[技术讨论]

【平头哥RVB2601开发板试用体验】用GPIO模拟SPI接口读取传感器数据的方法

2022-3-8 06:14:59 508 RISC-V

0 一、概述 SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是一种全双工同步串行通信接口，它用于MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息，通信速度最高可达25MHz以上，SPI接口主要应用在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W800，传输网络信息，SPI1连接到OLED，用于数据显示，理论上来讲，一个SPI总线上可以挂接多个设备，但是如果各设备的时序逻辑、时钟频率不一致，会导致数据传输效率低下、读写错误、甚至死机，所以我借鉴Arduino开发板上的软件模拟SPI方式，基于平头哥RVB2601开发板，通过GPIO连接外设，实现连接一个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通常由四条线组成，一条主设备输出与从设备输入（Master Output Slave Input，MOSI），一条主设备输入与从设备输出（Master Input Slave Output，MISO），一条时钟信号（Serial Clock，SCLK），一条从设备使能选择（Chip Select，CS）。与I²C类似，协议都比较简单，也可以使用GPIO模拟SPI时序。 SPI可以一个主机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21.1.1 和图 21.1.2 所示。数据交换在SCK时钟周期的驱动下，MOSI和MISO同时进行，如图 21.1.3 所示，可以看作一个虚拟的环形拓扑结构。主机和从机都有一个移位寄存器，主机移位寄存器数据经过MOSI将数据写入从机的移位寄存器，此时从机移位寄存器的数据也通过MISO传给了主机，实现了两个移位寄存器的数据交换。无论主机还是从机，发送和接收都是同时进行的，如同一个“环”。如果主机只对从机进行写操作，主机只需忽略接收的从机数据即可。如果主机要读取从机数据，需要主机发送一个空数据来引发从机发送数据。传输模式 SPI有四种传输模式，如表 21.1.2 所示，主要差别在于CPOL和CPHA的不同。 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。如图 21.1.4 所示，CPHA=0时，表示在时钟第一个时钟边沿采样数据。当CPOL=1，即空闲时为高电平，从高电平变为低电平，第一个时钟边沿（下降沿）即进行采样。当CPOL=0，即空闲时为低电平，从低电平变为高电平，第一个时钟边沿（上升沿）即进行采样。如图 21.1.5 所示，CPHA=1时，表示在时钟第二个时钟边沿采样数据。当CPOL=1，即空闲时为高电平，从高电平变为低电平再变为高电平，第二个时钟边沿（上升沿）即进行采样。当CPOL=0，即空闲时为低电平，从低电平变为高电平再变为低电平，第二个时钟边沿（下降沿）即进行采样。三、传感器时序（参考MAX6675使用笔记） MAX6675是一款精密的热电偶数字转换器，内置12位模数转换器（ADC）。 MAX6675还包括冷端补偿检测和校正，数字控制器，SPI兼容接口以及相关的控制逻辑。MAX6675设计用于在恒温，过程控制或监控应用中与外部微控制器或其他智能器件配合使用。 1.温度转换 MAX6675包括信号调节硬件，可将热电偶的信号转换为与ADC输入通道兼容的电压。T +和T-输入连接到内部电路，可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）与0°C虚拟基准之间的差异。对于K型热电偶，电压变化为41µV /°C，可通过以下线性方程式近似热电偶特性： 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度差。热电偶的热端可以读取0°C至+ 1023.75°C的温度。冷端（安装MAX6675的电路板的环境温度）只能在-20°C至+ 85°C的范围内变化。当冷端温度波动时，MAX6675继续准确地感应另一端的温差。 MAX6675利用冷端补偿来检测并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。为了进行实际的热电偶温度测量，MAX6675测量来自热电偶输出和检测二极管的电压。器件的内部电路将二极管的电压（感测环境温度）和热电偶电压（感测远端温度减去环境温度）传递到ADC中存储的转换函数，以计算热电偶的热端温度。当热电偶冷端和MAX6675处于相同温度时，可实现*佳性能。避免在MAX6675附近放置发热设备或元件，因为这可能会产生与冷端有关的错误。 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，并将12位结果读出到SO引脚上，全零序列表示热电偶读数为0°C。全部为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。