ARM --- SPI通信协议简介，IMX6ULL使用SPI与ADXL345传感器进行数据通信

一. SPI 简介

串行 同步 全双工

1.1 简介

SPI全称是Serial Perripheral Interface，也就是串行外围设备接口。SPI 是Motorola公司推出的一种同步串行接口技术，是一种高速、全双工的同步通信总线，SPI 时钟频率相比 I2C 要高很多，最高可以工作在几MHz，几十MHz，甚至上百 MHz。SPI 以主从方式工作，通常是有一个主设备和一个或多个从设备，一般 SPI 需要 4 根线，但是也可以使用三根线(单向传输)

1.2 SPI 四根线

①、CS/SS(Slave Select/Chip Select)：这个是片选信号线，用于选择需要进行通信的从设 备。I2C 主机是通过发送从机设备地址来选择需要进行通信的从机设备的，SPI 主机不需要发送从机设备，直接将相应的从机设备片选信号拉低即可

②、SCLK(Serial Clock)：串行时钟，和 I2C 的 SCL 一样，为 SPI 通信提供时钟。

③、MOSI/SDO(Master Out Slave In/Serial Data Output)：简称主出从入信号线，这根数据线只能用于主机向从机发送数据，也就是主机输出，从机输入。

④、MISO/SDI(Master In Slave Out/Serial Data Input)：简称主入从出信号线，这根数据线只能用户从机向主机发送数据，也就是主机输入，从机输出。

SPI 通信都是由主机发起的，主机需要提供通信的时钟信号。主机通过 SPI 线连接多个从设备的结构如图所示：

1.3 SPI 的四种工作模式

SPI 有四种工作模式，通过串行时钟极性(CPOL)和串行时钟相位(CPHA)的搭配来得到四种工作模式

串行时钟极性CPOL(Clock Polarity)：

CPOL = 0代表串行时钟线空闲状态为低电平

CPOL = 1代表串行时钟线空闲状态为高电平

串行时钟相位CPHA(Clock Phase)：

CPHA = 0代表在串行时钟线的第一个跳变沿进行数据采集

CPHA = 1代表在串行时钟线的第二个跳变沿进行数据采集

可知，通过组合，SPI 总共有四种工作模式：

CPOL CPHA
1 0：SCLK空闲为高电平，SPI下降沿采样
1 1：SCLK空闲为高电平，SPI上升沿采样
0 0：SCLK空闲为低电平，SPI上升沿采样
0 1：SCLK空闲为低电平，SPI下降沿采样

四种工作模式如下图所示：

CPOL = 0, CPHA = 1,这个工作模式的时序图如下图所示：

从图可以看出，SPI 的时序图很简单，不像 I2C 那样还要分为读时序和写时序，因为 SPI 是全双工的，所以读写时序可以一起完成。图中，CS 片选信号先拉低，选中要通信的从设备，然后通过MOSI和MISO这两根数据线进行收发数据，MOSI 数据线发出了 0XD2 这个数据给从设备，同时从设备也通过 MISO 线给主设备返回了 0X66 这个数据

注意：

1、SPI协议与I2C不同的是，I2C协议规定了数据传输方式是高位先行(MSB)，而SPI则是根据所选的从机不同，有不同的规定，但是，大多情况下(90%)都是高位先行(MSB)

2、数据的收发必须建立在片选线为低电平的前提下

1.4 SPI 与 I2C 的区别

1、I2C 固定两根线：SCL 与 SDA

SPI 三或者四根线：SCLK，CS，MOSI，MISO

2、I2C通过七位从机地址对从机进行寻址

SPI通过将对应的片选电平拉低拉选择与哪个从机进行通信

3、I2C 标准速率 100K，高速为400K

SPI 速率可达M，几十或者几百MHz

4、I2C:半双工 同步 串行

SPI:全双工 同步 串行

二. IMX6ULL 的 SPI 模块

2.1 IMX6ULL 的 ECSPI 简介

IMX6ULL 自带的 SPI 外设叫做 ECSPI，全称是 Enhanced Configurable Serial Peripheral Inte rface。ECSPI 有64*32 个接收 FIFO(RXFIFO)和64*32 个发送 FIFO(TXFIFO)，

IMX6ULL 有 4 个 ECSPI，每个 ECSPI 支持四个片选信号，ECSPI 特性如下：

①、全双工同步串行接口。

②、可配置的主/从模式。

③、四个片选信号，支持多从机。

④、发送和接收都有一个 32x64 的 FIFO。

⑤、片选信号 SS/CS，时钟信号 SCLK 极性可配置。

⑥、支持 DMA。

2.2 ECSPI 时钟源的选择

如下图所示：时钟源来源于pll3_sw_clk并且经过了8 分频，480/8 = 60 MHz，设置CSCDR2的ECSPI_CLK_SEL选择pll3作为时钟源

