ARM嵌入基礎應用 9

第11章

SPI接口與

OLED顯示屏作者：黃克亞2025年5月本章概要CONTENTSSPI通信接口與互連方式SPI相關庫函數STM32F103的SPI工作原理OLED顯示屏簡介及連接方式OLED顯示項目實施11.1SPI通信原理SPI（SerialPeripheralInterface串行外設接口）是由美國摩托羅拉公司提出的一種高速全雙工串行同步通信接口。SPI采用主/從模式（master/slave），支持一個或多個從設備，能夠實現主設備和從設備之間的高速數據通信。11.1SPI通信原理11.1.1SPI接口SCK（SerialClock），即時鐘線，由主設備產生MOSI（MasterOutputSlaveInput），即主設備數據輸出/從設備數據輸入線MISO（MasterInputSlaveOutput），即主設備數據輸入/從設備數據輸出線SS（SlaveSelect），SPI從設備選擇信號線SPI接口還有包含一個串行移位寄存器，如右圖所示SPI接口組成11.1SPI通信原理11.1.2SPI互連1.“一主一從”一個SPI主設備和一個SPI從設備進行通信。主設備的SCK、MOSI、MISO和從設備的SCK、MOSI、MISO直接相連。主設備的SS置高電平，從設備的SS接地?！耙恢饕粡摹钡腟PI互連11.1SPI通信原理11.1.2SPI互連2.“一主多從”一個SPI主設備可以和多個SPI從設備進行通信。所有的SPI設備（包括主設備和從設備）共享時鐘線和數據線。在主設備端使用多個GPIO引腳來選擇不同的SPI從設備?！耙恢鞫鄰摹钡腟PI互連11.2STM32F103的

SPI工作原理STM32F103微控制器的小容量產品有1個SPI接口，中等容量產品有2個SPI，大容量產品則有3個SPI。11.2STM32F103的SPI工作原理11.2.1SPI主要特征●3線全雙工同步傳輸●帶或不帶第三根雙向數據線的雙線單工同步傳輸●8或16位傳輸幀格式選擇●主或從操作●支持多主模式●8個主模式波特率預分頻系數(最大為fPCLK/2)●從模式頻率(最大為fPCLK/2)●主模式和從模式的快速通信●主模式和從模式下均可以由軟件或硬件進行NSS管理：主/從操作模式的動態改變●可編程的時鐘極性和相位●可編程的數據順序，MSB在前或LSB在前●可觸發中斷的專用發送和接收標志●SPI總線忙狀態標志●支持可靠通信的硬件CRC●可觸發中斷的主模式故障、過載以及CRC錯誤標志●支持DMA功能的1字節發送和接收緩沖器：產生發送和接受請求STM32F103微控制器的SPI模塊允許MCU與外部設備以半/全雙工、同步、串行方式通信。通常，它被配置為主模式，并為外部從設備提供通信時鐘。11.2STM32F103的SPI工作原理11.2.2SPI內部結構STM32F103微控制器SPI主要由波特率發生器，收發控制和數據存儲轉移三部分組成●MISO：主設備輸入/從設備輸出引腳。●MOSI：主設備輸出/從設備輸入引腳?！馭CK：串口時鐘，作為主設備的輸出，從設備的輸入●NSS：從設備選擇。這是一個可選的引腳，用來選擇主/從設備。11.2STM32F103的SPI工作原理11.2.3時鐘信號的相位和極性CPOL(時鐘極性)

:如果CPOL被清“0”，SCK引腳在空閑狀態保持低電平；如果CPOL被置“1”，SCK引腳在空閑狀態保持高電平。CPHA(時鐘相位):如果CPHA位被清“0”，數據在SCK時鐘的奇數跳變沿進行數據位的存取如果CPHA位被置“1”，數據在SCK時鐘的偶數跳變沿進行數據位的存取11.2STM32F103的SPI工作原理11.2.3時鐘信號的相位和極性SPI通信的時序模型由SPI控制寄存器SP1_CR1中的CPOL位和CPHA位控制，由CPOL和CPHA的不同組合構成了4種SPI時序模式，如下表所示：SPI時序模式CPOL時鐘極性CPHA時鐘相位空閑時SCK電平采樣時刻模式

