任務17

用硬件SPI口控制OLED屏任務要求OLED顯示器的控制芯片為SSD1306，接口形式為4線制SPI接口，掛載在STM32的SPI2口上，STM32采用硬件SPI的方式訪問SSD1306，要求用硬件SPI傳送數據的方式修改任務13中的寫數函數，使OLED屏中顯示公民的基本道德觀，如圖所示。知識儲備

1．SPI接口的信號線SPI是SerialPeripheralInterface的縮寫，其含義是串行外圍設備接口，SPI接口是Motorola公司推出的一種同步串行外設接口，用于單片機與各種外設以串行方式進行數據通信。SPI總線接口芯片有很多種，目前已有帶有SPI接口的鍵盤、顯示接口芯片、A/D芯片、D/A芯片、EEPROM芯片、看門狗芯片等等。標準的SPI總線有SCK、MISO、MOSI、NSS（

）四根線，簡化的SPI總線只有SCK、

和DIO三根線，它將MISO、MOSI線合并成DIO線。

線名功能SCK串行時鐘線。由主設備控制發出，傳送由單片機產生的時鐘信號，控制SPI接口芯片內部的移位寄存器的移位操作，使數據傳輸同步。NSS（）片選線，由主設備控制。控制芯片的選擇，低電平有效。MISO(或DIO)主機輸入從機輸出數據線。用于傳輸從芯片傳往單片機的數據。MOSI(或DIO)主機輸出從機輸入數據線。用于傳輸從單片機傳往芯片的數據。（1）SPI總線中各線的功能1.SPI接口的信號線

1.SPI接口的信號線（2）單片機擴展SPI接口芯片從右圖連接電路可以看出，帶有SPI接口的單片機擴展SPI接口芯片的連接方法是，在單片機中用若干根I/O口線作芯片的片選線，分別與各芯片的線相接，單片機的SCL腳、MOSI腳、MISO腳分別與各SPI接口芯片的SCK、MOSI、MISO引腳相接。如果芯片為簡化的SPI總線接口，則將芯片的DIO引腳既接到單片機的MISO引腳上，又接到單片機的MOSI引腳上。具有SPI接口的單片機擴展SPI接口芯片的連接電路

2.STM32中SPI口的應用特性STM32集成有SPI1、SPI2、SPI3共3個SPI口，它們的幀格式可選擇為8位/幀或16位/幀，數位傳輸的順序可編程設置為MSB（MostSignificantBit，最高有效位）在前或LSB（LeastSignificantBit，最低有效位）在前，可編程設置時鐘的極性(CPOL)和相位(CPHA)，可用DMA控制數據傳輸操作。每個SPI口都可工作在全雙工主機/從機模式、半雙工主機/從機模式、主機/從機僅接收/發送模式下。這3個SPI口掛載在不同的總線上，SPI1掛載在APB2上，最高通信速率高達36Mb/s，SPI2、SPI3掛載在APB1上，最高通信速率為18Mb/s。這3個SPI口除了通信速度不同外，其結構和功能相同。

