选高电平不使能

这里用两个宏定义来代替

在main.h中有宏定义命名，SPI2_CS_Pin 就是PB12

//以W25Q128为例
#define SPI_CS_Enable() 			HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, SPI2_CS_Pin, GPIO_PIN_RESET)
#define SPI_CS_Disable() 		HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, SPI2_CS_Pin, GPIO_PIN_SET)

SPI例程详解

因为不同的flash芯片通信协议以及方式都是不同的，所以这里介绍下具体的SPI的发送和接收应该怎么写，具体的请看芯片手册修改下即可，这里提供下W25QXX的驱动文件，以及测试例程，测试是正常没问题

挑几个函数讲解一下：

在w25Qxx.h钟可以修改CS片选引脚，W25Qx_Enable(),W25Qx_Disable()分别为使能和失能SPI设备，即拉低和拉高/CS电平

#define W25Qx_Enable() 			HAL_GPIO_WritePin(SPI2_CS_GPIO_Port, SPI2_CS_Pin, GPIO_PIN_RESET)
#define W25Qx_Disable() 		HAL_GPIO_WritePin(SPI2_CS_GPIO_Port, SPI2_CS_Pin, GPIO_PIN_SET)

w25Qxx复位函数：

  • 函数开始先将要发送的数据（命令(0x66)和地址(0x99)）存储在cmd数组中，
  • 拉低片选信号，开始SPI通信
  • 然后后通过HAL_SPI_Transmit（）函数发送出去
  • 拉高片选信号，关闭SPI通信

W25Qx_TIMEOUT_VALUE是最大超时时间，在w25Qxx.h中定义为1000，单位为us
在这里插入图片描述

/**
  * @brief  This function reset the W25Qx.
  * @retval None
  */
static void	BSP_W25Qx_Reset(void)
{
	uint8_t cmd[2] = {RESET_ENABLE_CMD,RESET_MEMORY_CMD};
	
	W25Qx_Enable();
	/* Send the reset command */
	HAL_SPI_Transmit(&hspi2, cmd, 2, W25Qx_TIMEOUT_VALUE);	
	W25Qx_Disable();

}

W25QXX读函数：
三个参数：

  • pData 存放读取到的数据的数组
  • ReadAddr 读取数据的地址
  • Size 读取数据的大小

…

  • 函数开始先将要发送的数据（命令和地址）存储在cmd数组中，
  • 拉低片选信号，开始SPI通信
  • 然后后通过HAL_SPI_Transmit（）函数发送出去，首先发送写命令(0X03),上方有讲解，然后发送三个字节(24 Bit)的地址
  • 接着通过HAL_SPI_Receive（）接收读取的数据。
  • 拉高片选信号，关闭SPI通信
    在这里插入图片描述

uint8_t BSP_W25Qx_Read(uint8_t* pData, uint32_t ReadAddr, uint32_t Size)
{
	uint8_t cmd[4];

	/* Configure the command */
	cmd[0] = READ_CMD;
	cmd[1] = (uint8_t)(ReadAddr >> 16);
	cmd[2] = (uint8_t)(ReadAddr >> 8);
	cmd[3] = (uint8_t)(ReadAddr);
	
	W25Qx_Enable();
	/* Send the read ID command */
	HAL_SPI_Transmit(&hspi2, cmd, 4, W25Qx_TIMEOUT_VALUE);	
	/* Reception of the data */
	if (HAL_SPI_Receive(&hspi2, pData,Size,W25Qx_TIMEOUT_VALUE) != HAL_OK)
  {
    return W25Qx_ERROR;
  }
	W25Qx_Disable();
	return W25Qx_OK;
}

写使能(Write Enable) (06h)

在这里插入图片描述

向FLASH发送0x06 写使能命令即可开启写使能，首先CS片选拉低，控制写入字节函数写入命令，CS片选拉高。

uint8_t BSP_W25Qx_WriteEnable(void)
{
	uint8_t cmd[] = {WRITE_ENABLE_CMD};
	uint32_t tickstart = HAL_GetTick();

	/*Select the FLASH: Chip Select low */
	W25Qx_Enable();
	/* Send the read ID command */
	HAL_SPI_Transmit(&hspi2, cmd, 1, W25Qx_TIMEOUT_VALUE);	
	/*Deselect the FLASH: Chip Select high */
	W25Qx_Disable();
	