000低電平第1跳變沿模式

101低電平第2跳變沿模式

210高電平第1跳變沿模式

311高電平第2跳變沿11.2STM32F103的SPI工作原理11.2.4數據幀格式由SPI_CR1寄存器的LSBFIRST位，輸出數據位時可以MSB在先或LSB在先由SPI_CR1寄存器的DFF位，每個數據幀可以是8位或16位數據幀格式決定發送/接收的數據長度11.2STM32F103的SPI工作原理11.2.5配置SPI為主模式011.通過SPI_CR1寄存器的BR[2:0]位定義串行時鐘波特率。2.選擇CPOL和CPHA位，定義數據傳輸和串行時鐘間的相位關。3.設置DFF位來定義8位或16位數據幀格式。4.配置SPI_CR1寄存器的LSBFIRST位定義幀格式。5.如果需要NSS引腳工作在輸入模式，——硬件模式下，在整個數據幀傳輸期間應把NSS腳連接到高電平；——在軟件模式下，需設置SPI_CR1寄存器的SSM位和SSI位?！绻鸑SS引腳工作在輸出模式，則只需設置SSOE位。6.必須設置MSTR位和SPE位(只當NSS腳被連到高電平，這些位才能保持置位)。配置步驟（

MOSI引腳是數據輸出，而MISO引腳是數據輸入）02當寫入數據至發送緩沖器時，發送過程開始。數據發送過程03●傳送移位寄存器里的數據到接收緩沖器，并且RXNE標志被置位?！袢绻O置了SPI_CR2寄存器中的RXNEIE位，則產生中斷。數據接收過程11.2STM32F103的SPI工作原理11.2.6配置SPI為從模式011.設置DFF位以定義數據幀格式為8位或16位。2.選擇CPOL和CPHA位來定義數據傳輸和串行時鐘之間的相位關系。為保證正確的數據傳輸，從設備和主設備的CPOL和CPHA位必須配置成相同的方式。3.幀格式(SPI_CR1寄存器中的LSBFIRST位定義的”MSB在前”還是”LSB在前”)必須與主設備相同。4.硬件模式下(參考從選擇(NSS)腳管理部分)，在完整的數據幀(8位或16位)傳輸過程中，NSS引腳必須為低電平。在NSS軟件模式下，設置SPI_CR1寄存器中的SSM位并清除SSI位。5.清除MSTR位、設置SPE位(SPI_CR1寄存器)，使相應引腳工作于SPI模式下配置步驟（

MOSI引腳是數據輸入，MISO引腳是數據輸出）02在寫操作中，數據字被并行地寫入發送緩沖器。數據發送過程03●移位寄存器中的數據傳送到接收緩沖器，SPI_SR寄存器中的RXNE標志被設置?！袢绻O置了SPI_CR2寄存器中的RXNEIE位，則產生中斷。數據接收過程11.3OLED顯示屏OLED顯示屏具有自發光、廣視角、幾乎無窮高的對比度、較低耗電、極高反應速度等優點。但是作為高端顯示屏，價格上也會比LCD貴。11.3OLED顯示屏11.3.1OLED簡介有機發光二極管（英文：OrganicLight-EmittingDiode，縮寫：OLED）又稱有機電激發光顯示、有機發光半導體。OLED的基本結構是由一薄而透明具半導體特性之銦錫氧化物(ITO)，與電力之正極相連，再加上另一個金屬陰極，包成如三明治的結構。整個結構層中包括了：空穴傳輸層(HTL)、發光層(EL)與電子傳輸層(ETL)。OLED的特性是自己發光，不像TFTLCD需要背光，因此可視度和亮度均高，其次是電壓需求低且省電效率高，加上反應快、重量輕、厚度薄，構造簡單，成本低等。11.3OLED顯示屏11.3.2開發板OLED顯示屏(1)0.96寸OLED有黃藍，白，藍三種顏色可選；其中黃藍是屏上1/4部分為黃光，下3/4為藍；白光則為純白，也就是黑底白字；藍色則為純藍，也就是黑底藍字。(2)分辨率為128*64(3)多種接口方式；OLED裸屏總共種接口包括：6800、8080兩種并行接口方式、3線或4線的串行SPI接口方式、IIC接口方式（只需要2根線就可以控制OLED了！），這五種接口是通過屏上的BS0~BS2來配置的。(4)開發了兩種接口的Demo板，接口分別為六針的SPI/IIC兼容模塊，四針的IIC模塊。開發板實際選用的是六針SPI接口的藍色或白色顯示屏，采用模擬SPI接口連接。11.3OLED顯示屏11.3.3OLED顯示屏接口微控制器硬件SPI連接方式1.GND：電源地2.VCC：電源正（3～5.5V）3.SCL：OLED的SCL腳，在SPI通信中為時鐘管腳4.SDA：OLED的SDA腳，在SPI通信中為數據管腳5.RES：OLED的RES#腳，用來復位（低電平復位）6.DC：OLED的D/C#E腳，數據和命令控制管腳11.3OLED顯示屏11.3.3OLED顯示屏接口微控制器I/O模擬SPI連接方式1號腳：GND電源地2號腳：VCC接5V電源3號腳：SCL接PD64號腳：SDA接PD75號腳：RES接PD46號腳：DC接PD511.4SPI庫函數本章實際項目采用模擬SPI接口連接OLED顯示屏，本節介紹的SPI庫函數，僅供使用硬件SPI接口時查詢。11.4SPI庫函數11.4.1函數SPI_I2S_DeInit函數名