通过串行接口传输数据，强制CS为低电平将立即停止任何转换过程，并在SCK处施加时钟信号以读取SO处的结果，通过强制CS高电平来启动新的转换过程。完整的串行接口读取需要16个时钟周期，在时钟的下降沿读取16个输出位，第一位D15是伪符号位，始终为0，D14–D3位包含从MSB到LSB的转换温度，当热电偶输入断开时，D2位通常为低电平，而变为高电平， D1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LED Demo新建项目，在项目文件夹appinclude中新增头文件“soft_spi.h”，定义SPI传输涉及的数据变量，如大端MSBFIRST，时钟电平延时SOFTSPI_CLOCK_DIV2（本例以1us为基准，进行延时，得到相应脉冲宽度，其最小值已经超过MAX6675要求的100ns，用于传输速率较低的场合，但是如果用于显示屏，可能会出现刷新慢，卡顿的现象，要求高的话，建议采用硬件SPI），采用传输模式SOFTSPI_MODE2，SPI接口引脚PA7、PA25、PA4，其中MISO（PA7）为输入引脚，其它全为输出引脚。初始化函数spi_pinmux_init()，工作模式setDataMode(uint8_t)，传输函数transfer16(uint16_t data)，读取温度值read_temp(uint16_t data)。 #ifndef __SOFTSPI_H_ #define __SOFTSPI_H_ //#include "stdint.h" #include #include #include "drv/gpio_pin.h" #include #ifndef LSBFIRST #define LSBFIRST 0 #endif #ifndef MSBFIRST #define MSBFIRST 1 #endif #define SOFTSPI_MODE0 0x00 #define SOFTSPI_MODE1 0x04 #define SOFTSPI_MODE2 0x08 #define SOFTSPI_MODE3 0x0C #define SOFTSPI_MISO PA7 #define SOFTSPI_MOSI PA25 #define SOFTSPI_SCK PA4 void wait(uint32_t del); void spi_pinmux_init(); void setBitOrder(uint8_t); void setDataMode(uint8_t); uint8_t transfer(uint8_t); uint16_t transfer16(uint16_t data); uint16_t read_temp(uint16_t data); #endif 在项目文件夹appsrc中新增源文件“soft_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< 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 l; uint8_t m; }; } in, out; in.val = data; if ( _order == MSBFIRST ) { out.m* = transfer(in.m*); out.l* = transfer(in.l*); } else { out.l* = transfer(in.l*); out.m* = transfer(in.m**); } 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:%dnr",t0); printf("temprature:%dnr",read_temp(0x7fff)); } 测试效果图：六、总结通过本项目，用RVB2601的GPIO实现了SPI时序逻辑接口的数据传输，我感受到了用CDK开发的乐趣，总体上很满意！美中不足的地方，就是板子引出的IO口少了点，为了使用这几个引脚，暂时把LED的连接断开了，后面有时间会进行简单的扩展；另外还有预定义功能，#ifdef 和#endif之间的代码块，如果不参与编译，也没有任何提示，在引用其间函数的时候，会出现undefined reference报错，定位的行号也不准确，给调试造成困难，希望后面的版本能够改进一下！文章转载自：平头哥芯片开放社区作者：sqhone 0
2022-3-8 06:14:59　　评论淘帖0 举报相关推荐 • 【平头哥RVB2601开发板试用体验】用GPIO模拟SPI接口读取传感器数据 998 • 【平头哥RVB2601开发板试用体验】平头哥RVB2601开发板_CDK试用体验 1487 • 【平头哥RVB2601开发板试用体验】开箱 1172 • 【平头哥RVB2601开发板试用体验】+HelloWorld 704 • 使用平头哥RVB2601开发板设计智能家居助手 1664 • 【平头哥RVB2601开发板试用】平头哥纯小白的demo试用 535 • 平头哥RVB2601开发板疑问 2674 • 【平头哥RVB2601开发板试用体验】开发指南之硬件入门GPIO 423 • 【平头哥RVB2601开发板试用】GPIO控制的流水灯设计 622 • RVB2601开发板快速上手教程 10