嵌入式技术及应用（STM32CubeMX版）课件 任务17 用硬件SPI口控制OLED屏

任务17

用硬件SPI口控制OLED屏任务要求OLED显示器的控制芯片为SSD1306，接口形式为4线制SPI接口，挂载在STM32的SPI2口上，STM32采用硬件SPI的方式访问SSD1306，要求用硬件SPI传送数据的方式修改任务13中的写数函数，使OLED屏中显示公民的基本道德观，如图所示。知识储备

1．SPI接口的信号线SPI是SerialPeripheralInterface的缩写，其含义是串行外围设备接口，SPI接口是Motorola公司推出的一种同步串行外设接口，用于单片机与各种外设以串行方式进行数据通信。SPI总线接口芯片有很多种，目前已有带有SPI接口的键盘、显示接口芯片、A/D芯片、D/A芯片、EEPROM芯片、看门狗芯片等等。标准的SPI总线有SCK、MISO、MOSI、NSS（

）四根线，简化的SPI总线只有SCK、

和DIO三根线，它将MISO、MOSI线合并成DIO线。

线名功能SCK串行时钟线。由主设备控制发出，传送由单片机产生的时钟信号，控制SPI接口芯片内部的移位寄存器的移位操作，使数据传输同步。NSS（）片选线，由主设备控制。控制芯片的选择，低电平有效。MISO(或DIO)主机输入从机输出数据线。用于传输从芯片传往单片机的数据。MOSI(或DIO)主机输出从机输入数据线。用于传输从单片机传往芯片的数据。（1）SPI总线中各线的功能1.SPI接口的信号线

1.SPI接口的信号线（2）单片机扩展SPI接口芯片从右图连接电路可以看出，带有SPI接口的单片机扩展SPI接口芯片的连接方法是，在单片机中用若干根I/O口线作芯片的片选线，分别与各芯片的线相接，单片机的SCL脚、MOSI脚、MISO脚分别与各SPI接口芯片的SCK、MOSI、MISO引脚相接。如果芯片为简化的SPI总线接口，则将芯片的DIO引脚既接到单片机的MISO引脚上，又接到单片机的MOSI引脚上。具有SPI接口的单片机扩展SPI接口芯片的连接电路

2.STM32中SPI口的应用特性STM32集成有SPI1、SPI2、SPI3共3个SPI口，它们的帧格式可选择为8位/帧或16位/帧，数位传输的顺序可编程设置为MSB（MostSignificantBit，最高有效位）在前或LSB（LeastSignificantBit，最低有效位）在前，可编程设置时钟的极性(CPOL)和相位(CPHA)，可用DMA控制数据传输操作。每个SPI口都可工作在全双工主机/从机模式、半双工主机/从机模式、主机/从机仅接收/发送模式下。这3个SPI口挂载在不同的总线上，SPI1挂载在APB2上，最高通信速率高达36Mb/s，SPI2、SPI3挂载在APB1上，最高通信速率为18Mb/s。这3个SPI口除了通信速度不同外，其结构和功能相同。

