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SPI协议和OLED详解及裸机程序开发分析
 
作者:ZebraWei
  1301  次浏览      17 次
 2023-7-3 
 
编辑推荐:
本文主要介绍了SPI协议和OLED详解及裸机程序开发分析等相关内容。希望对你的学习有帮助。
本文来自简书,由Linda编辑、推荐。

一、SPI协议介绍

市面上的开发板很少接有SPI设备,但是SPI协议在工作中经常用到。开发SPI模块,上面有SPI Flash和SPI OLED。OLED就是一块显示器。

裸板程序会涉及两部分:

用GPIO模拟SPI

用S3C2440的SPI控制器

介绍下SPI协议,硬件框架如下:

SCK:提供时钟

DO:作为数据输出

DI:作为数据输入

CS0/CS1:作为片选

同一时刻只能有一个SPI设备处于工作状态。

设现在2440传输一个0x56数据给SPI Flash,时序如下:

首先CS0先拉低选中SPI Flash,0x56的二进制就是0b0101 0110,因此在每个SCK时钟周期,DO输出对应的电平。

SPI Flash会在每个时钟周期的上升沿读取D0上的电平。

在SPI协议中,有两个值来确定SPI的模式。

CPOL:表示SPICLK的初始电平,0为电平,1为高电平

CPHA:表示相位,即第一个还是第二个时钟沿采样数据,0为第一个时钟沿,1为第二个时钟沿

CPOL CPHA 模式 含义

0 0 0 初始电平为低电平,在第一个时钟沿采样数据

0 1 1 初始电平为低电平,在第二个时钟沿采样数据

1 0 2 初始电平为高电平,在第一个时钟沿采样数据

1 1 3 初始电平为高电平,在第二个时钟沿采样数据

常用的是模式0和模式3,因为它们都是在上升沿采样数据,不用去在乎时钟的初始电平是什么,只要在上升沿采集数据就行。

极性选什么?格式选什么?通常去参考外接的模块的芯片手册。比如对于OLED,查看它的芯片手册时序部分:

SCLK的初始电平我们并不需要关心,只要保证在上升沿采样数据就行。

二、使用GPIO实现SPI协议操作OLED

现在开始写代码,使用GPIO实现SPI协议操作。

现在想要操作OLED,通过三条线(SCK、DO、CS)与OLED相连,这里没有DI是因为2440只会向OLED传数据而不用接收数据。

要用GPIO来实现SOC向OLED写数据,这一层用gpio_spi.c来实现,负责发送数据。

对于OLED,有专门的指令和数据格式,要传输的数据内容,在oled.c这一层来实现,负责组织数据。

因此,我们需要实现以上两个文件。

需要实现的函数:先SPI初始化SPIInt(),再初始化OLEDOLEDInit(),最后再显示OLEDPrint()。

新建一个gpio_spi.c文件,实现SPI初始化SPIInt()

void SPIInit(void)
{
   /* 初始化引脚 */
   SPI_GPIO_Init();
}

 

再具体实现SPI_GPIO_Init()。这里使用GPIO实现SPI协议,电路图如下:

GPF1作为OLED片选引脚,设置为输出;
GPG2作为FLASH片选引脚,设置为输出;
GPG4作为OLED的数据(Data)/命令(Command)选择引脚,设置为输出;
GPG5作为SPI的MISO,设置为输入;
GPG6作为SPI的MOSI,设置为输出;
GPG7作为SPI的时钟CLK,设置为输出;

/* 用GPIO模拟SPI */
static void SPI_GPIO_Init(void)   {
/* GPF1 OLED_CSn output */
GPFCON &= ~(3<<(1*2));
GPFCON |= (1<<(1*2));
GPFDAT |= (1<<1);