SPI_I2S_DeInit函數原形

voidSPI_I2S_DeInit(SPI_TypeDef*SPIx)功能描述

將外設SPIx寄存器重設為缺省值輸入參數

SPIx：x可以是1或者2，來選擇SPI外設輸出參數

無返回值

無先決條件

無被調用函數

對SPI1，RCC_APB2PeriphClockCmd().對SPI2，RCC_APB1PeriphClockCmd().11.4.2函數SPI_Init函數名SPI_Init函數原形voidSPI_Init(SPI_TypeDef*SPIx,SPI_InitTypeDef*SPI_InitStruct)功能描述根據SPI_InitStruct中指定的參數初始化外設SPIx寄存器輸入參數1SPIx：x可以是1或者2，來選擇SPI外設輸入參數2SPI_InitStruct：指向結構SPI_InitTypeDef的指針，包含了外設SPI的配置信息參閱輸出參數無返回值無先決條件無被調用函數無11.4SPI庫函數11.4.3函數SPI_Cmd函數名SPI_Cmd函數原形voidSPI_Cmd(SPI_TypeDef*SPIx,FunctionalStateNewState)功能描述使能或者失能SPI外設輸入參數1SPIx：x可以是1或者2，來選擇SPI外設輸入參數2NewState:外設SPIx的新狀態

這個參數可以?。篍NABLE或者DISABLE輸出參數無返回值無先決條件無被調用函數無11.4SPI庫函數11.4.4函數SPI_I2S_SendData函數名SPI_I2S_SendData函數原形voidSPI_I2S_SendData(SPI_TypeDef*SPIx,u16Data)功能描述通過外設SPIx發送一個數據輸入參數1SPIx：x可以是1或者2，來選擇SPI外設輸入參數2Data:待發送的數據輸出參數無返回值無先決條件無被調用函數無11.4.5函數SPI_I2S_ReceiveData函數名SPI_I2S_ReceiveData函數原形u16SPI_I2S_ReceiveData(SPI_TypeDef*SPIx)功能描述返回通過SPIx最近接收的數據輸入參數SPIx：x可以是1或者2，來選擇SPI外設輸出參數無返回值接收到的字先決條件無被調用函數無11.4SPI庫函數11.4.6函數SPI_I2S_ITConfig函數名SPI_I2S_ITConfig函數原形voidSPI_I2S_ITConfig(SPI_TypeDef*SPIx,uint8_tSPI_I2S_IT,FunctionalStateNewState)功能描述使能或者失能指定的SPI/I2S中斷輸入參數1SPIx：x可以是1或者2，來選擇SPI外設輸入參數2SPI_I2S_IT：待使能或者失能的SPI/I2S中斷源輸入參數3NewState：SPIx/I2S中斷的新狀態這個參數可以取：ENABLE或者DISABLE輸出參數無返回值無先決條件無被調用函數無11.4SPI庫函數11.4.7函數SPI_I2S_GetITStatus函數名SPI_I2S_GetITStatus函數原形ITStatusSPI_I2S_GetITStatus(SPI_TypeDef*SPIx,uint8_tSPI_I2S_IT)功能描述檢查指定的SPI_I2S中斷發生與否輸入參數1SPIx：x可以是1或者2，來選擇SPI外設輸入參數2SPI_I2S_IT：待檢查的SPI_I2S中斷源輸出參數無返回值SPI_IT的新狀態先決條件無被調用函數無11.4.8函數SPI_I2S_ClearFlag函數名SPI_I2S_ClearFlag函數原形voidSPI_I2S_ClearFlag(SPI_TypeDef*SPIx,uint16_tSPI_I2S_FLAG)功能描述清除SPI/I2S的待處理標志位輸入參數1SPIx：x可以是1或者2，來選擇SPI外設輸入參數2SPI_I2S_FLAG：待清除的SPI/I2S標志位