2.STM32中SPI口的应用特性（1）SPI口的结构右图为SPI口的结构，如图所示，STM32的SPI口主要由MOSI、MISO、SCK、NSS等4个引脚、移位寄存器、收发缓冲器、波特率发生器、内部控制寄存器和控制电路组成。MOSI引脚：主机输出/从机输入引脚。SPI口工作在主机模式时，该引脚为数据发送脚，工作在从机模式时，该引脚为数据接收脚。2.STM32中SPI口的应用特性（1）SPI口的结构MOSI以及其他几个引脚、移位寄存器的功能示意图如图所示。MISO引脚：主机输入/从机输出引脚。SPI口工作在主机模式时，该引脚为数据接收脚，工作在从机模式时，该引脚为数据发送脚2.STM32中SPI口的应用特性（1）SPI口的结构移位寄存器：实现串行数据与并行数据之间的转换，MOSI引脚和MISO引脚分别为移位寄存器的串行输入、输出端，发送缓冲区和接收缓冲区分别为移位寄存器的并行输入、输出端。在主机模式下，MOSI引脚为移位寄存器的串行输出端，MISO引脚为移位寄存器的串行输入端。在从机模式下，MOSI引脚为移位寄存器的串行输入端，MISO引脚为移位寄存器的串行输出端。SCK引脚：串行时钟脚。在主机模式下，SCK引脚输出串行时钟。在从机模式下，SCK引脚输入时钟信号，控制从机内部的移位寄存器的移位操作，使数据传输同步。2.STM32中SPI口的应用特性（1）SPI口的结构NSS引脚：从设备选择脚。STM32作从设备时，NSS引脚为片选输入控制脚，NSS=0，芯片被选中，SPI口自动处于从机模式，STM32与主机进行数据通讯，NSS=1，芯片没被选中，STM32不能与主机进行数据通讯。STM32作主设备时，NSS引脚可作为片选输出引脚，用来输出片选信号，并在SPI处于主机模式时输出低电平信号。在实际应用中，常用的方法是，取消NSS的硬件片选控制功能，而用某个GPIO引脚充当片选输出脚，用软件模拟输出片选信号。波特率发生器：在主机模式下用来产生SPI的时钟信号。内部控制寄存器和控制电路用来设置SPI的工作模式、数据位的长度，移位的方式、时钟信号的极性和数据采样的时刻，记录SPI的工作状态。2．SPI口的引脚STM32有3个SPI口，各个SPI口的引脚定义在不同的GPIO口上。其中，SPI1、SPI3的引脚可以映射至不同GPIO口上，STM32中各SPI口的引脚分布如下表所示。其中，“/”左边的GPIO口为SPI默认的GPIO口，“/”右边的GPIO口为SPI口可映射的GPIO口。例如，SPI1的CLK脚在表中的GPIO口为PA5/PB3，其含义是，若使能SPI1口，默认情况下，SPI1口的CLK脚为PA5脚，但可以映射至PB3脚上。SPI口的引脚分布如下图所示SPI口NSSCLKMISOMOSISPI1PA4/PA15PA5/PB3PA6/PB4PA7/PB5SPI2PB12PB13PB14PB15SPIPA15/PA4BP3/PC10PB4/PC11PB5/PC12（1）SPI口的引脚2．SPI口的引脚SPI口的操作时序是指SPI口进行数据传输时，MOSI、MISO、SCK等引脚信号之间的时序关系，包括上升沿、下降沿出现的先后次序、数据线上出现数据的时间及先后次序等。SPI口的操作时序由SPI_CR寄存器的CPOL(时钟极性)、CPHA（时钟相位）位设置，其中，CPOL（时钟极性）位定义了无数据传输时SCK的状态，其规则如下：CPOL=0：空闲时SCK=0。CPOL=1：空闲时SCK=1。CPHA（时钟相位）定义了数据采样的时间，其规则如下：CPHA=0：时钟的第一个跳变沿（上升沿或下降沿）进行数据采样。CPHA=1：时钟的第二个跳变沿（上升沿或下降沿）进行数据采样。（2）SPI口的操作时序2．SPI口的引脚根据CPOL、CPHA的取值组合，SPI的时序有4种，如图1、图2所示。（2）SPI口的操作时序