2.3 相关寄存器

2.3.1 ECSPIx_CONREG 控制寄存器

2.3.2 ECSPIx_CONFIGREG 配置寄存器

2.3.3 ECSPIx_STATREG 状态寄存器

三. IMX6ULL 使用 SPI 与ADXL345 通信

3.1 ADXL345 简介

ADXL345：三轴数字加速度计

3.1.1 主要参数

工作电压：2 v - 3.6 v

量程：±2g / ±4g / ±8g / ±16g

分辨率：±16g 时最高可达13bit

灵敏度：32 / (2^13 - 1) = 32/8191 = 0.0039 = 3.9mg

3.1.2 传感器读/写时序

1、写时序

可以看到：

1、在写入传感器时，先向其发送了一字节的寄存器地址，并且寄存器地址的最高位是 0 代表着写传感器，同理，最高位是 1 则代表读传感器

2、也可以看到，这款传感器的 SPI 时序，在时钟线空闲时呈高电平，并且是在时钟线的第二个边沿对数据进行采样，这些都要在 SPI 初始化函数中要进行相应的配置

2、读时序

3.1.3 主要配置寄存器

1、ID 寄存器：0x00

存放器件 ID，固定为：0xE5

2、输出速率设置寄存器 0x2C

3、休眠设置寄存器：0x2D

4、中断设置寄存器：0x2E

设置为禁止中断

5、分辨率设置寄存器

设置为满分辨率：13位

6、数据传感器

低字节数据存低地址，高字节数据存高地址

示例代码：

//原始数据 // x轴数据 ret.x = adxl345_read(0x32); ret.x |= adxl345_read(0x33) << 8; // y轴数据 ret.y = adxl345_read(0x34); ret.y |= adxl345_read(0x35) << 8; // z轴数据 ret.z = adxl345_read(0x36); ret.z |= adxl345_read(0x37) << 8;

3.2 SPI 初始化函数

这里使用 SPI3

注意：

1、将相应的引脚设置为相应的复用模式

2、在设置引脚的电气属性时注意：由于 SPI 是高速通信协议，所以需要设置高速压摆率，其余保持默认不变即可

3、在设置寄存器 CONREG 的 EN 位时，必须在操作其他寄存器前设置这一位，故这一步应该放在最前面

示例代码：

//初始化 SPI3 void spi3_init(void) { //1、引脚复用 IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART2_TX_DATA_GPIO1_IO20, 0); //SPI3 片选线 IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART2_RX_DATA_ECSPI3_SCLK, 0); //SPI3 时钟线 IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART2_CTS_B_ECSPI3_MOSI, 0); //SPI3 的MOSI IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART2_RTS_B_ECSPI3_MISO, 0); //SPI3 的MISO //2、引脚电气属性 //注意这里要将 SRE 位置1，因为SPI是高速通信，需要设置高速压摆率，其他不变 IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART2_TX_DATA_GPIO1_IO20, 0x10B1); IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART2_RX_DATA_ECSPI3_SCLK, 0x10B1); IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART2_CTS_B_ECSPI3_MOSI, 0x10B1); IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART2_RTS_B_ECSPI3_MISO, 0x10B1); //3、设置片选，GPIO1_IO20，低电平片选，故通信前，先设置为高电平 GPIO1->GDIR |= (1 << 20); GPIO1->DR |= (1 << 20); //4、配置相关寄存器 //控制寄存器 ECSPI3->CONREG = 0; ECSPI3->CONREG |= (1 << 0); //使能 SPI ECSPI3->CONREG |= (1 << 3); //向TXFIFO中写入数据立即启动一次通信 ECSPI3->CONREG |= (1 << 4); //将通道0设置为主机模式 ECSPI3->CONREG |= (2 << 8); //将Post Divider设置为4分频 ECSPI3->CONREG |= (0x0E << 12); //将Pre Divider设置为15分频 ECSPI3->CONREG |= (7 << 20); //数据长度为8bit //ECSPI3->CONREG |= (1 << 0); //使能 SPI //配置寄存器 ECSPI3->CONFIGREG = 0; ECSPI3->CONFIGREG |= (1 << 0); //设置通道0时钟相位为1，在第二个跳变沿进行采样 ECSPI3->CONFIGREG |= (1 << 4); //设置通道0时钟极性，时钟线空闲时为高电平 ECSPI3->CONFIGREG |= (1 << 20); //设置不工作时，时钟线为高电平 //使能 SPI，必须在操作其他寄存器前设置这一位 //ECSPI3->CONREG |= (1 << 0); }