2.STM32中SPI口的應用特性（1）SPI口的結構右圖為SPI口的結構，如圖所示，STM32的SPI口主要由MOSI、MISO、SCK、NSS等4個引腳、移位寄存器、收發緩沖器、波特率發生器、內部控制寄存器和控制電路組成。MOSI引腳：主機輸出/從機輸入引腳。SPI口工作在主機模式時，該引腳為數據發送腳，工作在從機模式時，該引腳為數據接收腳。2.STM32中SPI口的應用特性（1）SPI口的結構MOSI以及其他幾個引腳、移位寄存器的功能示意圖如圖所示。MISO引腳：主機輸入/從機輸出引腳。SPI口工作在主機模式時，該引腳為數據接收腳，工作在從機模式時，該引腳為數據發送腳2.STM32中SPI口的應用特性（1）SPI口的結構移位寄存器：實現串行數據與并行數據之間的轉換，MOSI引腳和MISO引腳分別為移位寄存器的串行輸入、輸出端，發送緩沖區和接收緩沖區分別為移位寄存器的并行輸入、輸出端。在主機模式下，MOSI引腳為移位寄存器的串行輸出端，MISO引腳為移位寄存器的串行輸入端。在從機模式下，MOSI引腳為移位寄存器的串行輸入端，MISO引腳為移位寄存器的串行輸出端。SCK引腳：串行時鐘腳。在主機模式下，SCK引腳輸出串行時鐘。在從機模式下，SCK引腳輸入時鐘信號，控制從機內部的移位寄存器的移位操作，使數據傳輸同步。2.STM32中SPI口的應用特性（1）SPI口的結構NSS引腳：從設備選擇腳。STM32作從設備時，NSS引腳為片選輸入控制腳，NSS=0，芯片被選中，SPI口自動處于從機模式，STM32與主機進行數據通訊，NSS=1，芯片沒被選中，STM32不能與主機進行數據通訊。STM32作主設備時，NSS引腳可作為片選輸出引腳，用來輸出片選信號，并在SPI處于主機模式時輸出低電平信號。在實際應用中，常用的方法是，取消NSS的硬件片選控制功能，而用某個GPIO引腳充當片選輸出腳，用軟件模擬輸出片選信號。波特率發生器：在主機模式下用來產生SPI的時鐘信號。內部控制寄存器和控制電路用來設置SPI的工作模式、數據位的長度，移位的方式、時鐘信號的極性和數據采樣的時刻，記錄SPI的工作狀態。2．SPI口的引腳STM32有3個SPI口，各個SPI口的引腳定義在不同的GPIO口上。其中，SPI1、SPI3的引腳可以映射至不同GPIO口上，STM32中各SPI口的引腳分布如下表所示。其中，“/”左邊的GPIO口為SPI默認的GPIO口，“/”右邊的GPIO口為SPI口可映射的GPIO口。例如，SPI1的CLK腳在表中的GPIO口為PA5/PB3，其含義是，若使能SPI1口，默認情況下，SPI1口的CLK腳為PA5腳，但可以映射至PB3腳上。SPI口的引腳分布如下圖所示SPI口NSSCLKMISOMOSISPI1PA4/PA15PA5/PB3PA6/PB4PA7/PB5SPI2PB12PB13PB14PB15SPIPA15/PA4BP3/PC10PB4/PC11PB5/PC12（1）SPI口的引腳2．SPI口的引腳SPI口的操作時序是指SPI口進行數據傳輸時，MOSI、MISO、SCK等引腳信號之間的時序關系，包括上升沿、下降沿出現的先后次序、數據線上出現數據的時間及先后次序等。SPI口的操作時序由SPI_CR寄存器的CPOL(時鐘極性)、CPHA（時鐘相位）位設置，其中，CPOL（時鐘極性）位定義了無數據傳輸時SCK的狀態，其規則如下：CPOL=0：空閑時SCK=0。CPOL=1：空閑時SCK=1。CPHA（時鐘相位）定義了數據采樣的時間，其規則如下：CPHA=0：時鐘的第一個跳變沿（上升沿或下降沿）進行數據采樣。CPHA=1：時鐘的第二個跳變沿（上升沿或下降沿）進行數據采樣。（2）SPI口的操作時序2．SPI口的引腳根據CPOL、CPHA的取值組合，SPI的時序有4種，如圖1、圖2所示。（2）SPI口的操作時序