/* GPG2 FLASH_CSn output
* GPG4 OLED_DC   output
* GPG5 SPIMISO   input
* GPG6 SPIMOSI   output
* GPG7 SPICLK    output
*/
GPGCON &= ~((3<<(2*2)) | (3<<(4*2)) | (3<<(5*2)) | (3<<(6*2)) | (3<<(7*2)));
GPGCON |= ((1<<(2*2)) | (1<<(4*2)) | (1<<(6*2)) | (1<<(7*2)));
GPGDAT |= (1<<2);
}

再新建一个oled.c文件,以实现初始化OLEDOLEDInit()

void OLEDInit(void)
{
   /* 向OLED发命令以初始化 */
}

查阅OLED数据手册SPEC UG-2864TMBEG01.pdf可以得知其初始化流程和参考的初始化代码:

void OLEDInit(void)
{
/* 向OLED发命令以初始化 */
OLEDWriteCmd(0xAE); /*display off*/ 
OLEDWriteCmd(0x00); /*set lower column address*/ 
OLEDWriteCmd(0x10); /*set higher column address*/ 
OLEDWriteCmd(0x40); /*set display start line*/ 
OLEDWriteCmd(0xB0); /*set page address*/ 
OLEDWriteCmd(0x81); /*contract control*/ 
OLEDWriteCmd(0x66); /*128*/ 
OLEDWriteCmd(0xA1); /*set segment remap*/ 
OLEDWriteCmd(0xA6); /*normal / reverse*/ 
OLEDWriteCmd(0xA8); /*multiplex ratio*/ 
OLEDWriteCmd(0x3F); /*duty = 1/64*/ 
OLEDWriteCmd(0xC8); /*Com scan direction*/ 
OLEDWriteCmd(0xD3); /*set display offset*/ 
OLEDWriteCmd(0x00); 
OLEDWriteCmd(0xD5); /*set osc division*/ 
OLEDWriteCmd(0x80); 
OLEDWriteCmd(0xD9); /*set pre-charge period*/ 
OLEDWriteCmd(0x1f); 
OLEDWriteCmd(0xDA); /*set COM pins*/ 
OLEDWriteCmd(0x12); 
OLEDWriteCmd(0xdb); /*set vcomh*/ 
OLEDWriteCmd(0x30); 
OLEDWriteCmd(0x8d); /*set charge pump enable*/ 
OLEDWriteCmd(0x14); 
}

 

因此我们还要先实现OLEDWriteCmd()函数,对于OLED,除了SPI的片选、时钟、数据引脚,还有一个数据/命令切换引脚。

这里的D/C即数据(Data)/命令(Command)选择引脚,它为高电平时,OLED即认为收到的是数据;它为低电平时,OLED即认为收到的是命令。

对于OLED,命令由开启/关闭显示、背光亮度等,具体有什么命令,可以查阅OLED的主控芯片手册SSD1306-Revision 1.1 (Charge Pump).pdf,在9 COMMAND TABLE 有相关命令的介绍。

因此,在编写OLEDWriteCmd()时,需要先设置为命令模式

static void OLEDWriteCmd(unsigned char cmd)
{
   OLED_Set_DC(0); /* command */
   OLED_Set_CS(0); /* select OLED */

   SPISendByte(cmd);

   OLED_Set_CS(1); /* de-select OLED */
   OLED_Set_DC(1); /*  */
}

 

即:先设置为命令模式,再片选OLED,再传输命令,再恢复成原来的模式和取消片选。

片选函数和模式切换函数都比较简单,设置为对应的高低电平即可:

static void OLED_Set_DC(char val)
{
if (val)
    GPGDAT |= (1<<4);
else
    GPGDAT &= ~(1<<4);
}

static void OLED_Set_CS(char val)
{
if (val)
    GPFDAT |= (1<<1);
else
    GPFDAT &= ~(1<<1);
}

 

还剩下SPISendByte()函数,它属于SPI协议,放在gpio_spi.c里面:

void SPISendByte(unsigned char val)
{
int i;
for (i = 0; i < 8; i++)
{
    SPI_Set_CLK(0);
    SPI_Set_DO(val & 0x80);
    SPI_Set_CLK(1);
    val <<= 1;
}
}