图1：CPHA=0时的操作时序

图2：CPHA=1时的操作时序2．SPI口的引脚上述图1、图2的含义如下表所示（2）SPI口的操作时序CPHACPOL空闲时SCK状态CLK的第1个时钟沿数据采集时刻000上升沿时钟的第1边沿（上升沿）011下降沿时钟的第1边沿（下降沿）100下降沿时钟的第2边沿（下降沿）111上升沿时钟的第2边沿（上升沿）3.SPI口的设置方法在实际应用中一般是用STM32控制带有SPI接口的扩展芯片，此时STM32为主控器（主机），SPI接口芯片为从控制。在配置STM32的SPI口时需要我们具备依规办事的意识，先弄清楚接口芯片的时序图，然后依据接口芯片的时序图来设置STM32的SPI时序，设置的原则如下：（1）时钟的极性要与接口芯片的SPI时钟极性相同；（2）时钟序频率不超过接口芯片SPI时钟的最高频率；（3）数据采样时间相同、数据传输的方向相同；（4）每帧数据的位数位相同3.SPI口的设置方法例如，在OLED的控制芯片中，SSD1306的SPI接口时序如下图所示。时序图给出了MCU对SSD1306芯片进行读写操作时，SSD1306芯片的各引脚的状态及其出现的时间关系。包括上升沿、下降沿出现的先后次序、间隔的时间、数据线上出现数据的时刻及先后次序等。3.SPI口的设置方法【说明】SSD1306的时序图中虽没给出时钟周期数据，但在实际应用中，SSD1306采用4线制SPI接口时，SCLK的频率可高达18MHz。从SSD1306的SPI接口时序图中可以看出以下信息：（1）写命令和写数据的时序除DC引脚的状态不同外，其他引脚的时序相同。写显存数据时DC=1，写命令时DC=0。（2）CS=1时，禁止访问SSD1306，仅当CS＝0时才能访问SSD1306。（3）CS的下降沿前，即时钟空闲时，SCLK可以是高电平，也可以是低电平。（4）时钟上升沿采样数据。也就是说，如果空闲时的时钟为低电平，则数据采集发生在第1个时钟沿。（5）每次传输8位数据，且数据移位的方向是，高位（D7）在先，低位（D0）在后。3.SPI口的设置方法所以，在STM32CubeMX中配置SPI的参数时，应将数位设置成8位，起始位设置成MSB，时钟的极性设为LOW，时钟的相位设为第1边沿，如右图所示。4.HAL库中常用的SPI操作函数HAL库中常用的SPI操作函数主要有HAL_SPI_Init()、HAL_SPI_Receive()、HAL_SPI_Transmit()、HAL_SPI_TransmitReceive()等几个函数，这些函数的定义位于stm32f1xx_hal_spi.c文件中，这些函数的说明位于stm32f1xx_hal_spi.h中，在使用这些函数时需在程序中用#include指令将stm32f1xx_hal_spi.h头文件包含至程序文件中。（1）HAL_SPI_Init()函数原型HAL_StatusTypeDefHAL_SPI_Init(SPI_HandleTypeDef*hspi);功能用指定的参数初始化SPI口。参数hspi：SPI口句柄，取值为hspix，x为SPI的编号，取值为1～3。返回值HAL的状态（2）HAL_SPI_Receive()函数4.HAL库中常用的SPI操作函数原型HAL_StatusTypeDefHAL_SPI_Receive(SPI_HandleTypeDef*hspi,uint8_t*pData,uint16_tSize,uint32_tTimeout);功能用查询方式接收若干数据并存放至指定的缓冲区中。参数1hspi：SPI口句柄，取值为hspix，x为SPI的编号，取值为1～3。参数2pData：数据接收缓冲区的地址。参数3Size：接收数据的长度。参数4Timeout：查询等待的最长时间，单位为ms。返回值HAL的状态。【举例】SPI2用查询方式接收20节字数据，并存入无符号字符型数组rBuf[]中，接收数据的最长时间为100ms，则其程序如下：HAL_SPI_Receive(&hspi2,rBuf,20,100);（3）HAL_SPI_Transmit()函数4.HAL库中常用的SPI操作函数原型HAL_StatusTypeDefHAL_SPI_Transmit(SPI_HandleTypeDef*hspi,uint8_t*pData,uint16_tSize,uint32_tTimeout)功能用查询方式发送数据。参数1hspi：SPI口句柄，取值为hspix，x为SPI的编号，取值为1～3。参数2pData：数据接收缓冲区的地址。参数3Size：接收数据的长度。参数4Timeout：查询等待的最长时间，单位为ms。返回值HAL的状态。【举例】用SPI2将无符号字符型变量dat中的数据发送出去，其程序如下：

HAL_SPI_Transmit(&hspi2,&dat,1,0xff);（4）HAL_SPI_TransmitReceive()函数4.HAL库中常用的SPI操作函数原型HAL_StatusTypeDefHAL_SPI_TransmitReceive(SPI_HandleTypeDef*hspi,uint8_t*pTxData,uint8_t*pRxData,uint16_tSize,uint32_tTimeout);功能用查询方式同时接收和发送数据。参数1hspi：SPI口句柄，取值为hspix，x为SPI的编号，取值为1～3。参数2pTxData：发送数据缓冲区的地址。参数3pRxData：接收数据缓冲区的地址。参数4Size：收发送数据的长度。参数5Timeout：查询等待的最长时间，单位为ms。返回值HAL的状态。【举例】SPI1工作在全双工模式下，用SPI1口将aTxBuf[]中的1字节数据发送出去，同时将外部输入的数据接收到aRxBuf[]中，其程序如下：

HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi1,aTxBuf,aRxBuf,1,0xff);实现方法与步骤任务17的硬件电路：

1．搭建电路

2.生成SPI口的初始化代码步骤（1）启动STM32CubeMX，然后新建STM32CubeMX工程、配置SYS、RCC，其中，Debug模式选择SerialWire，HSE选择外部晶振。（2）配置时钟，结果如下图所示，其中APB1外设时钟的频率为36MHz。

2．生成SPI口的初始化代码步骤(3)配置SPI2口第1步：在窗口中点击“Pinout&Configuration”标签，然后在窗口左边的小窗口中点击“Categories”标签，再在配置列表中点击“Connectivity”->“SPI2”列表项，窗口的中间会显示如右图所示的SPI2配置窗口。

2．生成SPI口的初始化代码步骤(3)配置SPI2口第2步：在SPI2的配置窗口中点击Mode下拉列表框，从中选择“TransmitOnlyMaster”（仅主机发送）列表项，Configuration栏中会出现SPI2的一列参数设置项，包括SPI的基本参数、时钟参数等。如右图所示。

2．生成SPI口的初始化代码步骤(3)配置SPI2口第3步：点击“HardwareNSSSignal”下拉列表框，从中选择“Disable”，禁止SPI2口的NSS输出，也就是片选择信号可能用其他引脚控制。第4步：点击“ParameterSettings”标签，然后对SPI2的参数作如右图设置

3.完善SPI通信程序步骤（1）将任务13中的OLED文件夹（D:\ex\task13中）复制到任务17工程文件所在的文件夹中（D:\ex\task17中）。（2）在Keil工程中新建OLED组，并将OLED文件夹中的oled.c文件添加至OLED组中。（3）修改oled.c文件中的代码第1步：在oled.c文件的开头处声明全局变量hspi2，如下图所示。

3.完善SPI通信程序步骤（3）修改oled.c文件中的代码第2步：在OLED_WR_Byte()函数中，注释掉第50行～第59行的软件模拟SPI写数程序，然后添加用硬件SPI2发送数据的代码，如下图所示。（4）在Keil工程的include路径中添加“D:\ex\Task17\OLED”文件夹，该文件夹是oled.h头文件所在的文件夹。

4.编写显示程序步骤（1）按照任务13中所介绍的方法制作本任务中所要显示汉字的字模，即制作“公民的道德规范爱国敬业诚信友善、”等16个中文字符的字模。（2）将16个中文字符的字模添加至font.h文件的Hzk[]数组中。（3）在main.c文件中添加显示公民道德规范的程序，程序代码如下：12345678…#include "oled.h"…intmian(void){…OLED_Init();OLED_ShowCHinese((128-7*16)/2,0,0);//显示编号为0的汉字公

4.编写显示程序main.c文件中的显示程序9101112131415161718192021

OLED_ShowCHinese((128-7*16)/2+1*16,0,1);//显示编号为0的汉字民OLED_ShowCHinese((128-7*16)/2+2*16,0,2);//显示编号为0的汉字的OLED_ShowCHinese((128-7*16)/2+3*16,0,3);//显示编号为0的汉字道OLED_ShowCHinese((128-7*16)/2+4*16,0,4);//显示编号为0的汉字德OLED_ShowCHinese((128-7*16)/2+5*16,0,5);//显示编号为0的汉字规OLED_ShowCHinese((128-7*16)/2+6*16,0,6);//显示编号为0的汉字范

OLED_ShowCHinese((128-5*16)/2,3,7); //显示编号为0的汉字爱OLED_ShowCHinese((128-5*16)/2+1*16,3,8);//显示编号为0的汉字国OLED_ShowCHinese((128-5*16)/2+2*16,3,15);//显示编号为0的汉字、OLED_ShowCHinese((128-5*16)/2+3*16,3,9);//显示编号为0的汉字敬OLED_ShowCHinese((128-5*16)/2+4*16,3,10);//显示编号为0的汉字业

4.编写显示程序main.c文件中的显示程序22…

OLED_ShowCHinese((128-5*16)/2,6,11);//显示编号为0的汉字民OLED_ShowCHinese((128-5*16)/2+1*16,6,12);//显示编号为0的汉字的OLED_ShowCHinese((128-5*16)/2+2*16,6,15);//显示编号为0的汉字道OLED_ShowCHinese((128-5*1