圖1：CPHA=0時的操作時序

圖2：CPHA=1時的操作時序2．SPI口的引腳上述圖1、圖2的含義如下表所示（2）SPI口的操作時序CPHACPOL空閑時SCK狀態CLK的第1個時鐘沿數據采集時刻000上升沿時鐘的第1邊沿（上升沿）011下降沿時鐘的第1邊沿（下降沿）100下降沿時鐘的第2邊沿（下降沿）111上升沿時鐘的第2邊沿（上升沿）3.SPI口的設置方法在實際應用中一般是用STM32控制帶有SPI接口的擴展芯片，此時STM32為主控器（主機），SPI接口芯片為從控制。在配置STM32的SPI口時需要我們具備依規辦事的意識，先弄清楚接口芯片的時序圖，然后依據接口芯片的時序圖來設置STM32的SPI時序，設置的原則如下：（1）時鐘的極性要與接口芯片的SPI時鐘極性相同；（2）時鐘序頻率不超過接口芯片SPI時鐘的最高頻率；（3）數據采樣時間相同、數據傳輸的方向相同；（4）每幀數據的位數位相同3.SPI口的設置方法例如，在OLED的控制芯片中，SSD1306的SPI接口時序如下圖所示。時序圖給出了MCU對SSD1306芯片進行讀寫操作時，SSD1306芯片的各引腳的狀態及其出現的時間關系。包括上升沿、下降沿出現的先后次序、間隔的時間、數據線上出現數據的時刻及先后次序等。3.SPI口的設置方法【說明】SSD1306的時序圖中雖沒給出時鐘周期數據，但在實際應用中，SSD1306采用4線制SPI接口時，SCLK的頻率可高達18MHz。從SSD1306的SPI接口時序圖中可以看出以下信息：（1）寫命令和寫數據的時序除DC引腳的狀態不同外，其他引腳的時序相同。寫顯存數據時DC=1，寫命令時DC=0。（2）CS=1時，禁止訪問SSD1306，僅當CS＝0時才能訪問SSD1306。（3）CS的下降沿前，即時鐘空閑時，SCLK可以是高電平，也可以是低電平。（4）時鐘上升沿采樣數據。也就是說，如果空閑時的時鐘為低電平，則數據采集發生在第1個時鐘沿。（5）每次傳輸8位數據，且數據移位的方向是，高位（D7）在先，低位（D0）在后。3.SPI口的設置方法所以，在STM32CubeMX中配置SPI的參數時，應將數位設置成8位，起始位設置成MSB，時鐘的極性設為LOW，時鐘的相位設為第1邊沿，如右圖所示。4.HAL庫中常用的SPI操作函數HAL庫中常用的SPI操作函數主要有HAL_SPI_Init()、HAL_SPI_Receive()、HAL_SPI_Transmit()、HAL_SPI_TransmitReceive()等幾個函數，這些函數的定義位于stm32f1xx_hal_spi.c文件中，這些函數的說明位于stm32f1xx_hal_spi.h中，在使用這些函數時需在程序中用#include指令將stm32f1xx_hal_spi.h頭文件包含至程序文件中。（1）HAL_SPI_Init()函數原型HAL_StatusTypeDefHAL_SPI_Init(SPI_HandleTypeDef*hspi);功能用指定的參數初始化SPI口。參數hspi：SPI口句柄，取值為hspix，x為SPI的編號，取值為1～3。返回值HAL的狀態（2）HAL_SPI_Receive()函數4.HAL庫中常用的SPI操作函數原型HAL_StatusTypeDefHAL_SPI_Receive(SPI_HandleTypeDef*hspi,uint8_t*pData,uint16_tSize,uint32_tTimeout);功能用查詢方式接收若干數據并存放至指定的緩沖區中。參數1hspi：SPI口句柄，取值為hspix，x為SPI的編號，取值為1～3。參數2pData：數據接收緩沖區的地址。參數3Size：接收數據的長度。參數4Timeout：查詢等待的最長時間，單位為ms。返回值HAL的狀態。【舉例】SPI2用查詢方式接收20節字數據，并存入無符號字符型數組rBuf[]中，接收數據的最長時間為100ms，則其程序如下：HAL_SPI_Receive(&hspi2,rBuf,20,100);（3）HAL_SPI_Transmit()函數4.HAL庫中常用的SPI操作函數原型HAL_StatusTypeDefHAL_SPI_Transmit(SPI_HandleTypeDef*hspi,uint8_t*pData,uint16_tSize,uint32_tTimeout)功能用查詢方式發送數據。參數1hspi：SPI口句柄，取值為hspix，x為SPI的編號，取值為1～3。參數2pData：數據接收緩沖區的地址。參數3Size：接收數據的長度。參數4Timeout：查詢等待的最長時間，單位為ms。返回值HAL的狀態。【舉例】用SPI2將無符號字符型變量dat中的數據發送出去，其程序如下：

HAL_SPI_Transmit(&hspi2,&dat,1,0xff);（4）HAL_SPI_TransmitReceive()函數4.HAL庫中常用的SPI操作函數原型HAL_StatusTypeDefHAL_SPI_TransmitReceive(SPI_HandleTypeDef*hspi,uint8_t*pTxData,uint8_t*pRxData,uint16_tSize,uint32_tTimeout);功能用查詢方式同時接收和發送數據。參數1hspi：SPI口句柄，取值為hspix，x為SPI的編號，取值為1～3。參數2pTxData：發送數據緩沖區的地址。參數3pRxData：接收數據緩沖區的地址。參數4Size：收發送數據的長度。參數5Timeout：查詢等待的最長時間，單位為ms。返回值HAL的狀態。【舉例】SPI1工作在全雙工模式下，用SPI1口將aTxBuf[]中的1字節數據發送出去，同時將外部輸入的數據接收到aRxBuf[]中，其程序如下：

HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi1,aTxBuf,aRxBuf,1,0xff);實現方法與步驟任務17的硬件電路：