 

发送数据要满足SPI的时序要求,参考前面的介绍:

先设置CLK为低,然后数据引脚输出数据的最高位,然后CLK为高,在CLK这个上升沿中,OLED就读取了一位数据。接着左移一位,将原来的第7位移动到了第8位,重复8次,传输完成。

再完成SPI_Set_CLK()和SPI_Set_DO():

static void SPI_Set_CLK(char val)
{
if (val)
    GPGDAT |= (1<<7);
else
    GPGDAT &= ~(1<<7);
}

static void SPI_Set_DO(char val)
{
if (val)
    GPGDAT |= (1<<6);
else
    GPGDAT &= ~(1<<6);
}

 

至此,SPI初始化和OLED初始化就基本完成了,接下来就是OLED显示部分。

先了解一下OLED显示的原理:

OLED长有128个像素,宽有64个像素,每个像素用一位来表示,为1则亮,为0则灭。

每一个字节数据Datax控制每列8个像素,在显存里面存放Data数据。

之后所需的操作就是把数据写到显存里面去,如何写到显存可以拆分成两个问题:

①怎么发地址

②怎么发数据

OLED主控的手册里介绍了三种地址模式,我们常用的是页地址模式(Page addressing mode (A[1:0]=10xb)),它把显存的64行分为8页,每页对应8行;选中某页后,再选择某列,然后就可以往里面写数据了,每写一个数据,地址就会加1,一直写到最右端的位置,他会自动跳到最左端。

通过命令来实现发送页地址和列地址,其中列地址分为两次发送,先发送低字节,再发送高字节。

假设每个字符数据大小为8x16,假如第一个字符位置为(page,col),相邻的右边就是(page,col+8),写满一行跳至下一行的坐标就是(page+2,col)。

/* page: 0-7
 * col : 0-127
 * 字符: 8x16象素
 */
void OLEDPrint(int page, int col, char *str)
{
int i = 0;
while (str[i])
{
    OLEDPutChar(page, col, str[i]);
    col += 8;
    if (col > 127)
    {
        col = 0;
        page += 2;
    }
    i++;
}
}

 

只要字符数组str[i]有数据,就调用OLEDPutChar(page, col, str[i])在指定位置显示第一个字符,然后位置向右移动一个字符的大小,如果遇到行尾,再进行换行,就这样依次显示完所有字符。

现在开始实现最重要的OLEDPutChar()函数。把一个字符在OLED上显示出来需要以下几个步骤:

a. 得到字模

b. 发给OLED

字模我们可以从网上搜索相关资料获取到,将字模的数组oled_asc2_8x16[95][16]放在oledfont.c里面,字符从空格开始,因此每次减去一个空格才是我们想要的字符。

如图所示一个字符,先以(page, col)为起点,显示8位数据,再换行,以(page+1, col)为起点显示8位数据。

/* page: 0-7
 * col : 0-127
 * 字符: 8x16象素
*/
void OLEDPutChar(int page, int col, char c)
{
int i = 0;
/* 得到字模 */
const unsigned char *dots = oled_asc2_8x16[c - ' '];

/* 发给OLED */
OLEDSetPos(page, col);
/* 发出8字节数据 */
for (i = 0; i < 8; i++)
    OLEDWriteDat(dots[i]);

OLEDSetPos(page+1, col);
/* 发出8字节数据 */
for (i = 0; i < 8; i++)
    OLEDWriteDat(dots[i+8]);
}

显示一个字符,就先获取字模数据,接着发出8字节数据,再换行发出8字节数。

再来实现OLED设置坐标位置函数,先设置page:

D0~D2表示page数据,D3-D7是固定的值,因此每次写的命令内容为0xB0+page;

再设置列:

分两次发送,显示发送低字节4位,再发送高字节四位;

static void OLEDSetPos(int page, int col)
{
OLEDWriteCmd(0xB0 + page); /* page address */

OLEDWriteCmd(col & 0xf);   /* Lower Column Start Address */
OLEDWriteCmd(0x10 + (col >> 4));   /* Lower Higher Start Address */
}

 

前面提到了OLED主控有三种地址模式,我们常用的是页地址模式(Page addressing mode (A[1:0]=10xb)),虽然这是默认的摸索,但还是设置一下比较好:

即先发送0x20,再设置A[1:0]=10:

static void OLEDSetPageAddrMode(void)
{
   OLEDWriteCmd(0x20);
   OLEDWriteCmd(0x02);
}

 

在显示中,一般都需一个清屏函数来清空当前可能显示的数据。清屏函数比较简单,往所有位置里面写0即可:

static void OLEDClear(void)
{
int page, i;
for (page = 0; page < 8; page ++)
{
    OLEDSetPos(page, 0);
    for (i = 0; i < 128; i++)
        OLEDWriteDat(0);
}
}

 

再把地址模式OLEDSetPageAddrMode()和清屏函数OLEDClear()放在SPI_GPIO_Init()里,在Makefile加上gpio_spi.o和oled.o。

最后在主函数里加上初始化和显示函数:

三、SPI_FLASH编程_读ID

这节讲解如何使用SPI操作Flash,代码上进行修改,添加一个文件 spi_flash.c 和其头文件 spi_flash.h 。

先做一个最简单的spi操作,读取Flash的ID, SPIFlashID() 。

Flash的ID有厂家ID和设备ID,分别用pMID和pDID来保存。

根据Flash的芯片手册 W25Q16DV.pdf 可以知道需要先发出一个指令0x90,再发送24位的地址0,再读取数据前8位是设备ID,然后是8位设备ID。进行操作前必须要片选SPI Flash,片选完还是释放SPI Flash:

void SPIFlashReadID(int *pMID, int *pDID)
{
SPIFlash_Set_CS(0); /* 选中SPI FLASH */

SPISendByte(0x90);

SPIFlashSendAddr(0);

*pMID = SPIRecvByte();
*pDID = SPIRecvByte();

SPIFlash_Set_CS(1);
}

 

把其中的发送24地址封装成了一个函数 SPIFlashSendAddr() :

static void SPIFlashSendAddr(unsigned int addr)
{
SPISendByte(addr >> 16);
SPISendByte(addr >> 8);
SPISendByte(addr & 0xff);
}

 

依次完成上面的子函数,先是SPI片选,上一节的原理图可以看到SPI Flash的片选是GPG2:

static void SPIFlash_Set_CS(char val)
{
if (val)
    GPGDAT |= (1<<2);
else
    GPGDAT &= ~(1<<2);
}

 

SPISendByte() 和前面OLED的是一样的,就不用写了,因此就只剩下 SPIRecvByte() ,放在 gpio_spi.c 里面实现:

unsigned char SPIRecvByte(void)
{
int i;
unsigned char val = 0;
for (i = 0; i < 8; i++)
{
    val <<= 1;
    SPI_Set_CLK(0);
    if (SPI_Get_DI())
        val |= 1;
    SPI_Set_CLK(1);
}
return val;    
}

在每个时钟周期读取DI引脚上的值,对于SOC就是MISO引脚:

static char SPI_Get_DI(void)
{
if (GPGDAT & (1<<5))
    return 1;
else 
    return 0;
}

 

至此,读取Flash的ID基本实现,最后在主函数里调用打印,分别在串口和OLED上显示:

SPIFlashReadID(&mid, &pid);
printf("SPI Flash : MID = 0x%02x, PID = 0x%02x\n\r", mid, pid);

sprintf(str, "SPI : %02x, %02x", mid, pid);
OLEDPrint(4,0,str);
   
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