參閱Section：SPI_FLAG查閱更多該參數允許取值范圍

注意：標志位BSY,TXE和RXNE由硬件重置輸出參數無返回值無先決條件無被調用函數無11.5項目實例項目實施工作主要包括顯示屏底層驅動移植、漢字取模、中英文字符顯示。11.5項目實例11.5.1項目分析本項目要實現的目標是在OLED12864顯示屏上顯示普通漢字（16X16）、大號漢字（32X32）以及ASCII字符。要實現這一目標，必須先將所有可顯示的ASCII字符和要顯示的中文漢字的字庫存放到一個字庫文件當中。然后逐級編寫微控制器與OLED顯示屏通信程序，分別涉及向顯示屏送一位數據，送一個字節數據，在顯示屏顯示一個字符，顯示一個字符串，顯示一個漢字，最終將所有顯示程序封裝成一個個獨立的函數，供其它模塊調用。11.5項目實例11.5.2項目實施第一步：復制上一章創建工程模板文件夾到桌面，并將文件夾改名為“10OLED”,將原工程模板編譯一下，直到沒有錯誤和警告為止。9USART10OLED第二步：點擊“File/New”新建三個文件，將其改名為OLED.C、OLED.H和OLEDFont.H并保存到工程模板下的APP文件夾中。并將OLED.C文件添加到APP項目組下。11.5項目實例11.5.2項目實施第三步：將ASCII字符、普通漢字和大號漢字字庫數據存放到OLEDFont.H頭文件當中。普通漢字為16X16點陣形式，需要將要顯示的漢字用取字模軟件“PCtoLCD2002.exe”提取字模，存放成C51格式。大號漢字為32X32點陣形式，需要將要顯示的漢字用取字模軟件“PCtoLCD2002.exe”提取字模，存放成C51格式。11.5項目實例11.5.2項目實施ifndef__OLEDFONT_H#define__OLEDFONT_HcharHzk32[][128]={/*"黃",0,(32X32,宋體)*/{0x00,0x00,0x00,0x00,0x40,0x40,0x40,0x40,0x40,0x40,0x40,0xFC,0x48,0x40,0x40,0x40,0x40,0x40,0x40,0xFC,0xFC,0x48,0x40,0x40,0x40,0x60,0x60,0x40,0x00,0x00,0x00,0x00},{0x00,0x00,0x08,0x08,0x08,0x08,0x08,0xC8,0xC8,0x48,0x48,0x47,0x48,0x48,0x48,0xF8,0xF8,0x48,0x48,0x47,0x47,0x48,0x48,0xC8,0xE8,0x48,0x08,0x04,0x06,0x04,0x00,0x00},{0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF,0xFF,0x88,0x88,0x88,0x88,0x88,0x88,0xFF,0xFF,0x88,0x88,0x88,0x88,0x88,0x88,0xFF,0xFF,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00},{0x00,0x00,0x00,0x40,0x40,0x20,0x30,0x11,0x19,0x0C,0x0E,0x07,0x02,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x02,0x02,0x04,0x04,0x0D,0x19,0x38,0x70,0x70,0x00,0x00,0x00,0x00}};charHzk[][32]={{0x04,0x44,0x44,0x44,0x5F,0x44,0xF4,0x44,0x44,0x44,0x5F,0xC4,0x04,0x04,0x04,0x00},{0x00,0x10,0x8E,0x40,0x20,0x18,0x07,0x00,0x40,0x80,0x40,0x3F,0x00,0x01,0x0E,0x00},/*"蘇",0*/{0x00,0xE0,0x00,0xFF,0x00,0x20,0xC0,0x00,0xFE,0x00,0x20,0xC0,0x00,0xFF,0x00,0x00},{0x81,0x40,0x30,0x0F,0x00,0x00,0x00,0x00,0x3F,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF,0x00,0x00}/*州",1*/};#endifOLEDFont.H字庫文件內容如左所示，因為字庫數據很大，漢字字庫只貼出了1~2個字，ASCII字庫內容沒有貼出來，讀者可以從教材配套素材中下載11.5項目實例第四步：在OLED.C文件中輸入如下源程序，在程序中首先包含OLED.H頭文件，然后創建若干個OLED顯示函數。11.5.2項目實施11.5項目實例第五步：在OLED.H文件中輸入如下源程序，其中條件編譯格式不變，只要更改一下預定義變量名稱即可，需要將我們剛定義函數的聲明加到頭文件當中。11.5.2項目實施11.5項目實例第六步：在main.h文件的中間部分添加“#include"OLED.H"”語句，即包含OLED.H頭文件，任何時候程序中需要使用某一源文件中函數，必須先包含其頭文件，否則編譯是不能通過的。第七步：在main.c文件中輸入如下源程序，主要工作包括顯示屏初始化，顯示屏清屏，調用顯示函數，分別完成普通漢字、大號漢字和ASCII字符的顯示。第六步參考代碼如下:#ifndef_MAIN_H#define_MAIN_H#include"stm32f10x.h"#include"LED.h"#include"beepkey.h"#include"dsgshow.h"#include"EXTI.H“#include"timer.h“