1．搭建電路

2.生成SPI口的初始化代碼步驟（1）啟動STM32CubeMX，然后新建STM32CubeMX工程、配置SYS、RCC，其中，Debug模式選擇SerialWire，HSE選擇外部晶振。（2）配置時鐘，結果如下圖所示，其中APB1外設時鐘的頻率為36MHz。

2．生成SPI口的初始化代碼步驟(3)配置SPI2口第1步：在窗口中點擊“Pinout&Configuration”標簽，然后在窗口左邊的小窗口中點擊“Categories”標簽，再在配置列表中點擊“Connectivity”->“SPI2”列表項，窗口的中間會顯示如右圖所示的SPI2配置窗口。

2．生成SPI口的初始化代碼步驟(3)配置SPI2口第2步：在SPI2的配置窗口中點擊Mode下拉列表框，從中選擇“TransmitOnlyMaster”（僅主機發送）列表項，Configuration欄中會出現SPI2的一列參數設置項，包括SPI的基本參數、時鐘參數等。如右圖所示。

2．生成SPI口的初始化代碼步驟(3)配置SPI2口第3步：點擊“HardwareNSSSignal”下拉列表框，從中選擇“Disable”，禁止SPI2口的NSS輸出，也就是片選擇信號可能用其他引腳控制。第4步：點擊“ParameterSettings”標簽，然后對SPI2的參數作如右圖設置

3.完善SPI通信程序步驟（1）將任務13中的OLED文件夾（D:\ex\task13中）復制到任務17工程文件所在的文件夾中（D:\ex\task17中）。（2）在Keil工程中新建OLED組，并將OLED文件夾中的oled.c文件添加至OLED組中。（3）修改oled.c文件中的代碼第1步：在oled.c文件的開頭處聲明全局變量hspi2，如下圖所示。

3.完善SPI通信程序步驟（3）修改oled.c文件中的代碼第2步：在OLED_WR_Byte()函數中，注釋掉第50行～第59行的軟件模擬SPI寫數程序，然后添加用硬件SPI2發送數據的代碼，如下圖所示。（4）在Keil工程的include路徑中添加“D:\ex\Task17\OLED”文件夾，該文件夾是oled.h頭文件所在的文件夾。

4.編寫顯示程序步驟（1）按照任務13中所介紹的方法制作本任務中所要顯示漢字的字模，即制作“公民的道德規范愛國敬業誠信友善、”等16個中文字符的字模。（2）將16個中文字符的字模添加至font.h文件的Hzk[]數組中。（3）在main.c文件中添加顯示公民道德規范的程序，程序代碼如下：12345678…#include "oled.h"…intmian(void){…OLED_Init();OLED_ShowCHinese((128-7*16)/2,0,0);//顯示編號為0的漢字公

4.編寫顯示程序main.c文件中的顯示程序9101112131415161718192021

OLED_ShowCHinese((128-7*16)/2+1*16,0,1);//顯示編號為0的漢字民OLED_ShowCHinese((128-7*16)/2+2*16,0,2);//顯示編號為0的漢字的OLED_ShowCHinese((128-7*16)/2+3*16,0,3);//顯示編號為0的漢字道OLED_ShowCHinese((128-7*16)/2+4*16,0,4);//顯示編號為0的漢字德OLED_ShowCHinese((128-7*16)/2+5*16,0,5);//顯示編號為0的漢字規OLED_ShowCHinese((128-7*16)/2+6*16,0,6);//顯示編號為0的漢字范

OLED_ShowCHinese((128-5*16)/2,3,7); //顯示編號為0的漢字愛OLED_ShowCHinese((128-5*16)/2+1*16,3,8);//顯示編號為0的漢字國OLED_ShowCHinese((128-5*16)/2+2*16,3,15);//顯示編號為0的漢字、OLED_ShowCHinese((128-5*16)/2+3*16,3,9);//顯示編號為0的漢字敬OLED_ShowCHinese((128-5*16)/2+4*16,3,10);//顯示編號為0的漢字業

4.編寫顯示程序main.c文件中的顯示程序22…

OLED_ShowCHinese((128-5*16)/2,6,11);//顯示編號為0的漢字民OLED_ShowCHinese((128-5*16)/2+1*16,6,12);//顯示編號為0的漢字的OLED_ShowCHinese((128-5*16)/2+2*16,6,15);//顯示編號為0的漢字道OLED_ShowCHinese((128-5*1