	/* Wait the end of Flash writing */
	while(BSP_W25Qx_GetStatus() == W25Qx_BUSY);
	{
		/* Check for the Timeout */
    if((HAL_GetTick() - tickstart) > W25Qx_TIMEOUT_VALUE)
    {        
			return W25Qx_TIMEOUT;
    }
	}
	
	return W25Qx_OK;
}

扇区擦除函数：

扇区擦除指令(Sector Erase) (0x20h)
在这里插入图片描述
扇区擦除指令，数据写入前必须擦除对应的存储单元，并且使能写操作，该指令先拉低/CS引脚电平,接着传输“20H”指令和要24位要擦除扇区的地址。判断flash是否为忙状态，如果不为忙则擦除操作完成。

uint8_t BSP_W25Qx_Erase_Block(uint32_t Address)
{
	uint8_t cmd[4];
	uint32_t tickstart = HAL_GetTick();
	cmd[0] = SECTOR_ERASE_CMD;
	cmd[1] = (uint8_t)(Address >> 16);
	cmd[2] = (uint8_t)(Address >> 8);
	cmd[3] = (uint8_t)(Address);
	
	/* Enable write operations */
	BSP_W25Qx_WriteEnable();
	
	/*Select the FLASH: Chip Select low */
	W25Qx_Enable();
	/* Send the read ID command */
	HAL_SPI_Transmit(&hspi2, cmd, 4, W25Qx_TIMEOUT_VALUE);	
	/*Deselect the FLASH: Chip Select high */
	W25Qx_Disable();
	
	/* Wait the end of Flash writing */
	while(BSP_W25Qx_GetStatus() == W25Qx_BUSY);
	{
		/* Check for the Timeout */
    if((HAL_GetTick() - tickstart) > W25Q128FV_SECTOR_ERASE_MAX_TIME)
    {        
			return W25Qx_TIMEOUT;
    }
	}
	return W25Qx_OK;
}

下载地址：

w25Qxx.zip

例程测试

重新定义printf函数
在 stm32f1xx_hal.c中包含#include <stdio.h>

#include "stm32f4xx_hal.h"
#include <stdio.h>
extern UART_HandleTypeDef huart1;   //声明串口

在 stm32f1xx_hal.c 中重写fget和fput函数

/**
  * 函数功能: 重定向c库函数printf到DEBUG_USARTx
  * 输入参数: 无
  * 返 回 值: 无
  * 说    明：无
  */
int fputc(int ch, FILE *f)
{
  HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&ch, 1, 0xffff);
  return ch;
}
 
/**
  * 函数功能: 重定向c库函数getchar,scanf到DEBUG_USARTx
  * 输入参数: 无
  * 返 回 值: 无
  * 说    明：无
  */
int fgetc(FILE *f)
{
  uint8_t ch = 0;
  HAL_UART_Receive(&huart1, &ch, 1, 0xffff);
  return ch;
}

main.c

在main.c里添加以下代码：

#include <string.h>
#include "W25QXX.h"



uint8_t wData[0x100];
uint8_t rData[0x100];
uint32_t i;
uint8_t ID[2];


printf("\r\n SPI-W25Qxxx Example \r\n\r\n");

  /*##-1- Read the device ID  ########################*/

  BSP_W25Qx_Init();
  BSP_W25Qx_Read_ID(ID);

  printf(" W25Qxxx ID is : 0x%02X 0x%02X \r\n\r\n",ID[0],ID[1]);
  /*##-2- Erase Block ##################################*/
  if(BSP_W25Qx_Erase_Block(0) == W25Qx_OK)
      printf(" SPI Erase Block ok\r\n");
  else
      Error_Handler();
  /*##-3- Written to the flash ########################*/
  /* fill buffer */
  for(i =0;i<0x100;i ++)
  {
          wData[i] = i;
        rData[i] = 0;
  }
 if(BSP_W25Qx_Write(wData,0x00,0x100)== W25Qx_OK)
      printf(" SPI Write ok\r\n");
  else
      Error_Handler();
  /*##-4- Read the flash     ########################*/

  if(BSP_W25Qx_Read(rData,0x00,0x100)== W25Qx_OK)
      printf(" SPI Read ok\r\n\r\n");
  else
      Error_Handler();
  printf("SPI Read Data : \r\n");
  for(i =0;i<0x100;i++)
      printf("0x%02X  ",rData[i]);
  printf("\r\n\r\n");
  /*##-5- check date          ########################*/   
  if(memcmp(wData,rData,0x100) == 0 )
      printf(" W25Q128FV SPI Test OK\r\n");
  else
      printf(" W25Q128FV SPI Test False\r\n");

STM32F103测试正常：
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

版权声明：本文为CSDN博主「Z小旋」的原创文章，遵循CC 4.0 BY-SA版权协议，转载请附上原文出处链接及本声明。
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Z小旋

我还没有学会写个人说明！

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