3.3 SPI 读写函数

SPI是全双工移位通信：主从两侧各有一个移位寄存器。每个时钟沿到来时，主机通过 MOSI 往外“移出”1位，同时从 MISO “移入”1位。也就是——每“写”一位的同时必然“读”到一位。

写即是读：往总线“写”一个字节（移出8位），同一过程里也会“读”回从机在MISO上的8位（可能是无效/占位字节）。

读即是写：从从机“读”数据，必须提供时钟，所以主机必须同时“写”出一个占位字节（通常是0xFF或0x00），用这些时钟把从机的数据“移入”。

示例代码：

使用标志位来判断读写是否完成

//SPI3 读写函数---写即是读，读即是写 unsigned int spi3_read_write(unsigned int data) { while( (ECSPI3->STATREG & (1 << 0)) == 0 ); ECSPI3->TXDATA = data; while( (ECSPI3->STATREG & (1 << 3)) == 0 ); return (ECSPI3->RXDATA); }

3.4 ADXL345 的读写函数

注意：

1、读传感器时，所发送的寄存器地址的最高位必须是 1

spi3_read_write(reg_addr | 0x80);

2、读传感器时，必须发送一字节的占位数据

3、读写前通过拉低片选线来进行选择传感器

示例代码：

//ADXL345 写函数 void adxl345_write(unsigned char reg_addr, unsigned char data) { //1、拉低片选 GPIO1->DR &= ~(1 << 20); //2、发送寄存器地址 spi3_read_write(reg_addr); //3、发送数据 spi3_read_write(data); //4、拉高片选 GPIO1->DR |= (1 << 20); } //ADXL345 读函数 unsigned char adxl345_read(unsigned char reg_addr) { unsigned char ret; //1、拉低片选 GPIO1->DR &= ~(1 << 20); //2、发送寄存器地址，读时，地址最高位是1 spi3_read_write(reg_addr | 0x80); //3、发送一个占位数据 ret = spi3_read_write(0xFF); //4、拉高片选 GPIO1->DR |= (1 << 20); return ret; }

3.5 ADXL345 初始化函数

前面介绍了 ADXL345 的一些寄存器，初始化传感器就是对这些寄存器进行配置

示例代码：

//ADXL345 初始化 void adxl345_init() { // 关闭中断 adxl345_write(0x2E, 0x08); // 满分辨率 13位 adxl345_write(0x31, 0x0B); // 速率 25HZ adxl345_write(0x2C, 0x08); // 工作模式 adxl345_write(0x2D, 0x0B); }

3.6 读取传感器数据函数

注意：在转换原始数据时需要乘 0.0039

示例代码:

//结构体定义 typedef struct ADXL345_Data { short x; short y; short z; float x_g; float y_g; float z_g; }ADXL345_Data_t; //读取原始数据 ADXL345_Data_t adxl345_get_vlalue(void) { ADXL345_Data_t ret; //原始数据 // x轴数据 ret.x = adxl345_read(0x32); ret.x |= adxl345_read(0x33) << 8; // y轴数据 ret.y = adxl345_read(0x34); ret.y |= adxl345_read(0x35) << 8; // z轴数据 ret.z = adxl345_read(0x36); ret.z |= adxl345_read(0x37) << 8; //转换后数据 ret.x_g = ret.x * 0.0039; ret.y_g = ret.y * 0.0039; ret.z_g = ret.z * 0.0039; return ret; }

主函数调用：

//初始化 SPI3 spi3_init(); //初始化 ADXL345 adxl345_init(); ADXL345_Data_t ret = { 0 }; unsigned char id = 0; int i, j, k; while(1) { id = adxl345_read(0); ret = adxl345_get_vlalue(); printf("ADXL345_ID is %#x\n",id); printf("x:%d y:%d z:%d\n", ret.x, ret.y, ret.z); i = ret.x_g * 10; if(i < 0) { i *= -1; printf("x_accel:-%d.%d ",i / 10, i % 10); } else { printf("x_accel:%d.%d ",i / 10, i % 10); } j = ret.y_g * 10; if(j < 0) { j *= -1; printf("y_accel:-%d.%d ",j / 10, j % 10); } else { printf("y_accel:%d.%d ",j / 10, j % 10); } k = ret.z_g * 10; if(k < 0) { k *= -1; printf("z_accel:-%d.%d\n",k / 10, k % 10); } else { printf("z_accel:%d.%d\n",k / 10, k % 10); } delay_ms(1000); } return 0;

结果：